專利名稱：用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，特別是一種用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動 電源。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器在工業(yè)、軍事、科研等諸多領(lǐng)域具有廣泛的用途，特別是在激光測 距、激光雷達、激光通信等領(lǐng)域。如在激光測距中，激光脈沖的上升沿、脈寬、峰值功率與測 量的精度、測距死區(qū)、最遠測距能力密切相關(guān)。激光脈沖上升沿越快越有利于提高測量精 度、脈寬越窄越有利于把測距死區(qū)減到最小、峰值功率越高越有利于增加最遠測距能力。現(xiàn)有的窄脈沖(納秒級)激光驅(qū)動電源，常采用雪崩晶體管來產(chǎn)生窄脈沖(劉旭 升，納秒脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的研究(1).激光技術(shù)，2006，30 (4) :445-448 ；張海明.大 電流窄脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的設(shè)計.半導(dǎo)體光，2009，30 (2) :313-315;)。晶體管工作于 雪崩區(qū)時，其雪崩電壓V范圍V。< V < Vp其中V為晶體管集電極和發(fā)射極間的電壓，V。為 晶體管基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓，Vr為晶體管基極和發(fā)射極間接一電阻時 集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。滿足上述電壓范圍時，晶體管的雪崩狀態(tài)受基極輸入信號 控制，晶體管平時處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)基極注入一個正脈沖信號時，晶體管發(fā)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。雪崩晶體管的窄脈沖激光驅(qū)動電源就是基于此 快速的電壓跳變原理設(shè)計的。雖然雪崩晶體管可以獲得很窄的輸出脈沖，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(guān)系。通常，擊穿電壓較低的雪崩管有更快的雪崩上升時間 和較快的脈沖重復(fù)周期，但其脈沖幅度較低；而擊穿電壓較高的雪崩管雖然其脈沖幅度變 高了，但雪崩上升時間變慢，脈沖重復(fù)周期變低了。因此，采用雪崩晶體管來產(chǎn)生的窄脈沖， 其輸出脈沖信號的前沿、脈寬、頻率、峰值電流都受限于雪崩晶體管本身的特性，不可調(diào)節(jié)。 采用雪崩晶體管驅(qū)動電源來驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器，其輸出的激光脈沖的前沿、脈寬、頻率、 峰值電流及光脈沖波形也受限于雪崩晶體管的參數(shù)特性，不能根據(jù)半導(dǎo)體激光器的不同參 數(shù)調(diào)制出理想的脈沖信號。近年來隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，重復(fù)頻率高、前沿快、脈寬窄、峰值功率高的半 導(dǎo)體激光器被越來越多地應(yīng)用。特別是高功率半導(dǎo)體激光器要獲得一個大能量、窄脈寬的 光脈沖，就需要一個能提供良好光脈沖的種子光源。而要獲得一個有利于后級放大的種子 光源，不僅要求輸出的光脈沖有高的重復(fù)頻率、快的上升沿、窄的脈沖寬度、一定幅值的脈 沖電流，而且輸出的光脈沖的波形一定要平滑，激光輸出的功率和中心波長一定要穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于適應(yīng)高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，提供一種用于半導(dǎo)體激光器 的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，該驅(qū)動電源能根據(jù)不同的激光器參數(shù)，通過改變電路中電源
3電壓、電阻、電容的參數(shù)，使被驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、 脈沖峰值可控、波形平滑的激光脈沖。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，包括半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電 路和高精度溫控電路，其特點在于所述的半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路包括外接的+15V第三電源、第一電源、直流偏 置電源，采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,以下簡稱為MOSFET)作開關(guān)，該高速MOSFET的驅(qū)動芯片稱為驅(qū)動集成塊，所述 的驅(qū)動集成塊的第2腳與“外觸發(fā)輸入”相連；該驅(qū)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(jié)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(yīng)二極管的正 端構(gòu)成節(jié)點，該節(jié)點接所述的激光二極管的負極；所述的快響應(yīng)二極管的負端接地，采樣電 阻的一端接地，該采樣電阻的另一端分別與所述的激光二極管的正極和激光二極管電流監(jiān) 測端的示波器相連。所述的第一電源的電壓的取值范圍為0 500V。所述的儲能電容的范圍為51pF 1000pF。所述的放電電阻的取值范圍為1 Ω 5Ω。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明采用高速MOSFET的驅(qū)動電路，克服了用雪崩晶體管作驅(qū)動電源的局限，可 根據(jù)不同激光器的不同參數(shù)要求，通過改變驅(qū)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(shù)可獲得不同激光器所需要的脈沖信號。使被驅(qū)動的半導(dǎo)體激光 器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈沖峰值可控、波形平滑的激光脈沖。半導(dǎo)體激光器隨著溫度的變化，其輸出的激光功率和中心波長都會隨之飄移，給 后級的激光放大帶來不良影響，為保證激光器輸出的激光功率和中心波長的穩(wěn)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(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠，可 快速、平穩(wěn)、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(dǎo)體激光器的精密模糊PID溫控系統(tǒng)，量子電子學(xué)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(wěn)定的集成塊，降低了回路 的噪聲，提高了溫控的精度。


圖1是半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源中激光器的驅(qū)動電路2是當(dāng)?shù)谝浑娫吹碾妷簽?93. 2V，采樣電阻R4的值為0. 1 Ω時，從示波器上監(jiān) 測到的激光器驅(qū)動電路中采樣電阻R4上的脈沖峰值電流波形圖3是當(dāng)?shù)谝浑娫措妷簽?30. 9V，采樣電阻R4的值為0. 1 Ω時，從示波器上監(jiān)測 到的激光器驅(qū)動電路中采樣電阻R4上的脈沖峰值電流波形
4
圖4是當(dāng)?shù)谝浑娫措妷簽?3.9V，采樣電阻R4的值為0. 1Ω時，從示波器上監(jiān)測到 的激光器驅(qū)動電路中采樣電阻R4上的脈沖峰值電流波形圖5是半導(dǎo)體激光器工作時從示波器上監(jiān)測到的脈沖峰值電流波形和激光脈沖 波形其中1為采樣電阻R4上監(jiān)測到的激光器脈沖峰值電流波形，LD為高速探測器監(jiān) 測到的激光脈沖波形圖6是在半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路中加上偏置電流后，從示波器上監(jiān)測到的脈沖 峰值電流波形和激光脈沖波形(I、LD的定義同上)圖7是針對Bookham半導(dǎo)體激光器，設(shè)定一組參數(shù)后獲得的實驗結(jié)果。從示波器 上監(jiān)測其脈沖峰值電流波形和激光脈沖波形(I、LD的定義同上)
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。請參見圖1，本發(fā)明用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，包括半導(dǎo)體激 光器的驅(qū)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(dǎo)體激光器的驅(qū)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，采用高速MOSFET Q作開關(guān)，該高速MOSFET的驅(qū)動芯片稱為驅(qū)動集成塊 U，所述的驅(qū)動集成塊U的第2腳與“外觸發(fā)輸入”相連；該驅(qū)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(jié)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(yīng)二極管Dl的正端Dl+構(gòu)成節(jié)點，該節(jié)點 接激光二極管的負極LD-；所述的快響應(yīng)二極管Dl的負端接地，采樣電阻R4的一端接地， 該采樣電阻R4的另一端分別與所述的激光二極管的正極LD+和激光二極管電流監(jiān)測端的 示波器相連。本實施例采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，簡稱為MOSFET)作為開關(guān)，MOSFET是一種單極性的電壓控制電 流器件，具有導(dǎo)通電阻低、負載電流大的優(yōu)點，不但有自關(guān)斷能力，而且驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動 功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高。本實施例的高速MOSFET選用DE275-501N16A，其導(dǎo)通阻 值小RDS(。n) =0.5 Ω ；開關(guān)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(dǎo)體激光器提供前沿快、脈寬窄、一定電流幅值的開關(guān)信號。“外觸發(fā)輸入”是由外部信號發(fā)生器提供的一個脈寬為100ns、幅值為晶體管-晶 體管邏輯(TTL--Transister-Transister-Logic)電平的脈沖信號；激光二極管LD電流監(jiān) 測是采樣電阻R4上監(jiān)測到的LD脈沖峰值電流，通過同軸電纜接到示波器監(jiān)測其信號；驅(qū)動 集成塊U為高速MOSFET驅(qū)動芯片TC426，其開關(guān)速度為30ns，輸出電流為1. 5A。外部輸入的TTL脈沖信號經(jīng)驅(qū)動集成塊U轉(zhuǎn)換為+15V的互補的金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS—Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)電平的脈沖信號，經(jīng)柵極電阻 Rl 后輸入到MOSFET Q的G極。當(dāng)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(yīng)二極管Dl和地回路為儲能電容C充電， 最大充電電平為+Vl ；儲能電容C為放電回路提供穩(wěn)定的工作電壓，使其不受外部電源波動 的影響，提高了輸出脈沖的穩(wěn)定度。當(dāng)MOSFET Q的G極有正脈沖輸入時，MOSFET Q導(dǎo)通； 儲能電容C上儲存的電荷通過MOSFET Q、地、采樣電阻R4、半導(dǎo)體激光器LD和放電電阻R3 回路迅速釋放，在半導(dǎo)體激光器LD兩端產(chǎn)生一個快速的電壓跳變，在電荷釋放的瞬間激光 器受激輸出脈沖激光。采樣電阻R4在放電回路中采樣脈沖電流，以監(jiān)測激光器是否在安全 的電流范圍內(nèi)工作。當(dāng)半導(dǎo)體激光器LD電流小于5A時，采樣電阻R4選用1Ω，以保證采 樣精度；當(dāng)半導(dǎo)體激光器LD電流大于5A時，采樣電阻R4選用0. 1 Ω?？祉憫?yīng)二極管Dl為 ΙΝ4148，其響應(yīng)時間為4ns，能快速釋放激光器處的反向電壓，保護激光器不被反向電壓損 壞。直流偏置電源V2通過偏置電阻R5為激光器提供所需的偏置電流Ib，以改善激光器輸 出的光脈沖波形。在本驅(qū)動電源中，通過改變驅(qū)動電路中第一電源Vl的電壓、儲能電容C、放電電阻 R3的值，可改變脈沖的峰值電流、前沿、脈寬；且改變?nèi)我粎?shù)，脈沖的峰值電流、前沿、脈 寬都會有所改變。其中，增大第一電源電壓，主要是增大脈沖峰值電流值，第一電源電壓的 范圍為0-500V ；減小儲能電容C或放電電阻R3的值，主要是減小脈沖的前沿和脈寬，儲能 電容C的范圍為51pF IOOOpF,放電電阻R3范圍為1Ω 5Ω。增大直流偏置電源V2，即 增大了偏置電流Ib的值。針對各個激光器的具體參數(shù)，調(diào)節(jié)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(shù)即可獲得激光器所需的脈沖前沿、脈寬、峰 值電流，及平滑的激光脈沖波形。由于本驅(qū)動電源是高速、窄脈沖驅(qū)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(shè)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、電感對輸出脈沖的影響。因此，改變儲能電 容C、放電電阻R3、采樣電阻R4參數(shù)時，采用并聯(lián)或調(diào)換的辦法實現(xiàn)，而不采用外接可調(diào)電 阻或電容的辦法。本驅(qū)動電源中選用的MOSFET的電壓Vdss最高為500V，當(dāng)儲能電容C、放電電阻 R3、采樣電阻R4的參數(shù)一定時，第一電源Vl的電壓為493. 2V時，輸出的脈沖峰值電流為 72.2A，脈寬為12. 8ns，下降沿為4. 87ns，如圖2所示。當(dāng)?shù)谝浑娫碫l的電壓為230. 9V時， 輸出的脈沖峰值電流為42A，脈寬為10. 74ns，下降沿為3. 184ns，如圖3所示。當(dāng)?shù)谝浑娫?Vl的電壓為83. 9V時，輸出的脈沖電流峰值為17. 8A，脈寬為9. 606ns，下降沿為2. 243ns, 如圖4所示。由于輸出的激光脈沖是一個高速、窄脈沖信號，電流脈沖從零上升的時間到激光 開始發(fā)光的時間之間有延時。在產(chǎn)生激光脈沖時，開始會出現(xiàn)瞬態(tài)過激，然后又出現(xiàn)馳張振 蕩，結(jié)果輸出的激光脈沖波形不理想，如圖5中LD波形。為了給后續(xù)的激光放大提供波形平 滑的激光脈沖，需要對此激光脈沖波形進行優(yōu)化。在激光器的驅(qū)動電路中疊加一個直流偏 置電流Ib，偏置電流值Ib根據(jù)激光器的閾值電流Ith的值選取。加上直流偏置后，產(chǎn)生激光 脈沖的延時就近似于零，沒有了明顯的瞬態(tài)過激和馳張振蕩，輸出的激光脈沖變得很平滑， 如圖6中LD波形。
用本發(fā)明驅(qū)動電源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，可獲得高速的下降沿< 5ns ；窄脈寬的 脈寬< 13ns ；高峰值電流的脈沖峰值電流范圍0 72A ；高重復(fù)頻率的開關(guān)重復(fù)頻率范 圍1HZ 50KHZ的激光驅(qū)動脈沖；且激光脈沖波形平滑。高精度的PID溫控電路，保證了 激光器輸出的光功率和激光中心波長的穩(wěn)定激光器輸出的光功率穩(wěn)定度:< 5%，激光器 中心波長的穩(wěn)定度士0. lnm。本激光器驅(qū)動電源不僅可作為一般高速、窄脈沖半導(dǎo)體激光 器的驅(qū)動電源，也是大能量、窄脈寬的半導(dǎo)體激光器種子光源的理想驅(qū)動電源。本實施例用美國Stanford公司的延時脈沖發(fā)生器15162為“外觸發(fā)輸入”端提供 一個脈寬為100ns、TTL電平、頻率為IHZ 50KHZ可調(diào)的正脈沖信號。通過高速MOSFET驅(qū) 動集成塊U為高速MOSFET Q提供CMOS電平的脈沖信號。當(dāng)MOSFET Q的G端脈沖信號幅 度到達其導(dǎo)通值時，MOSET快速導(dǎo)通，儲能電容C上儲存的電荷迅速釋放，為半導(dǎo)體激光器 提供一個前沿快、脈寬窄的脈沖信號。為了測得最接近實際的峰值脈沖電流波形和激光脈沖波形，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(yīng)帶寬為400-1 lOOnm。選用Tektronix的TDS3054示波器在全帶寬下測量脈沖波形；其 中，I為采樣電阻R4上監(jiān)測到的激光器的脈沖峰值電流波形，LD為高速探測器監(jiān)測到的激 光脈沖波形?，F(xiàn)選用Bookham的LC96A1064BBFBG半導(dǎo)體激光器接入本驅(qū)動電源中，其工作參數(shù) 如下表所示 根據(jù)Bookham激光器的工作參數(shù)，考慮到降額使用，在驅(qū)動電路中設(shè)定各參數(shù)重 復(fù)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、采樣電阻R4 = 1Ω、直流偏置電源V2 = _2V、偏置電阻R5 = 50 Ω。 采樣電流(I)脈沖波形和激光(LD)脈沖波形如圖7所示。圖中的橫坐標(biāo)每格表示4ns， 縱坐標(biāo)的CH3通道每格表示lOOmV，CH4通道每格表示500mV。從圖中可以看出，該脈沖電流的下降沿為3. 2ns、脈寬為6. 8ns、峰值電流為1. 7A ；激光脈沖的上升沿為3. 777ns、 脈寬為8. 74ns，且激光脈沖波形是一個對稱且非常平滑的脈沖波形；測得激光器輸出 的平均功率為378. 2uW，其峰值功率為865. 4mW。采用的PID溫控電路，對此激光器的 控溫精度達士0. 02°C，激光器輸出的光功率穩(wěn)定度< 3%，激光器中心波長的穩(wěn)定度 1064nm士0. lnm。 本發(fā)明用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，可根據(jù)不同激光器的參數(shù) 要求，調(diào)節(jié)電路中第一電源電壓、改變儲能電容、放電電阻，使被驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器輸出 所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈沖峰值可控、波形平滑的激光脈沖。
權(quán)利要求
一種用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，包括半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路和高精度溫控電路，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器的驅(qū)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)，采用高速MOSFET(Q)作開關(guān)，該高速MOSFET的驅(qū)動芯片稱為驅(qū)動集成塊(U)，所述的驅(qū)動集成塊(U)的第2腳與“外觸發(fā)輸入”相連；該驅(qū)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(jié)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(yīng)二極管(D1)的正端(D1+)構(gòu)成節(jié)點；該節(jié)點接所述的激光二極管(LD)的負極(LD )；所述的快響應(yīng)二極管(D1)的負端接地，采樣電阻(R4)的一端接地，該采樣電阻(R4)的另一端分別與所述的“激光二極管(LD)的正極(LD+)和激光二極管電流監(jiān)測端的示波器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，其特征在于所述的第一電源 (Vl)的電壓的取值范圍為0 500V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，其特征在于所述的儲能電容(C) 的范圍為51pF 1000pF。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，其特征在于所述的放電電阻 (R3)的取值范圍為1 Ω 5Ω。
全文摘要
一種用于半導(dǎo)體激光器的高速窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電源，包括半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路和高精度溫控電路，所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路采用高速MOSFET作開關(guān)。本發(fā)明能根據(jù)半導(dǎo)體激光器的參數(shù)，通過改變本發(fā)明驅(qū)動電源電路中的電源電壓、電阻和電容，使被驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈沖峰值可控、波形平滑的激光脈沖。
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(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者侯霞, 俞敦和, 吳姚芳, 楊燕 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所