窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)*

盛元平

(海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

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窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)*

盛元平

(海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

高速窄脈沖激光器因?yàn)槠涓吖β拭芏群透邥r(shí)間分辨率,在激光測(cè)距和激光探測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。論文介紹了窄脈沖激光器的工作原理,設(shè)計(jì)出基于特定半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路。便攜式移動(dòng)設(shè)備多為電池供電,低功耗是設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要方向。通過仿真和樣機(jī)測(cè)試,證明可行性。

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路; 窄脈沖激光器驅(qū)動(dòng); 低功耗便攜激光器

Class Number TN242

1 引言

半導(dǎo)體激光器因其波長(zhǎng)的擴(kuò)展、高功率激光陣列的出現(xiàn)以及可兼容的光纖導(dǎo)光和激光能量參數(shù)微機(jī)控制的出現(xiàn)而迅速發(fā)展。特別是在激光探測(cè),激光測(cè)距領(lǐng)域,激光脈沖質(zhì)量直接影響其識(shí)別能力,抗干擾能力和測(cè)距精度,所以半導(dǎo)體激光器常用電流注入法調(diào)制,激光脈沖上升時(shí)間決定了探測(cè)精度和分辨率。而脈沖電流寬度,大小對(duì)峰值功率影響極大,進(jìn)而影響探測(cè)距離。激光脈沖質(zhì)量和特性取決于所使用的激光二極管和配套的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。普通的驅(qū)動(dòng)電路通常采用三極管設(shè)計(jì),滿足了高速開關(guān)的要求,但是驅(qū)動(dòng)能力有限。目前電源領(lǐng)域高速M(fèi)OSFET發(fā)展迅速,開關(guān)速度已經(jīng)可以達(dá)到納秒級(jí),而且瞬間導(dǎo)通電流極大。既滿足了高速開關(guān)的要求,又可以大幅度提升輸出功率。本文就半導(dǎo)體激光器、電路設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)等,作進(jìn)一步的研究和探討[1]。

2 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管,是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異,不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件,可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖器件,而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作[2]。

2.1 優(yōu)點(diǎn)

半導(dǎo)體二極管激光器采用注入電流的方式,其工作電壓電流與集成電路兼容,可單片集成。并且還可以用高達(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出[3]。

1) 體積小,重量輕;

2) 驅(qū)動(dòng)功率和電流較低;

3) 效率高、工作壽命長(zhǎng);

4) 可直接電調(diào)制;

5) 易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成;

6) 與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容,可大批量生產(chǎn)。

2.2 工作特性

1) 閾值電流。當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時(shí),只有自發(fā)輻射產(chǎn)生,隨電流值的增大增益也增大,達(dá)閾值電流時(shí),p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素[4]:

· 晶體的摻雜濃度越大,閾值越小。

· 諧振腔的損耗小,如增大反射率,閾值就低。

· 與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān),異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前,室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2;單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2;雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。

· 溫度愈高,閾值越高。100K以上,閾值隨T的三次方增加。因此,半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。

2) 方向性。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小,激光方向性較差,在結(jié)的垂直平面內(nèi),發(fā)散角最大,可達(dá)20°～30°;在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右。

3) 效率。量子效率η=每秒發(fā)射的光子數(shù)/每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)數(shù)77K時(shí),GaAs激光器量子效率達(dá)70%～80%;300K時(shí),降到30%左右。

功率效率η1=輻射的光功率/加在激光器上的電功率由于各種損耗,目前的雙異質(zhì)結(jié)器件,室溫時(shí)的η1最高10%,只有在低溫下才能達(dá)到30%～40%。

4) 光譜特性。由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu),受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶(導(dǎo)帶與價(jià)帶)之間,所以激光線寬較寬,GaAs激光器,室溫下譜線寬度約為幾納米,可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長(zhǎng):77K時(shí)為840nm;300K時(shí)為902nm。

2.3 應(yīng)用

半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用[5]。

3 電路設(shè)計(jì)

主要實(shí)現(xiàn)電流源驅(qū)動(dòng)及保護(hù)、光功率反饋控制、恒溫控制、錯(cuò)誤報(bào)警及鍵盤顯示等功能,整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制[6]。

光功率及溫度采樣模擬信號(hào)經(jīng)放大后由單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),進(jìn)行運(yùn)算處理,反饋控制信號(hào)經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路,形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。

光功率設(shè)定為高精密的恒流源,大多數(shù)都使用了集成運(yùn)算放大器。其基本原理是通過負(fù)反作用,使加到比較放大器兩個(gè)輸入端的電壓相等,從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分:一是構(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素,包括:基準(zhǔn)電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點(diǎn)漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素,包括:輸入電源電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度的變化。

3.1 工作原理

半導(dǎo)體激光器是依靠載流子直接注入而工作的,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于閾值電流時(shí),激光器輸出光功率近似為零;在驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流以上的一段區(qū)域,驅(qū)動(dòng)電流與輸出光功率近似呈線性關(guān)系,這樣就可通過調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流來對(duì)LD的輸出光進(jìn)行直接調(diào)制[7]。

工作原理如圖1所示。由控制電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過脈沖整形作為功率放大電路的開關(guān)信號(hào),脈沖電流經(jīng)由放電回路激發(fā)半導(dǎo)體激光器。

圖1 工作原理圖

脈沖產(chǎn)生電路對(duì)控制電路的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行整形與功率放大,產(chǎn)生放電回路所需的窄脈沖開關(guān)信號(hào)。半導(dǎo)體激光器放電回路是整個(gè)驅(qū)動(dòng)部分的核心,接收脈沖信號(hào),瞬間釋放電流,激發(fā)LD出光。電流脈沖上升時(shí)間短,瞬間導(dǎo)通電流大。

3.2 放電回路

半導(dǎo)體激光器放電回路由儲(chǔ)能模塊、MOSFET開關(guān)、LD組成,如圖2所示。脈沖產(chǎn)生及放大電路的核心采用TC1412N,該芯片的峰值輸出可達(dá)2A的高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器,高容性的負(fù)載1000PF,輸出脈沖上升時(shí)間為18ns,脈寬為36ns[8]。

圖2 放電回路

放電回路中MOSFET開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間直接影響輸出電流的脈寬,必須選擇導(dǎo)通時(shí)間較短,瞬間導(dǎo)通電流很大的開關(guān)器件。例如,可選用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET,其漏極電壓最大可達(dá)100V,脈沖電流最大可達(dá)60A,導(dǎo)通時(shí)間為26ns,寄生電感小于2nH。

當(dāng)MOSFET開關(guān)打開時(shí),放電回路斷開,電源模塊的輸出電壓經(jīng)調(diào)制后給儲(chǔ)能模塊充電。電壓調(diào)制模塊可以改變儲(chǔ)能模塊的充電電壓,進(jìn)而改變激光脈沖的能量和脈沖寬度。

回路方程為

(1)

放電過程:當(dāng)儲(chǔ)能電路充滿電,電壓等于調(diào)制后的充電電壓。此時(shí)釋放激發(fā)脈沖,MOSFET漏極導(dǎo)通,儲(chǔ)能電路中的電荷通過閉合RLC回路在極短時(shí)間內(nèi)放電,產(chǎn)生較大的電流脈沖,激發(fā)半導(dǎo)體激光器出光。

回路方程為

(2)

微分后得出:

(3)

(4)

震蕩角頻率

(5)

轉(zhuǎn)換方程的解為

i=Ae-αtsin(ωt+θ)

(6)

(7)

(8)

(9)

α,ω,A三個(gè)參數(shù)分別代表了正弦波的衰減快慢、電流的周期和幅度。在脈沖激光電源中,只利用第一個(gè)正弦波得到脈沖激勵(lì)電流,所以,應(yīng)要求α值較大即有較快的衰減速度,以免后續(xù)電流脈沖對(duì)激光器造成損壞或產(chǎn)生多余的激光脈沖:A值應(yīng)較大,以得到較高的電流脈沖幅度;ω應(yīng)盡量小,這意味著第一個(gè)正弦波有較快的下降時(shí)間和較窄的脈寬。

4 仿真試驗(yàn)

結(jié)合RLC回路特性,對(duì)待測(cè)電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。通過采集和分析實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù),證實(shí)了這一設(shè)計(jì)思路的可行性。例如,在電流上升時(shí)間小于20ns,脈寬小于50ns,脈沖電流大于15A時(shí),其儲(chǔ)能電容容值約為1000pF,電流大小可通過充電電壓調(diào)節(jié)[9]。

1) 仿真試驗(yàn)。由控制電路輸出激光觸發(fā)信號(hào),選用美國(guó)thorlabs公司的硅光電探測(cè)器DET10A/M探測(cè)輸出的激光脈沖,通過Tectronix公司的DPO3052示波器觀察輸出波形。

· 回路總電感為

L=LD+LM+LS

(10)

其中LS為回路電感,LD為激光二極管寄生電感,LM為MOSFET寄生電感。

· 回路總電容為

C=CDS+CL

(11)

CL為儲(chǔ)能電容,CDS為漏極間分布電容。

· 回路總電阻為

R=RM+RD+RS

(12)

RM為MOSFET導(dǎo)通電阻,RD為L(zhǎng)D導(dǎo)通電阻,RS為回路電阻。

通過分析電路參數(shù)得出近似值R=4.8Ω,L=7.4Nh,C=1000pF。

2) 仿真結(jié)果。通過調(diào)整電路中其他參數(shù)如回路電容、充電電壓,進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),最后實(shí)際測(cè)量的結(jié)果脈寬為25ns,達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

3) 仿真分析。在仿真試驗(yàn)過程中,很多元素影響激光輸出波形,最重要的是半導(dǎo)體激光器的性能和激光發(fā)射電路分布電感。分布電感包括放電回路器件引起的電感和布線帶來的電感,因?yàn)榉植茧姼械拇笮o法通過普通測(cè)試得到,其數(shù)值的微弱改變卻會(huì)對(duì)最終的結(jié)果帶來很大的影響。

4) 值得注意的問題。

· 在實(shí)際電路裝調(diào)過程中盡可能減小電感;

· 通過加寬布線面積的方法減小布線電感;

· 通過并聯(lián)電容的方法進(jìn)一步減小電容兩端電感(約2nH)。

5 結(jié)語

本文參考了過去大量的設(shè)計(jì)實(shí)例在總結(jié)了相關(guān)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上,通過相關(guān)計(jì)算,設(shè)計(jì)出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驅(qū)動(dòng)。通過采集和分析實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù),證實(shí)了這一設(shè)計(jì)思路的可行性。便攜式移動(dòng)設(shè)備多為電池供電,所以低功耗可以最大度地延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間[10]。

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Narrow Pulse Semiconductor Laser Driving Circuit Design and Simulation Test

SHENG Yuanping

(Shenyang Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Shenyang 110031)

The high-speed narrow pulse laser is widely used in the area of laser rangefinder and laser detect because of its high power density and high temporal resolution. The article describes the working principle of narrow pulse lasers and designs the drive circuit which is based on the specific semiconductor diode. The portable mobile devices are mostly battery-powered so the low-power design is another direction. The feasibility is demonstrated by prototype tests.

semiconductor laser driving circuit, narrow pulse laser driver, low-power laser driver

2014年11月9日,

2014年12月27日

盛元平,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:水聲、電子裝備研制及裝備保障。

TN242

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.004