CN101895058A - 用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源 - Google Patents
用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，包括半导体激光器驱动电路和高精度温控电路，所述的半导体激光器驱动电路采用高速MOSFET作开关。本发明能根据半导体激光器的参数，通过改变本发明驱动电源电路中的电源电压、电阻和电容，使被驱动的半导体激光器输出所需要的频率高、前沿快、脉宽窄、脉冲峰值可控、波形平滑的激光脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器，特别是一种用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源。
背景技术
半导体激光器在工业、军事、科研等诸多领域具有广泛的用途，特别是在激光测距、激光雷达、激光通信等领域。如在激光测距中，激光脉冲的上升沿、脉宽、峰值功率与测量的精度、测距死区、最远测距能力密切相关。激光脉冲上升沿越快越有利于提高测量精度、脉宽越窄越有利于把测距死区减到最小、峰值功率越高越有利于增加最远测距能力。
现有的窄脉冲(纳秒级)激光驱动电源，常采用雪崩晶体管来产生窄脉冲(刘旭升，纳秒脉冲半导体激光驱动器的研究(1).激光技术，2006，30(4)：445-448；张海明.大电流窄脉冲半导体激光驱动器的设计.半导体光，2009，30(2)：313-315；)。晶体管工作于雪崩区时，其雪崩电压V范围：Vo＜V＜Vr，其中V为晶体管集电极和发射极间的电压，Vo为晶体管基极开路时集电极和发射极间的击穿电压，Vr为晶体管基极和发射极间接一电阻时集电极和发射极间的击穿电压。满足上述电压范围时，晶体管的雪崩状态受基极输入信号控制，晶体管平时处于截止状态，当基极注入一个正脉冲信号时，晶体管发生雪崩，管中的电流以极快的速度增加，而集射间电压则以极快的速度下降，其速度之快可达几个纳秒，为此就可得到一个前沿为几纳秒的电压跳变。雪崩晶体管的窄脉冲激光驱动电源就是基于此快速的电压跳变原理设计的。
虽然雪崩晶体管可以获得很窄的输出脉冲，但雪崩上升时间、雪崩幅度与雪崩晶体管的反向击穿电压有密切的关系。通常，击穿电压较低的雪崩管有更快的雪崩上升时间和较快的脉冲重复周期，但其脉冲幅度较低；而击穿电压较高的雪崩管虽然其脉冲幅度变高了，但雪崩上升时间变慢，脉冲重复周期变低了。因此，采用雪崩晶体管来产生的窄脉冲，其输出脉冲信号的前沿、脉宽、频率、峰值电流都受限于雪崩晶体管本身的特性，不可调节。采用雪崩晶体管驱动电源来驱动的半导体激光器，其输出的激光脉冲的前沿、脉宽、频率、峰值电流及光脉冲波形也受限于雪崩晶体管的参数特性，不能根据半导体激光器的不同参数调制出理想的脉冲信号。
近年来随着半导体激光器的发展，重复频率高、前沿快、脉宽窄、峰值功率高的半导体激光器被越来越多地应用。特别是高功率半导体激光器要获得一个大能量、窄脉宽的光脉冲，就需要一个能提供良好光脉冲的种子光源。而要获得一个有利于后级放大的种子光源，不仅要求输出的光脉冲有高的重复频率、快的上升沿、窄的脉冲宽度、一定幅值的脉冲电流，而且输出的光脉冲的波形一定要平滑，激光输出的功率和中心波长一定要稳定。
发明内容
本发明的目的在于适应高功率半导体激光器的发展，提供一种用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，该驱动电源能根据不同的激光器参数，通过改变电路中电源电压、电阻、电容的参数，使被驱动的半导体激光器输出所需要的频率高、前沿快、脉宽窄、脉冲峰值可控、波形平滑的激光脉冲。
本发明的技术方案如下：
一种用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，包括半导体激光器的驱动电路和高精度温控电路，其特点在于：
所述的半导体激光器的驱动电路包括外接的+15V第三电源、第一电源、直流偏置电源，采用金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，以下简称为MOSFET)作开关，该高速MOSFET的驱动芯片称为驱动集成块，所述的驱动集成块的第2脚与“外触发输入”相连；该驱动集成块的第1脚、第8脚为空，第3脚接地，第4脚和第7脚短接，第6脚接所述的+15V电源，第5脚与所述的高速MOSFET的栅极电阻的一端相连，该栅极电阻的另一端与MOSFET的栅极相连，该MOSFET的源极接地；所述的第一电源与充电电阻的一端相连；该充电电阻的另一端、所述的MOSFET的漏极和储能电容的一端形成节点；该储能电容的另一端与放电电阻的一端相连；所述的直流偏置电源与偏置电阻一端相连；所述的放电电阻的另一端、偏置电阻的另一端和快响应二极管的正端构成节点，该节点接所述的激光二极管的负极；所述的快响应二极管的负端接地，采样电阻的一端接地，该采样电阻的另一端分别与所述的激光二极管的正极和激光二极管电流监测端的示波器相连。
所述的第一电源的电压的取值范围为0～500V。
所述的储能电容的范围为51pF～1000pF。
所述的放电电阻的取值范围为1Ω～5Ω。
本发明的技术效果如下：
本发明采用高速MOSFET的驱动电路，克服了用雪崩晶体管作驱动电源的局限，可根据不同激光器的不同参数要求，通过改变驱动电路中第一电源电压、直流偏置电源电压、放电电阻、储能电容的参数可获得不同激光器所需要的脉冲信号。使被驱动的半导体激光器输出所需要的频率高、前沿快、脉宽窄、脉冲峰值可控、波形平滑的激光脉冲。
半导体激光器随着温度的变化，其输出的激光功率和中心波长都会随之飘移，给后级的激光放大带来不良影响，为保证激光器输出的激光功率和中心波长的稳定，要对激光器进行温度控制。温控电路的种类很多，我们选用了结构简单、稳定性好、工作可靠，可快速、平稳、准确地获得满意的控温效果的PID(Proportional，integral，differential)温控电路(孙丽飞，大功率半导体激光器的精密模糊PID温控系统，量子电子学报，2005，22(3)：382-386)。温控电路中都选用低噪声、低温漂、低功耗、高稳定的集成块，降低了回路的噪声，提高了温控的精度。
附图说明
图1是半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源中激光器的驱动电路图
图2是当第一电源的电压为493.2V，采样电阻R4的值为0.1Ω时，从示波器上监测到的激光器驱动电路中采样电阻R4上的脉冲峰值电流波形
图3是当第一电源电压为230.9V，采样电阻R4的值为0.1Ω时，从示波器上监测到的激光器驱动电路中采样电阻R4上的脉冲峰值电流波形
图4是当第一电源电压为83.9V，采样电阻R4的值为0.1Ω时，从示波器上监测到的激光器驱动电路中采样电阻R4上的脉冲峰值电流波形
图5是半导体激光器工作时从示波器上监测到的脉冲峰值电流波形和激光脉冲波形
其中：I为采样电阻R4上监测到的激光器脉冲峰值电流波形，LD为高速探测器监测到的激光脉冲波形
图6是在半导体激光器的驱动电路中加上偏置电流后，从示波器上监测到的脉冲峰值电流波形和激光脉冲波形(I、LD的定义同上)
图7是针对Bookham半导体激光器，设定一组参数后获得的实验结果。从示波器上监测其脉冲峰值电流波形和激光脉冲波形(I、LD的定义同上)
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参见图1，本发明用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，包括半导体激光器的驱动电路和高精度温控电路，图中高精度温控电路未示。
所述的半导体激光器的驱动电路包括外接的输出+15V第三电源V3、第一电源V1、直流偏置电源V2，采用高速MOSFET Q作开关，该高速MOSFET的驱动芯片称为驱动集成块U，所述的驱动集成块U的第2脚与“外触发输入”相连；该驱动集成块U的第1脚、第8脚为空，第3脚接地，第4脚和第7脚短接，第6脚接所述的+15V电源，第5脚与所述的高速MOSFET Q的栅极电阻R1的一端相连，该栅极电阻R1的另一端与MOSFET Q的栅极G相连，该MOSFET Q的源极S接地；所述的第一电源V1与充电电阻R2的一端相连；该充电电阻R2的另一端、所述的MOSFET Q的漏极D和储能电容C的一端形成节点；该储能电容C的另一端与放电电阻R3的一端相连；所述的直流偏置电源V2与偏置电阻R5一端相连；所述的放电电阻R3的另一端、偏置电阻R5的另一端和快响应二极管D1的正端D1+构成节点，该节点接激光二极管的负极LD-；所述的快响应二极管D1的负端接地，采样电阻R4的一端接地，该采样电阻R4的另一端分别与所述的激光二极管的正极LD+和激光二极管电流监测端的示波器相连。
本实施例采用金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，简称为MOSFET)作为开关，MOSFET是一种单极性的电压控制电流器件，具有导通电阻低、负载电流大的优点，不但有自关断能力，而且驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高。本实施例的高速MOSFET选用DE275-501N16A，其导通阻值小：RDS(on)＝0.5Ω；开关速度快：Ton＝2ns，Toff＝5ns；电流ID最大为16A，电压VDSS最高为500V；能为半导体激光器提供前沿快、脉宽窄、一定电流幅值的开关信号。
“外触发输入”是由外部信号发生器提供的一个脉宽为100ns、幅值为晶体管-晶体管逻辑(TTL--Transister-Transister-Logic)电平的脉冲信号；激光二极管LD电流监测是采样电阻R4上监测到的LD脉冲峰值电流，通过同轴电缆接到示波器监测其信号；驱动集成块U为高速MOSFET驱动芯片TC426，其开关速度为30ns，输出电流为1.5A。
外部输入的TTL脉冲信号经驱动集成块U转换为+15V的互补的金属氧化物半导体(CMOS--Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)电平的脉冲信号，经栅极电阻R1后输入到MOSFET Q的G极。当MOSFET Q的G极为低电平时，MOSFET Q截止；第一电源V1通过充电电阻R2、储能电容C、放电电阻R3、快响应二极管D1和地回路为储能电容C充电，最大充电电平为+V1；储能电容C为放电回路提供稳定的工作电压，使其不受外部电源波动的影响，提高了输出脉冲的稳定度。当MOSFET Q的G极有正脉冲输入时，MOSFET Q导通；储能电容C上储存的电荷通过MOSFET Q、地、采样电阻R4、半导体激光器LD和放电电阻R3回路迅速释放，在半导体激光器LD两端产生一个快速的电压跳变，在电荷释放的瞬间激光器受激输出脉冲激光。采样电阻R4在放电回路中采样脉冲电流，以监测激光器是否在安全的电流范围内工作。当半导体激光器LD电流小于5A时，采样电阻R4选用1Ω，以保证采样精度；当半导体激光器LD电流大于5A时，采样电阻R4选用0.1Ω。快响应二极管D1为IN4148，其响应时间为4ns，能快速释放激光器处的反向电压，保护激光器不被反向电压损坏。直流偏置电源V2通过偏置电阻R5为激光器提供所需的偏置电流Ib，以改善激光器输出的光脉冲波形。
在本驱动电源中，通过改变驱动电路中第一电源V1的电压、储能电容C、放电电阻R3的值，可改变脉冲的峰值电流、前沿、脉宽；且改变任一参数，脉冲的峰值电流、前沿、脉宽都会有所改变。其中，增大第一电源电压，主要是增大脉冲峰值电流值，第一电源电压的范围为0-500V；减小储能电容C或放电电阻R3的值，主要是减小脉冲的前沿和脉宽，储能电容C的范围为51pF～1000pF，放电电阻R3范围为1Ω～5Ω。增大直流偏置电源V2，即增大了偏置电流Ib的值。针对各个激光器的具体参数，调节第一电源电压、直流偏置电源电压；选用不同的储能电容C、放电电阻R3参数即可获得激光器所需的脉冲前沿、脉宽、峰值电流，及平滑的激光脉冲波形。
由于本驱动电源是高速、窄脉冲驱动电源，其对电路中寄生的电阻、电容、电感很敏感，所以在布设PCB板时，使用四层板，且走线粗，元器件间连线短，电阻、电容都选用0805贴片封装，以减小电路中的寄生电阻、电容、电感对输出脉冲的影响。因此，改变储能电容C、放电电阻R3、采样电阻R4参数时，采用并联或调换的办法实现，而不采用外接可调电阻或电容的办法。
本驱动电源中选用的MOSFET的电压VDSS最高为500V，当储能电容C、放电电阻R3、采样电阻R4的参数一定时，第一电源V1的电压为493.2V时，输出的脉冲峰值电流为72.2A，脉宽为12.8ns，下降沿为4.87ns，如图2所示。当第一电源V1的电压为230.9V时，输出的脉冲峰值电流为42A，脉宽为10.74ns，下降沿为3.184ns，如图3所示。当第一电源V1的电压为83.9V时，输出的脉冲电流峰值为17.8A，脉宽为9.606ns，下降沿为2.243ns，如图4所示。
由于输出的激光脉冲是一个高速、窄脉冲信号，电流脉冲从零上升的时间到激光开始发光的时间之间有延时。在产生激光脉冲时，开始会出现瞬态过激，然后又出现驰张振荡，结果输出的激光脉冲波形不理想，如图5中LD波形。为了给后续的激光放大提供波形平滑的激光脉冲，需要对此激光脉冲波形进行优化。在激光器的驱动电路中叠加一个直流偏置电流Ib，偏置电流值Ib根据激光器的阈值电流Ith的值选取。加上直流偏置后，产生激光脉冲的延时就近似于零，没有了明显的瞬态过激和驰张振荡，输出的激光脉冲变得很平滑，如图6中LD波形。
用本发明驱动电源驱动半导体激光器，可获得高速的：下降沿＜5ns；窄脉宽的：脉宽＜13ns；高峰值电流的：脉冲峰值电流范围：0～72A；高重复频率的：开关重复频率范围：1HZ～50KHZ的激光驱动脉冲；且激光脉冲波形平滑。高精度的PID温控电路，保证了激光器输出的光功率和激光中心波长的稳定：激光器输出的光功率稳定度：＜5％，激光器中心波长的稳定度：±0.1nm。本激光器驱动电源不仅可作为一般高速、窄脉冲半导体激光器的驱动电源，也是大能量、窄脉宽的半导体激光器种子光源的理想驱动电源。
本实施例用美国Stanford公司的延时脉冲发生器15162为“外触发输入”端提供一个脉宽为100ns、TTL电平、频率为1HZ～50KHZ可调的正脉冲信号。通过高速MOSFET驱动集成块U为高速MOSFET Q提供CMOS电平的脉冲信号。当MOSFET Q的G端脉冲信号幅度到达其导通值时，MOSET快速导通，储能电容C上储存的电荷迅速释放，为半导体激光器提供一个前沿快、脉宽窄的脉冲信号。
为了测得最接近实际的峰值脉冲电流波形和激光脉冲波形，我们选用了Thorlabs的DET02ZFC高速探测器，其带宽为1.2G，上升时间为TR＝50ps，下降时间为Tf＝250ps，响应带宽为400-1100nm。选用Tektronix的TDS3054示波器在全带宽下测量脉冲波形；其中，I为采样电阻R4上监测到的激光器的脉冲峰值电流波形，LD为高速探测器监测到的激光脉冲波形。
现选用Bookham的LC96A1064BBFBG半导体激光器接入本驱动电源中，其工作参数如下表所示：
| 参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 |
| 峰值功率 | 0.7 | 1 | 瓦 | |
| 峰值电流 | 2 | 安培 | ||
| 脉冲宽度 | 5 | 500 | 纳秒 | |
| 脉冲重复率 | 500 | 千赫兹 | ||
| 阈值电流 | 10 | 30 | 50 | 毫安 |
| 上升时间 | 1.6 | 纳秒 | ||
| 中心波长 | 1063 | 1064 | 1065 | 纳米 |
| 光谱宽度(FWHM) | 0.9 | 2 | 纳米 |
根据Bookham激光器的工作参数，考虑到降额使用，在驱动电路中设定各参数：重复频率为50KHz，第一电源V1的电压＝+36V、充电电阻R2＝3KΩ、储能电容C＝100pF、放电电阻R3＝1Ω、采样电阻R4＝1Ω、直流偏置电源V2＝-2V、偏置电阻R5＝50Ω。采样电流(I)脉冲波形和激光(LD)脉冲波形如图7所示。图中的横坐标每格表示4ns，纵坐标的CH3通道每格表示100mV，CH4通道每格表示500mV。从图中可以看出，该脉冲电流的下降沿为3.2ns、脉宽为6.8ns、峰值电流为1.7A；激光脉冲的上升沿为3.777ns、脉宽为8.74ns，且激光脉冲波形是一个对称且非常平滑的脉冲波形；测得激光器输出的平均功率为378.2uW，其峰值功率为865.4mW。采用的PID温控电路，对此激光器的控温精度达±0.02℃，激光器输出的光功率稳定度：＜3％，激光器中心波长的稳定度：1064nm±0.1nm。
本发明用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，可根据不同激光器的参数要求，调节电路中第一电源电压、改变储能电容、放电电阻，使被驱动的半导体激光器输出所需要的频率高、前沿快、脉宽窄、脉冲峰值可控、波形平滑的激光脉冲。
Claims (4)
1.一种用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，包括半导体激光器的驱动电路和高精度温控电路，其特征在于：
所述的半导体激光器的驱动电路包括外接的输出+15V的第三电源(V3)、第一电源(V1)、输出为负的直流偏置电源(V2)，采用高速MOSFET(Q)作开关，该高速MOSFET的驱动芯片称为驱动集成块(U)，所述的驱动集成块(U)的第2脚与“外触发输入”相连；该驱动集成块(U)的第1脚、第8脚为空，第3脚接地，第4脚和第7脚短接，第6脚接所述的第三电源(V3)的正极，第5脚与所述的高速MOSFET(Q)的栅极电阻(R1)的一端相连，该栅极电阻(R1)的另一端与MOSFET(Q)的栅极(G)相连，该MOSFET(Q1)的源极(S)接地；所述的第一电源(V1)的正极与充电电阻(R2)的一端相连；该充电电阻(R2)的另一端、所述的MOSFET(Q)的漏极(D)和储能电容(C)的一端形成节点；该储能电容(C)的另一端与放电电阻(R3)的一端相连；所述的直流偏置电源(V2)与偏置电阻(R5)一端相连，所述的放电电阻(R3)的另一端、偏置电阻(R5)的另一端和快响应二极管(D1)的正端(D1+)构成节点；该节点接所述的激光二极管(LD)的负极(LD-)；所述的快响应二极管(D1)的负端接地，采样电阻(R4)的一端接地，该采样电阻(R4)的另一端分别与所述的“激光二极管(LD)的正极(LD+)和激光二极管电流监测端的示波器相连。
2.根据权利要求1所述的高速窄脉冲调制驱动电源，其特征在于：所述的第一电源(V1)的电压的取值范围为0～500V。
3.根据权利要求1所述的高速窄脉冲调制驱动电源，其特征在于：所述的储能电容(C)的范围为51pF～1000pF。
4.根据权利要求1所述的高速窄脉冲调制驱动电源，其特征在于：所述的放电电阻(R3)的取值范围为1Ω～5Ω。
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