CN105490162B - 大功率半导体激光高频调制电路 - Google Patents

大功率半导体激光高频调制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了大功率半导体激光高频调制电路，涉及激光技术领域。所述大功率半导体激光高频调制电路包括依次连接的直流偏置电路、调制电路和限流保护电路，限流保护电路与调制电路进行了高度集成，结构简单，所述大功率半导体激光高频调制电路采用直接调制的方式，不直接对激光载波进行调频，而是利用自身线性调频的射频信号去调制激光器发射激光的强度，从而实现半导体激光高频调制。调制带宽可达到1GHz，输出的调制电流在不大于15A的范围内连续可调。

Description

大功率半导体激光高频调制电路
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及大功率半导体激光高频调制电路。
背景技术
半导体激光的优点与直接调制技术相结合组成的高频调制电路，易于实现、结构简单、利于小型化采用直接调制可省去价格昂贵的外调制器，减小系统成本，降低复杂度。在激光雷达，激光测距等方面有广泛用途。
由于大功率半导体激光高频调制电路在激光探测领域的广泛应用，所以调频连续波大功率半导体激光高频调制电路也随之涌现，但是目前的半导体激光器的调制电路中使用的驱动电路结构复杂，输出的调制电流低，带宽也只达到几兆赫兹。
发明内容
本发明实施例提供了大功率半导体激光高频调制电路，用以解决现有技术中驱动电路结构复杂，输出调制电流低，带宽小的问题。
大功率半导体激光高频调制电路，包括依次连接的直流偏置电路、调制电路和限流保护电路，所述直流偏置电路包括直流电压源V1，集成稳压器U1，电容C1、C2、C3，电阻R7、R8，二极管D1和三极管Q1；所述直流电压源V1负极接地，正极输出经过所述电容C1滤波后与所述集成稳压器U1的输入端连接，所述集成稳压器U1的输出端经过所述电容C2滤波后与串联的电阻R8和电容C3连接后接地，所述三极管Q1的基极和集电极分别与所述电阻R8的两端连接，所述电阻R7与所述二极管D1并联后一端与所述三极管Q1的发射极连接，另一端为所述直流偏置电路的输出端，输出偏置电流；
所述调制电路包括高频调制信号源V5，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器U2，以及直流电压源V2和V3；所述高频调制信号源V5与所述电阻R1相连接，所述电阻R1和所述直流偏置电路的输出端都与所述运算放大器U2的输入端正极连接，所述运算放大器U2的输出端与串联的所述电阻R5、R3进行连接形成比例放大器，所述运算放大器U2的输出端与串联的所述电阻R4、R2相连接之后输入到所述运算放大器U2的输入端正极，所述电阻R6一端与所述电阻R4连接，另一端为所述调制电路的输出端，所述运算放大器U2的电源电压正极与所述直流电压源V2连接之后接地，所述运算放大器U2的电源电压负极与所述直流电压源V3连接之后接地；
所述限流保护电路包括直流电压源V4，三极管Q2，稳压二极管D3，电阻R9、R10，以及半导体激光器D2；所述调制电路的输出端与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极与所述电阻R9连接，所述电阻R9与所述半导体激光器D2的正极连接，所述半导体激光器D2的负极接地，所述直流电压源V4的正极与所述电阻R10串联之后与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的基极与所述稳压二极管D3的负极连接之后与所述半导体激光器D2的正极相连接。
优选地，所述集成稳压器U1型号为LM7805C。
优选地，所述运算放大器U2为甚大电流、高功率的运算放大器，为OPA512芯片。
优选地，所述电阻R7为可调电阻，调节所述电阻R7的阻值大小即调节所述直流偏置电路输出的偏置电流大小。
优选地，所述电阻R6为可调电阻，调节所述电阻R6的阻值大小即调节所述调制电路输出的高频调制电流的大小。
优选地，所述调制电路输出的高频调制电流在0A到15A的范围内连续可调，所述高频调制电流的调制带宽最大可达到1GHz。
本发明实施例中大功率半导体激光高频调制电路，限流保护电路与调制电路进行了高度集成、结构简单，上述的大功率半导体激光高频调制电路采用直接调制的方式，不直接对激光载波进行调频，而是利用自身线性调频的射频信号去调制激光器发射激光的强度，从而实现半导体激光高频调制。输入的调制信号可达到1GHz，调制带宽可达到1GHz；输出的偏置电流连续可调，输出的调制电流在不大于15A的范围内连续可调。
附图说明
为了更清楚地说明本发明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的大功率半导体激光高频调制电路的电路原理图；
图2为图1中高频调制信号源输出的相同脉冲宽度的高频调制信号波形图；
图3为图1中调制电路输出的相同脉冲宽度的调制电流波形图；
图4为图1中高频调制信号源输出的不同脉冲宽度的高频调制信号波形图；
图5为图1中调制电路输出的不同脉冲宽度的调制电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，为本发明实施例中提供的大功率半导体激光高频调制电路，包括：直流偏置电路100，调制电路200和限流保护电路300。
所述直流偏置电路100包括直流电压源V1，集成稳压器U1，电容C1、C2、C3，电阻R7、R8，二极管D1，三极管Q1，其中，所述电阻R6和R7为可调电阻。所述直流电压源V1负极接地，正极输出经过所述电容C1滤波后与所述集成稳压器U1的输入端1相连接。所述集成稳压器U1的输出端2经过所述电容C2滤波后与串联的电阻R8和电容C3相连接后接地。所述三极管Q1的基极和集电极分别与所述电阻R8的两端相连接，所述电阻R7与所述二极管D1并联后一端与所述三极管Q1的发射极连接，另一端为所述直流偏置电路100的输出端，输出偏置电流。所述电容C1、C2的负极和所述集成稳压器U1的接地端3都接地。在本实施例中，所述集成稳压器U1的型号为LM7805C。
所述调制电路200包括高频调制信号源V5，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，甚大电流、高功率的运算放大器U2，以及直流电压源V2和V3。其连接关系为：所述高频调制信号源V5与所述电阻R1相连接，所述电阻R1和所述直流偏置电路100的输出端都与所述运算放大器U2的输入端正极进行连接。所述运算放大器U2的输出端与串联的所述电阻R5、R3进行连接形成比例放大器。所述电阻R3一端与所述运算放大器U2的输入端的负极相连接，另一端接地。所述运算放大器U2的输出端与串联的所述电阻R4、R2相连接之后输入到所述运算放大器U2的输入端正极。所述电阻R6一端与所述电阻R4连接，另一端为所述调制电路200的输出端，所述运算放大器U2的电源电压正极与所述直流电压源V2连接之后接地。所述运算放大器U2的电源电压负极与所述直流电压源V3连接之后接地。在本实施例中，所述运算放大器U2为OPA512芯片。
所述限流保护电路300包括直流电压源V4，三极管Q2，稳压二极管D3，电阻R9、R10，以及高功率的半导体激光器D2。其连接关系为：所述调制电路200的输出端，即所述电阻R6与所述三极管Q2的集电极连接。所述三极管Q2的发射极与所述电阻R9连接之后，所述电阻R9与所述半导体激光器D2的正极连接，所述半导体激光器D2的负极接地。所述直流电压源V4的正极与所述电阻R10串联连接之后与所述三极管Q2的基极连接。所述三极管Q2的基极与所述稳压二极管D3的负极连接之后与所述半导体激光器D2的正极相连接。
本发明实施例中的大功率半导体激光高频调制电路采用的是直接调制技术，当输入所述半导体激光器D2的电流超过阈值时，就会使所述半导体激光器D2发出随调制信号变化的激光。
本发明实施例中为了使所述半导体激光器D2不再因电源开启或关断的瞬间产生的电击而遭到损坏，把所述直流偏置电路100设计成了软启动电路。
本发明实施例中为了使输入到所述半导体激光器D2的电流在正常工作的范围内，在大功率半导体激光高频调制电路中设计了所述限流保护电路300。
为了测量此系统的实用性，采用软件模拟的方式对此大功率半导体激光高频调制电路进行了测量。
下面对本发明实施例中的大功率半导体激光高频调制电路的工作原理做出具体介绍。
首先，所述直流偏置电路100中的所述直流电压源V1经过所述电容C1滤波后经所述集成稳压器U1进行稳压。稳压之后的电流经过所述电容C2滤波后经所述电阻R8向所述电容C3进行充电，此时所述三极管Q1的基极电压逐渐升高。随着所述电容C3的充电以及所述三极管Q1的导通，输出的电压实现了从0到最大值的缓慢上升，直到所述电容C3充电饱和后，此时电压和电流趋于稳定。此时所述直流偏置电路100输出的电流经过所述电阻R7时，可以通过调节所述电阻R7的阻值大小来调节所述直流偏置电路100输出的偏置电流的大小。为了防止反向电流对所述直流偏置电路100的影响，在所述电阻R7的两端并联了所述二极管D1。
在所述调制电路200中，所述直流电压源V1和V2为所述运算放大器U2提供工作电压。所述高频调制信号源V5产生频率为1GHz的高频方波调制信号，通过所述电阻R1产生小幅度的高频调制信号。高频调制电流和所述直流偏置电路100输出的偏置电流相叠加之后输入到所述运算放大器U2的输入端的正极，所述运算放大器U2与所述电阻R5和R3构成比例放大器将比例信号进行比例放大。之后通过所述运算放大器U2的输出端输出高频调制电流，所述运算放大器U2的输出端与所述电阻R4和R2连接之后反馈回所述运算放大器U2的输入端正极。而所述电阻R6与R4相连接，通过调节所述电阻R6的大小来调节所述调制电路200的输出电流的大小。
在所述限流保护电路300中，所述调制电路200输出的高频调制电流通过所述电阻R6输入到所述三极管Q2的集电极。当此时的高频调制电流小于设定值，由所述直流电压源V4通过连接所述电阻R10为所述三极管Q2提供偏置电流。所述三极管Q2饱和导通，因此对电流不起控制作用。当高频调制电流大于或等于设定值时，所述电阻R9的压降增大，所述电阻R9的压降与所述三极管Q2结电压的和接近所述稳压二极管D3的压降，开始限制所述三极管Q3通过的电流，就把所述半导体激光器D2通过的电流限制在一定的水平。
图2是相同脉冲宽度的高频调制信号波形图，此时，所述高频调制信号源V5的频率为1GHz，调制电压幅度为18.3V，偏置电压幅度为0.3V。
图3是所述调制电路200输出的相同脉冲宽度的调制电流波形图，此高频调制电流的频率为1GHz，调制电流幅度为14.8A，偏置电流幅度为0.3mA。
图4是不同脉冲宽度的高频调制信号波形图，此时，所述高频调制信号源V5的频率为1GHz，调制信号的宽度是变化的，调制电压幅度也是变化的，调制电压幅度峰值幅度为19.7V，偏置电压幅度为0.3V。
图5是所述调制电路200输出的不同脉冲宽度的调制电流波形图，此高频调制电流的频率为1GHz，调制电流的占空比是变化的，调制电流幅度也是变化的，调制电流幅度峰值幅度为14.8A，偏置电流幅度为0.8A。
综上所述，本发明实施例中将限流保护电路与调制电路进行了高度集成，结构简单，易于实现；输出了偏置电流连续可调，调制电流在0A到15A的范围内连续可调，也实现了不大于1GHz的调频信号激励大功率半导体激光器，可激励多种波长的大功率半导体激光器。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.大功率半导体激光高频调制电路，其特征在于，包括依次连接的直流偏置电路、调制电路和限流保护电路，所述直流偏置电路包括直流电压源V1，集成稳压器U1，电容C1、C2、C3，电阻R7、R8，二极管D1和三极管Q1；所述直流电压源V1负极接地，正极输出经过所述电容C1滤波后与所述集成稳压器U1的输入端连接，所述集成稳压器U1的输出端经过所述电容C2滤波后与串联的电阻R8和电容C3连接后接地，所述三极管Q1的基极和集电极分别与所述电阻R8的两端连接，所述电阻R7与所述二极管D1并联后一端与所述三极管Q1的发射极连接，另一端为所述直流偏置电路的输出端，输出偏置电流；
所述调制电路包括高频调制信号源V5，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器U2，以及直流电压源V2和V3；所述高频调制信号源V5与所述电阻R1相连接，所述电阻R1和所述直流偏置电路的输出端都与所述运算放大器U2的输入端正极连接，所述运算放大器U2的输出端与串联的所述电阻R5、R3进行连接形成比例放大器，所述运算放大器U2的输出端与串联的所述电阻R4、R2相连接之后输入到所述运算放大器U2的输入端正极，所述电阻R6一端与所述电阻R4连接，另一端为所述调制电路的输出端，所述运算放大器U2的电源电压正极与所述直流电压源V2连接之后接地，所述运算放大器U2的电源电压负极与所述直流电压源V3连接之后接地；
所述限流保护电路包括直流电压源V4，三极管Q2，稳压二极管D3，电阻R9、R10，以及半导体激光器D2；所述调制电路的输出端与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极与所述电阻R9连接，所述电阻R9与所述半导体激光器D2的正极连接，所述半导体激光器D2的负极接地，所述直流电压源V4的正极与所述电阻R10串联之后与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的基极与所述稳压二极管D3的负极连接之后与所述半导体激光器D2的正极相连接。
2.如权利要求1所述的高频调制电路，其特征在于，所述集成稳压器U1型号为LM7805C。
3.如权利要求1所述的高频调制电路，其特征在于，所述运算放大器U2为甚大电流、高功率的运算放大器，为OPA512芯片。
4.如权利要求1所述的高频调制电路，其特征在于，所述电阻R7为可调电阻，调节所述电阻R7的阻值大小即调节所述直流偏置电路输出的偏置电流大小。
5.如权利要求1所述的高频调制电路，其特征在于，所述电阻R6为可调电阻，调节所述电阻R6的阻值大小即调节所述调制电路输出的高频调制电流的大小。
6.如权利要求5所述的高频调制电路，其特征在于，所述调制电路输出的高频调制电流在0A到15A的范围内连续可调，所述高频调制电流的调制带宽最大可达到1GHz。
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