王衛(wèi)鵬，徐英添，鄒永剛，徐莉，張賀，李洋，趙鑫，馬曉輝

（長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春 130022）

準連續(xù)半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制技術(shù)研究

王衛(wèi)鵬，徐英添，鄒永剛，徐莉，張賀，李洋，趙鑫，馬曉輝

（長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春 130022）

介紹了一種由信號放大電路、電流調(diào)制電路、過流保護電路、具有慢啟動功能的直流偏置電路高度集成的半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制系統(tǒng)，此高頻調(diào)制系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)簡單的直接調(diào)制方式，這種調(diào)制方式是利用頻率可調(diào)的調(diào)制信號去控制半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光光強，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制。設(shè)計了半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制驅(qū)動輸出的調(diào)制電流幅度為9.1A，調(diào)制電流頻率達到了100MHz，直流偏置在1A內(nèi)連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)了脈沖寬度均勻與非均勻兩種情況，在均勻情況下占空比達到了50%。

半導(dǎo)體激光器；脈沖寬度；高頻調(diào)制；直流偏置

半導(dǎo)體激光器尺寸小、重量輕、能耗低、驅(qū)動源結(jié)構(gòu)簡單，能直接調(diào)制，使用安全［1］，與集成電路兼容，可單片集成［2］，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［3］。半導(dǎo)體激光器采用直接注入電流的方式，通過變化的電流來改變激光光強從而實現(xiàn)直接調(diào)制輸出［4］。基于半導(dǎo)體激光與內(nèi)調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點而設(shè)計的高頻調(diào)制系統(tǒng)容易實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單、可以省去價格高昂的外調(diào)制器、降低系統(tǒng)復(fù)雜度、降低成本［5］。由于半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制系統(tǒng)在激光探測領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，激光武器在軍事上也起著越來越重要的作用［6］，這樣就使得人們對半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制系統(tǒng)的性能也提出了更高的要求［7］，但目前的半導(dǎo)體激光直接調(diào)制系統(tǒng)中使用的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，輸出的調(diào)制電流較低，頻率也只達到幾兆赫茲，為了解決這些問題，使整個半導(dǎo)體激光的高頻調(diào)制系統(tǒng)有更好的性能，我們對此系統(tǒng)進行了深入研究。

1 理論分析

1.1 半導(dǎo)體激光器的理論介紹

半導(dǎo)體激光器是一種在電流注入下能發(fā)射出相干輻射光的光電子器件。運用調(diào)制電流控制半導(dǎo)體激光器輸出的激光光強。當LD的調(diào)制電流超過其閾值時，半導(dǎo)體激光器在線性范圍內(nèi)的輸出光功率呈線性增強。LD的P-I特性輸出曲線如圖1所示。

圖1 LD的P-I特性輸出曲線

半導(dǎo)體激光內(nèi)調(diào)制示意圖如圖2所示。

圖2 半導(dǎo)體激光內(nèi)調(diào)制示意圖

1.2 半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)原理

半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制系統(tǒng)的驅(qū)動源由信號放大、電流調(diào)制、過流保護、具有慢啟動功能的直流偏置電路幾個部分組成。具有慢啟動功能的直流偏置電路可以避免電源開啟瞬間產(chǎn)生的電流浪涌和電壓浪涌對LD的沖擊。限流保護電路能把輸入激光器的電流控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，使激光器安全穩(wěn)定的工作。半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)框圖

本方案中選用的LD驅(qū)動芯片是BURR-BROWN公司的高速大電流運算放大器OPA512，它能輸出最大15A的電流，其工作電壓范圍為±10V到±50V，擁有電壓、電流限制保護電路，為半導(dǎo)體激光器提供必要的保護。

1.3 半導(dǎo)體激光器的高頻調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)方案

本文設(shè)計了兩種半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制系統(tǒng)方案，方案一是由電流調(diào)制電路、過流保護電路、具有慢啟動功能的直流偏置電路組成，首先信號發(fā)生器輸出調(diào)制信號，調(diào)制信號與具有軟啟動功能的直流偏置電路輸出的直流信號通過大電流高速運算放大器OPA512的輸入端口輸入并由此放大器輸出調(diào)制電流，直流偏置的電流與調(diào)制電流疊加在一起從OPA512的輸出端口輸出，輸出的調(diào)制電流經(jīng)過限流保護電路最終輸入到LD中，實現(xiàn)半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制。方案二是為了增大此調(diào)制系統(tǒng)輸出的調(diào)制電流幅度，在上述方案的基礎(chǔ)上增加了信號放大電路，使得信號發(fā)生器輸出的調(diào)制信號經(jīng)過信號放大電路放大之后輸入到調(diào)制電路中，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制。方案一半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動仿真圖如圖4所示，方案二調(diào)制信號經(jīng)過放大的半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動仿真圖如圖5所示。

圖4 半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動仿真圖

圖5 調(diào)制信號經(jīng)過放大的半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動仿真圖

2 仿真實驗結(jié)果與分析

2.1 小信號半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動仿真

方案一的仿真原理圖如圖4所示，當調(diào)制信號的電壓的幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度均勻與非均勻時，半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動實現(xiàn)的仿真結(jié)果如下。

半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動的調(diào)制信號波形如圖6所示，（a）所示為電壓幅值為5V，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz的調(diào)制信號，（b）所示為電壓幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度不均勻的調(diào)制信號。

圖6 調(diào)制信號波形圖

半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動輸出的調(diào)制電流波形如圖7所示，（a）所示為電流幅值為3.9A，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz，直流偏置為0.8A，占空比為50%的調(diào)制電流，（b）所示為電流幅值為4.1A，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比為50%的調(diào)制電流。

圖7 不同直流偏置的調(diào)制電流波形圖

圖7仿真結(jié)果中，偏置電流的幅值分別為0.8A和1A，這樣可以說明此設(shè)計中半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動源的直流偏置電流幅值是可調(diào)的，而我們對下文中選擇直流偏置電流的幅度為1A。

當如圖6（b）所示的調(diào)制信號輸入到半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動中，驅(qū)動源輸出幅度為4.1A，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比逐漸變?yōu)?0%，脈沖寬度不均勻調(diào)制電流，調(diào)制電流波形如圖8所示。

圖8 幅度為4.1A，脈沖寬度均勻的調(diào)制電流波形

2.2 調(diào)制信號經(jīng)過放大的半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動仿真

當信號電壓為5V時，半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動輸出的電流幅度為4.1A，為提高輸出調(diào)制電流的幅度，我們先把調(diào)制信號進行放大，放大之后的調(diào)制信號輸入到調(diào)制電路中，實現(xiàn)大幅度調(diào)制電流的輸出，依據(jù)這個想法我們提出了方案二。

方案二仿真原理圖如圖5所示，當幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度均勻與不均勻的調(diào)制信號經(jīng)過信號放大后電壓幅值達到了17.5V，輸入到調(diào)制電路中，半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動實現(xiàn)的仿真結(jié)果如下。

半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制驅(qū)動的調(diào)制信號波形如圖9所示，（a）所示為電壓幅值為5V，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz的調(diào)制信號，（b）所示為幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度不均勻的調(diào)制信號。

調(diào)制信號放大波形如圖10所示，（a）所示為幅值為17.5V，頻率為100MHz，脈沖寬度均勻的調(diào)制信號放大波形，（b）所示為幅值為17.5V，頻率為100MHz，脈沖寬度不均勻的調(diào)制信號放大波形。

圖10 調(diào)制信號放大波形圖

半導(dǎo)體激光器的高頻調(diào)制驅(qū)動輸出的調(diào)制電流波形如圖11所示，（a）所示為幅度為9.1A，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比為50%，脈沖寬度均勻的調(diào)制電流波形，（b）所示為幅度為9.1A，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比達到了50%，脈沖寬度不均勻的調(diào)制電流波形。從圖11（a）中可以看出調(diào)制電流波形有失真，這是因為信號放大電路的頻率達到了最大值。

圖11 9.1A脈沖寬度均勻與不均勻調(diào)制電流波形

3 結(jié)論

本文中介紹了一種由信號放大電路、電流調(diào)制電路、過流保護電路、具有慢啟動功能的直流偏置電路高度集成的半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制系統(tǒng)，我們對半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制驅(qū)動進行了4組仿真實驗，從仿真結(jié)果中可以看出，當調(diào)制信號幅值為5V，頻率為100MHz時，輸出的調(diào)制電流的達到4.1A，頻率可以達到100MHz，直流偏置電流幅度在1A內(nèi)連續(xù)可調(diào)，占空比為50%，脈沖寬度可實現(xiàn)均勻與非均勻兩種情況；因為目前當信號發(fā)生器輸出的信號頻率比較大時信號電壓幅值在5V之內(nèi)的限制因素，為了獲得高峰值的調(diào)制電流，所以先把信號高頻率的調(diào)制信號進行放大，將放大之后的信號輸入到調(diào)制電路中，使得半導(dǎo)體激光高頻調(diào)制驅(qū)動輸出的直流偏置在1A內(nèi)連續(xù)可調(diào)，調(diào)制電流的峰值為9.1A，頻率達到了100MHz，占空比為50%，脈沖寬度可實現(xiàn)均勻與非均勻兩種情況。我們用信號發(fā)生器輸出的調(diào)制直接驅(qū)動調(diào)制電路時輸出的調(diào)制電流的頻率，比用放大之后的調(diào)制信號電壓驅(qū)動調(diào)制電路時輸出的調(diào)制電流的波形要好，這是因為信號放大電路的頻率已經(jīng)達到了最大值。為了獲得高質(zhì)量的高頻調(diào)制電流，本文中的高頻調(diào)制驅(qū)動應(yīng)該選擇頻率小于等于100MHz的信號以完成半導(dǎo)體激光器的高頻調(diào)制。

［1］ 羊華軍.激光雷達中的高頻大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

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High Frequency Modulation Technology of Quasi-continuous Semiconductor Laser

WANG Weipeng，XU Yingtian，ZOU Yonggang，XU Li，ZHANG He，LI Yang，ZHAO Xin，MA Xiaohui
（State Key Laboratory on High Power Semiconductor Lasers，Changchun University of Science and Technology，Changchun，Jilin 130022）

In this article，a high frequency modulation system of semiconductor laser is introduced，which is composed of a signal magnifying circuit，a current modulation circuit，an over current protection circuit and a DC bias circuit with slow start function.The high frequency modulation system of semiconductor laser uses a simple structure of the direct modulation，the modulation method is used to modulate laser intensity of semiconductor laser by using a modulated signal with adjustable frequency，we can achieve the high frequency modulation of semiconductor laser.Design of the simulation achive a result.The output current of semiconductor laser driver is 9.1A，the frequency of output current is 100MHz.The bias current can be continuously regulated within 1A.Two cases of uniform pulse width and non-uniform pulse width are realized.In uniform cases，the duty ratio of the pulse current is 50%.

semiconductor laser；pulse duration；high frequency modulation；bias of direct current

TN2

A

1672-9870（2016）05-001-04

2016-07-11

吉林省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目（20130303017GX）；吉林省重點科學(xué)技術(shù)研究項目（20140204028GX）

王衛(wèi)鵬（1991-），男，碩士研究生，E-mail:1621517472@qq.com

徐英添（1986-），男，博士，助理研究員，E-mail:xuyingtian-007@163.com