用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源的製作方法
2023-05-25 13:27:11
專利名稱：用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體雷射器，特別是一種用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動 電源。
背景技術：
半導體雷射器在工業、軍事、科研等諸多領域具有廣泛的用途，特別是在雷射測 距、雷射雷達、雷射通信等領域。如在雷射測距中，雷射脈衝的上升沿、脈寬、峰值功率與測 量的精度、測距死區、最遠測距能力密切相關。雷射脈衝上升沿越快越有利於提高測量精 度、脈寬越窄越有利於把測距死區減到最小、峰值功率越高越有利於增加最遠測距能力。現有的窄脈衝(納秒級)雷射驅動電源，常採用雪崩電晶體來產生窄脈衝(劉旭 升，納秒脈衝半導體雷射驅動器的研究(1).雷射技術，2006，30 (4) :445-448 ；張海明.大 電流窄脈衝半導體雷射驅動器的設計.半導體光，2009，30 (2) :313-315;)。電晶體工作於 雪崩區時，其雪崩電壓V範圍V。< V < Vp其中V為電晶體集電極和發射極間的電壓，V。為 電晶體基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓，Vr為電晶體基極和發射極間接一電阻時 集電極和發射極間的擊穿電壓。滿足上述電壓範圍時，電晶體的雪崩狀態受基極輸入信號 控制，電晶體平時處於截止狀態，當基極注入一個正脈衝信號時，電晶體發生雪崩，管中的 電流以極快的速度增加，而集射間電壓則以極快的速度下降，其速度之快可達幾個納秒，為 此就可得到一個前沿為幾納秒的電壓跳變。雪崩電晶體的窄脈衝雷射驅動電源就是基於此 快速的電壓跳變原理設計的。雖然雪崩電晶體可以獲得很窄的輸出脈衝，但雪崩上升時間、雪崩幅度與雪崩晶 體管的反向擊穿電壓有密切的關係。通常，擊穿電壓較低的雪崩管有更快的雪崩上升時間 和較快的脈衝重複周期，但其脈衝幅度較低；而擊穿電壓較高的雪崩管雖然其脈衝幅度變 高了，但雪崩上升時間變慢，脈衝重複周期變低了。因此，採用雪崩電晶體來產生的窄脈衝， 其輸出脈衝信號的前沿、脈寬、頻率、峰值電流都受限於雪崩電晶體本身的特性，不可調節。 採用雪崩電晶體驅動電源來驅動的半導體雷射器，其輸出的雷射脈衝的前沿、脈寬、頻率、 峰值電流及光脈衝波形也受限於雪崩電晶體的參數特性，不能根據半導體雷射器的不同參 數調製出理想的脈衝信號。近年來隨著半導體雷射器的發展，重複頻率高、前沿快、脈寬窄、峰值功率高的半 導體雷射器被越來越多地應用。特別是高功率半導體雷射器要獲得一個大能量、窄脈寬的 光脈衝，就需要一個能提供良好光脈衝的種子光源。而要獲得一個有利於後級放大的種子 光源，不僅要求輸出的光脈衝有高的重複頻率、快的上升沿、窄的脈衝寬度、一定幅值的脈 衝電流，而且輸出的光脈衝的波形一定要平滑，雷射輸出的功率和中心波長一定要穩定。
發明內容
本發明的目的在於適應高功率半導體雷射器的發展，提供一種用於半導體雷射器 的高速窄脈衝調製驅動電源，該驅動電源能根據不同的雷射器參數，通過改變電路中電源
3電壓、電阻、電容的參數，使被驅動的半導體雷射器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、 脈衝峰值可控、波形平滑的雷射脈衝。本發明的技術方案如下一種用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源，包括半導體雷射器的驅動電 路和高精度溫控電路，其特點在於所述的半導體雷射器的驅動電路包括外接的+15V第三電源、第一電源、直流偏 置電源，採用金屬氧化物半導體場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,以下簡稱為MOSFET)作開關，該高速MOSFET的驅動晶片稱為驅動集成塊，所述 的驅動集成塊的第2腳與「外觸發輸入」相連；該驅動集成塊的第1腳、第8腳為空，第3腳 接地，第4腳和第7腳短接，第6腳接所述的+15V電源，第5腳與所述的高速MOSFET的柵 極電阻的一端相連，該柵極電阻的另一端與MOSFET的柵極相連，該MOSFET的源極接地；所 述的第一電源與充電電阻的一端相連；該充電電阻的另一端、所述的MOSFET的漏極和儲能 電容的一端形成節點；該儲能電容的另一端與放電電阻的一端相連；所述的直流偏置電源 與偏置電阻一端相連；所述的放電電阻的另一端、偏置電阻的另一端和快響應二極體的正 端構成節點，該節點接所述的雷射二極體的負極；所述的快響應二極體的負端接地，採樣電 阻的一端接地，該採樣電阻的另一端分別與所述的雷射二極體的正極和雷射二極體電流監 測端的示波器相連。所述的第一電源的電壓的取值範圍為0 500V。所述的儲能電容的範圍為51pF 1000pF。所述的放電電阻的取值範圍為1 Ω 5Ω。本發明的技術效果如下本發明採用高速MOSFET的驅動電路，克服了用雪崩電晶體作驅動電源的局限，可 根據不同雷射器的不同參數要求，通過改變驅動電路中第一電源電壓、直流偏置電源電壓、 放電電阻、儲能電容的參數可獲得不同雷射器所需要的脈衝信號。使被驅動的半導體雷射 器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈衝峰值可控、波形平滑的雷射脈衝。半導體雷射器隨著溫度的變化，其輸出的雷射功率和中心波長都會隨之飄移，給 後級的雷射放大帶來不良影響，為保證雷射器輸出的雷射功率和中心波長的穩定，要對激 光器進行溫度控制。溫控電路的種類很多，我們選用了結構簡單、穩定性好、工作可靠，可 快速、平穩、準確地獲得滿意的控溫效果的PID(Proportional，integral, differential) 溫控電路(孫麗飛，大功率半導體雷射器的精密模糊PID溫控系統，量子電子學報，2005， 22(3) :382-386)。溫控電路中都選用低噪聲、低溫漂、低功耗、高穩定的集成塊，降低了迴路 的噪聲，提高了溫控的精度。
圖1是半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源中雷射器的驅動電路2是當第一電源的電壓為493. 2V，採樣電阻R4的值為0. 1 Ω時，從示波器上監 測到的雷射器驅動電路中採樣電阻R4上的脈衝峰值電流波形圖3是當第一電源電壓為230. 9V，採樣電阻R4的值為0. 1 Ω時，從示波器上監測 到的雷射器驅動電路中採樣電阻R4上的脈衝峰值電流波形
4
圖4是當第一電源電壓為83.9V，採樣電阻R4的值為0. 1Ω時，從示波器上監測到 的雷射器驅動電路中採樣電阻R4上的脈衝峰值電流波形圖5是半導體雷射器工作時從示波器上監測到的脈衝峰值電流波形和雷射脈衝 波形其中1為採樣電阻R4上監測到的雷射器脈衝峰值電流波形，LD為高速探測器監 測到的雷射脈衝波形圖6是在半導體雷射器的驅動電路中加上偏置電流後，從示波器上監測到的脈衝 峰值電流波形和雷射脈衝波形(I、LD的定義同上)圖7是針對Bookham半導體雷射器，設定一組參數後獲得的實驗結果。從示波器 上監測其脈衝峰值電流波形和雷射脈衝波形(I、LD的定義同上)
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。請參見圖1，本發明用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源，包括半導體激 光器的驅動電路和高精度溫控電路，圖中高精度溫控電路未示。所述的半導體雷射器的驅動電路包括外接的輸出+15V第三電源V3、第一電源VI、 直流偏置電源V2，採用高速MOSFET Q作開關，該高速MOSFET的驅動晶片稱為驅動集成塊 U，所述的驅動集成塊U的第2腳與「外觸發輸入」相連；該驅動集成塊U的第1腳、第8腳 為空，第3腳接地，第4腳和第7腳短接，第6腳接所述的+15V電源，第5腳與所述的高速 MOSFET Q的柵極電阻Rl的一端相連，該柵極電阻Rl的另一端與MOSFET Q的柵極G相連， 該MOSFET Q的源極S接地；所述的第一電源Vl與充電電阻R2的一端相連；該充電電阻R2 的另一端、所述的MOSFET Q的漏極D和儲能電容C的一端形成節點；該儲能電容C的另一 端與放電電阻R3的一端相連；所述的直流偏置電源V2與偏置電阻R5 —端相連；所述的放 電電阻R3的另一端、偏置電阻R5的另一端和快響應二極體Dl的正端Dl+構成節點，該節點 接雷射二極體的負極LD-；所述的快響應二極體Dl的負端接地，採樣電阻R4的一端接地， 該採樣電阻R4的另一端分別與所述的雷射二極體的正極LD+和雷射二極體電流監測端的 示波器相連。本實施例採用金屬氧化物半導體場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，簡稱為MOSFET)作為開關，MOSFET是一種單極性的電壓控制電 流器件，具有導通電阻低、負載電流大的優點，不但有自關斷能力，而且驅動電路簡單，驅動 功率小，開關速度快，工作頻率高。本實施例的高速MOSFET選用DE275-501N16A，其導通阻 值小RDS(。n) =0.5 Ω ；開關速度快T。n = 2ns, Toff = 5ns ；電流Id最大為16A，電壓Vdss最高 為500V ；能為半導體雷射器提供前沿快、脈寬窄、一定電流幅值的開關信號。「外觸發輸入」是由外部信號發生器提供的一個脈寬為100ns、幅值為電晶體-晶 體管邏輯(TTL--Transister-Transister-Logic)電平的脈衝信號；雷射二極體LD電流監 測是採樣電阻R4上監測到的LD脈衝峰值電流，通過同軸電纜接到示波器監測其信號；驅動 集成塊U為高速MOSFET驅動晶片TC426，其開關速度為30ns，輸出電流為1. 5A。外部輸入的TTL脈衝信號經驅動集成塊U轉換為+15V的互補的金屬氧化物半導體(CMOS—Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)電平的脈衝信號，經柵極電阻 Rl 後輸入到MOSFET Q的G極。當MOSFET Q的G極為低電平時，MOSFET Q截止；第一電源Vl 通過充電電阻R2、儲能電容C、放電電阻R3、快響應二極體Dl和地迴路為儲能電容C充電， 最大充電電平為+Vl ；儲能電容C為放電迴路提供穩定的工作電壓，使其不受外部電源波動 的影響，提高了輸出脈衝的穩定度。當MOSFET Q的G極有正脈衝輸入時，MOSFET Q導通； 儲能電容C上儲存的電荷通過MOSFET Q、地、採樣電阻R4、半導體雷射器LD和放電電阻R3 迴路迅速釋放，在半導體雷射器LD兩端產生一個快速的電壓跳變，在電荷釋放的瞬間雷射 器受激輸出脈衝雷射。採樣電阻R4在放電迴路中採樣脈衝電流，以監測雷射器是否在安全 的電流範圍內工作。當半導體雷射器LD電流小於5A時，採樣電阻R4選用1Ω，以保證採 樣精度；當半導體雷射器LD電流大於5A時，採樣電阻R4選用0. 1 Ω。快響應二極體Dl為 ΙΝ4148，其響應時間為4ns，能快速釋放雷射器處的反向電壓，保護雷射器不被反向電壓損 壞。直流偏置電源V2通過偏置電阻R5為雷射器提供所需的偏置電流Ib，以改善雷射器輸 出的光脈衝波形。在本驅動電源中，通過改變驅動電路中第一電源Vl的電壓、儲能電容C、放電電阻 R3的值，可改變脈衝的峰值電流、前沿、脈寬；且改變任一參數，脈衝的峰值電流、前沿、脈 寬都會有所改變。其中，增大第一電源電壓，主要是增大脈衝峰值電流值，第一電源電壓的 範圍為0-500V ；減小儲能電容C或放電電阻R3的值，主要是減小脈衝的前沿和脈寬，儲能 電容C的範圍為51pF IOOOpF,放電電阻R3範圍為1Ω 5Ω。增大直流偏置電源V2，即 增大了偏置電流Ib的值。針對各個雷射器的具體參數，調節第一電源電壓、直流偏置電源 電壓；選用不同的儲能電容C、放電電阻R3參數即可獲得雷射器所需的脈衝前沿、脈寬、峰 值電流，及平滑的雷射脈衝波形。由於本驅動電源是高速、窄脈衝驅動電源，其對電路中寄生的電阻、電容、電感很 敏感，所以在布設PCB板時，使用四層板，且走線粗，元器件間連線短，電阻、電容都選用 0805貼片封裝，以減小電路中的寄生電阻、電容、電感對輸出脈衝的影響。因此，改變儲能電 容C、放電電阻R3、採樣電阻R4參數時，採用並聯或調換的辦法實現，而不採用外接可調電 阻或電容的辦法。本驅動電源中選用的MOSFET的電壓Vdss最高為500V，當儲能電容C、放電電阻 R3、採樣電阻R4的參數一定時，第一電源Vl的電壓為493. 2V時，輸出的脈衝峰值電流為 72.2A，脈寬為12. 8ns，下降沿為4. 87ns，如圖2所示。當第一電源Vl的電壓為230. 9V時， 輸出的脈衝峰值電流為42A，脈寬為10. 74ns，下降沿為3. 184ns，如圖3所示。當第一電源 Vl的電壓為83. 9V時，輸出的脈衝電流峰值為17. 8A，脈寬為9. 606ns，下降沿為2. 243ns, 如圖4所示。由於輸出的雷射脈衝是一個高速、窄脈衝信號，電流脈衝從零上升的時間到雷射 開始發光的時間之間有延時。在產生雷射脈衝時，開始會出現瞬態過激，然後又出現馳張振 蕩，結果輸出的雷射脈衝波形不理想，如圖5中LD波形。為了給後續的雷射放大提供波形平 滑的雷射脈衝，需要對此雷射脈衝波形進行優化。在雷射器的驅動電路中疊加一個直流偏 置電流Ib，偏置電流值Ib根據雷射器的閾值電流Ith的值選取。加上直流偏置後，產生雷射 脈衝的延時就近似於零，沒有了明顯的瞬態過激和馳張振蕩，輸出的雷射脈衝變得很平滑， 如圖6中LD波形。
用本發明驅動電源驅動半導體雷射器，可獲得高速的下降沿< 5ns ；窄脈寬的 脈寬< 13ns ；高峰值電流的脈衝峰值電流範圍0 72A ；高重複頻率的開關重複頻率範 圍1HZ 50KHZ的雷射驅動脈衝；且雷射脈衝波形平滑。高精度的PID溫控電路，保證了 雷射器輸出的光功率和雷射中心波長的穩定雷射器輸出的光功率穩定度:< 5%，雷射器 中心波長的穩定度士0. lnm。本雷射器驅動電源不僅可作為一般高速、窄脈衝半導體雷射 器的驅動電源，也是大能量、窄脈寬的半導體雷射器種子光源的理想驅動電源。本實施例用美國Stanford公司的延時脈衝發生器15162為「外觸發輸入」端提供 一個脈寬為100ns、TTL電平、頻率為IHZ 50KHZ可調的正脈衝信號。通過高速MOSFET驅 動集成塊U為高速MOSFET Q提供CMOS電平的脈衝信號。當MOSFET Q的G端脈衝信號幅 度到達其導通值時，MOSET快速導通，儲能電容C上儲存的電荷迅速釋放，為半導體雷射器 提供一個前沿快、脈寬窄的脈衝信號。為了測得最接近實際的峰值脈衝電流波形和雷射脈衝波形，我們選用了 Thorlabs 的DET02ZFC高速探測器，其帶寬為1. 2G，上升時間為Te = 50ps，下降時間為Tf = 250ps, 響應帶寬為400-1 lOOnm。選用Tektronix的TDS3054示波器在全帶寬下測量脈衝波形；其 中，I為採樣電阻R4上監測到的雷射器的脈衝峰值電流波形，LD為高速探測器監測到的激 光脈衝波形。現選用Bookham的LC96A1064BBFBG半導體雷射器接入本驅動電源中，其工作參數 如下表所示 根據Bookham雷射器的工作參數，考慮到降額使用，在驅動電路中設定各參數重 復頻率為50KHz，第一電源Vl的電壓=+36V、充電電阻R2 = 3ΚΩ、儲能電容C = IOOpF, 放電電阻R3 = 1Ω、採樣電阻R4 = 1Ω、直流偏置電源V2 = _2V、偏置電阻R5 = 50 Ω。 採樣電流(I)脈衝波形和雷射(LD)脈衝波形如圖7所示。圖中的橫坐標每格表示4ns， 縱坐標的CH3通道每格表示lOOmV，CH4通道每格表示500mV。從圖中可以看出，該脈衝電流的下降沿為3. 2ns、脈寬為6. 8ns、峰值電流為1. 7A ；雷射脈衝的上升沿為3. 777ns、 脈寬為8. 74ns，且雷射脈衝波形是一個對稱且非常平滑的脈衝波形；測得雷射器輸出 的平均功率為378. 2uW，其峰值功率為865. 4mW。採用的PID溫控電路，對此雷射器的 控溫精度達士0. 02°C，雷射器輸出的光功率穩定度< 3%，雷射器中心波長的穩定度 1064nm士0. lnm。 本發明用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源，可根據不同雷射器的參數 要求，調節電路中第一電源電壓、改變儲能電容、放電電阻，使被驅動的半導體雷射器輸出 所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈衝峰值可控、波形平滑的雷射脈衝。
權利要求
一種用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源，包括半導體雷射器的驅動電路和高精度溫控電路，其特徵在於所述的半導體雷射器的驅動電路包括外接的輸出+15V的第三電源(V3)、第一電源(V1)、輸出為負的直流偏置電源(V2)，採用高速MOSFET(Q)作開關，該高速MOSFET的驅動晶片稱為驅動集成塊(U)，所述的驅動集成塊(U)的第2腳與「外觸發輸入」相連；該驅動集成塊(U)的第1腳、第8腳為空，第3腳接地，第4腳和第7腳短接，第6腳接所述的第三電源(V3)的正極，第5腳與所述的高速MOSFET(Q)的柵極電阻(R1)的一端相連，該柵極電阻(R1)的另一端與MOSFET(Q)的柵極(G)相連，該MOSFET(Q1)的源極(S)接地；所述的第一電源(V1)的正極與充電電阻(R2)的一端相連；該充電電阻(R2)的另一端、所述的MOSFET(Q)的漏極(D)和儲能電容(C)的一端形成節點；該儲能電容(C)的另一端與放電電阻(R3)的一端相連；所述的直流偏置電源(V2)與偏置電阻(R5)一端相連，所述的放電電阻(R3)的另一端、偏置電阻(R5)的另一端和快響應二極體(D1)的正端(D1+)構成節點；該節點接所述的雷射二極體(LD)的負極(LD )；所述的快響應二極體(D1)的負端接地，採樣電阻(R4)的一端接地，該採樣電阻(R4)的另一端分別與所述的「雷射二極體(LD)的正極(LD+)和雷射二極體電流監測端的示波器相連。
2.根據權利要求1所述的高速窄脈衝調製驅動電源，其特徵在於所述的第一電源 (Vl)的電壓的取值範圍為0 500V。
3.根據權利要求1所述的高速窄脈衝調製驅動電源，其特徵在於所述的儲能電容(C) 的範圍為51pF 1000pF。
4.根據權利要求1所述的高速窄脈衝調製驅動電源，其特徵在於所述的放電電阻 (R3)的取值範圍為1 Ω 5Ω。
全文摘要
一種用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源，包括半導體雷射器驅動電路和高精度溫控電路，所述的半導體雷射器驅動電路採用高速MOSFET作開關。本發明能根據半導體雷射器的參數，通過改變本發明驅動電源電路中的電源電壓、電阻和電容，使被驅動的半導體雷射器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈衝峰值可控、波形平滑的雷射脈衝。
文檔編號H01S5/042GK101895058SQ20101022095
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月7日 優先權日2010年7月7日
發明者侯霞, 俞敦和, 吳姚芳, 楊燕 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所