脉冲驱动激光二极管
脉冲驱动激光二极管
by Doug Hodgson, Kent Noonan, Bill Olsen, and Thad Orosz
介绍
相对较高的峰值功率和工作效率使得脉冲激光二极管成为固态激光器泵浦和范围测定这类应用的理想选择。脉冲激光二极管工作时通常占空比相对较低，因此平均功率较低，这样就可能达到更高的峰值功率。所以产生的热量并不很高。另一方面，连续波激光二极管要承受的热量比脉冲激光器高。这是由于在连续波工作期间，器件的热电阻使得结温度显著增加。所以连续波激光二极管一般需要很好的热沉封装和/或用热电致冷。
脉冲驱动激光二极管是测试其质量和热效率的一个强大的分析工具。本文描述了通过用电流脉冲驱动激光二极管来进行测试的方法，提出了脉冲驱动激光二极管的几点困难，并给出了克服或避免的方法。文中介绍了一个简单的实验，用ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流源来驱动一个典型的激光二极管。这里主要表现的是脉冲驱动二极管出现的问题。最后描述了LDP-3811的典型应用。
为什么要脉冲驱动一个连续波激光二极管？
在低占空比情况下脉冲驱动连续波激光二极管的能力在二极管评测中很有用。其应用可划分为两个广泛领域。第一个是封装前通过/失败测试；第二个是器件特性评价。这两种应用都利用了脉冲方式驱动激光二极管不会产生大量热量的优点。可在热效应最小的情况下完成测试和特性评价。
封装前测试
对于这种应用，低占空比的脉冲可用于半 导体制造工艺后的晶圆或条级测试。单点 光测量或L/I曲线(光输出vs.驱动电流)能用来“预筛选”工艺处理后的晶圆。它能将有缺陷的晶圆在花费不匪的切割和
封装操作之前就清除掉，建立制造工艺的成品率数目和性能。(注意对于这些测试相对测量比绝对精度更重要。)
特性测试
脉冲测试的第二个应用领域是对封装好的器件的特性测试。很多关于激光二极管特性的工业文档既推荐连续波测试也推荐脉冲波测试。(贝尔交流研究出版的题为“光电器件可靠性保证实践”的技术咨询文档TA-TSY-000983就是这样。)通过比较脉冲和连续波工作方式，可以评测像输出功率、波长和阈值电流这样一些与温度相关的参数。图1所示的是一个典型激光二极管的L/I曲线。
这些曲线既表示了低占空比脉冲模式，又表示了连续波工作模式。连续波曲线阈值电流的增加和斜率效率的略微减少(与脉冲曲线比较)主要是由器件热电阻引起的结温度上升造成。(脉冲L/I曲线所用的脉宽一般为100至500ns，占空比小于百分之一，因此热效应不明显。)
脉冲与连续波L/I曲线的比较也可用来检图1 典型激光二极管的脉冲及连续波L/I曲线
验芯片/封装界面的热传输质量。通过计算连续波工作模式下的等效结温上升可确定温度系数。这种测试方法比温度周期变化要快得多。还有连续波和脉冲L/I曲线间的差别异常大时可能说明芯片连接不好或是有结渗漏，这通常意味着激光器质量不佳。
绝对精度对于这些测试应用很重要。由于需要对连续波性能进行修正，脉冲驱动幅度必须很精确。对任何测试应用而言，可重复性也是很重要的。
脉冲驱动激光二极管的问题
为得到精确和可重复的结果，脉冲测试需要格外细致。随着速度增加，出现了连续波测试装置中不会出现的附加噪声(与时间相关)。下面的篇幅列出了所关心的方面，也提供了一些对安全成功地完成激光二极管测试有用的建议。
阻抗匹配
高速脉冲驱动激光二极管时，要考虑到正常的传输线路影响。为达到例如10ns这样的上升时间，缆线带宽必须在100MHZ 以上。在这些频率下，用传输线路理论来确定系统性能。(关于传输线路理论的书很多，参考文献1列出了一本。)为正确传输高速脉冲，保持系统的受控阻抗是一个基本考虑。为保持激光二极管或负载有干净的脉冲波形，到二极管的缆线必须适当端接。如果系统有部分阻抗不同，由于结上信号的反射会造成输出功率的损失。这些反射会在传输线路上产生固定波图案，表现为脉冲上的瞬时扰动。这种情况下会使激光器畸变甚至损坏。
ILX Lightwave LDP-3811电流源的输出级设计成用来驱动标准的50Ω传输线路。由于LDP-3811是电流源，由负载失配引起的反射不会被源阻抗吸收，但会被再次反射。如上所述这会造成传输线路上的固定波图案，引发脉冲瞬时扰动。由于激光二极管的动态阻抗通常比50Ω要小得多，必须使用一个匹配网络。最简单的可以用一个阻值等于50Ω与二极管动态阻抗之差的电阻(与二极管串联)。凭经验来言,47Ω的电阻是一个好的起始值。(见后面的“动态阻抗”部分。)若二极管有很大的电抗分量或有杂散电抗因素，则可能需要额外的匹配。为使匹配更佳，最好使用微波Smithchart技术。参考文献1、2都很好地讨论了这个问题。
动态阻抗
激光二极管的阻抗很复杂，可以作一些假设来简化。它本质上是非线性的。任何匹配都要应用于特定场合。激光二极管接通时会呈现高阻抗，然后突然变成低阻抗。这种现象易引起脉冲上升期间的误差。必须与传输线路匹配的是低阻抗部分。“开”电阻(R
on
)的典型值范围是从1/2Ω到20Ω。总的负载匹配阻抗应为50Ω，因此如上所述需与阴极(同轴电缆中心导线)串
接一个值为(50- R
on
)欧姆的端接电阻。用曲线记录装置或测试系统得到的I/V曲线
很容易确定R
on
的值。或者，手动测量电压
拐点上的两个点也可确定:R
on
＝(V1-V2)/(I1-I2).当然对于阻值随电压、频率或温度显著变化的激光器，会存在某种程度的很难消除的失配或误差。
端接电阻的额定功率也应提出。在全部输出的情况下，LDP-3822脉冲电流源能输出12.5W，其中大部分功率给了负载匹配电阻。这个电阻必须有足够大的额定功率来承受希望被系统传递的负载周期的最大电流。这个电阻的电感也必须很低，因此不能用绕线电阻器。对于很多低阈值激光器的应用场合，用小的片型电阻器(表面封装型)或金属薄膜会有很好的效果。
安装/固定
考虑到要被脉冲驱动的激光二级管的安装，两个问题很重要。第一，到二极管的阻抗必须是可控的。这通常用有着相对短的引线的50Ω传输缆线来实现。第二，加
在二极管上的电容必须最小。考虑到封装电容时这尤其重要，因为二极管的阳极或阴极通常连接到表壳。LDP-3811电流源输出使阳极电压保持在一个恒定值。因此，电流被脉冲驱动时，阴极上的电压波形是方波。若阴极连到表壳，(或更糟，连到表壳、安装架、光学平台和地)，这些结构间的寄生电容会使上升时间缓慢，或产生杂散信号干扰，使得结果的可重复性变差。
为减小这种电容效应，希望电气连接到激光器的导电表面非常小，固定装置中金属一般在几个平方英寸的数量级。当然，比起其它因素，激光器连接的配置更易受这一点影响。
通常希望安装提供：
1. 与系统其它部分电隔离
2. 仔细的传输线路端接，使电感最小(即
用非常短的引线)
3. 良好的热耦合和/或控制
4. 良好的定位可重复性
5. 容易使用待测试的器件
通常用塑料螺钉(或有塑料垫圈的金属螺钉)使装配保持到一起，来一起实现电和热隔离(在热电控制安装的情况下)。在花费合理的情况下，用氧化铍制成的衬底能用一种材料同时提供绝缘和热耦合。
电源地电容
好的电源有一个浮地输出端。这意味着电源可以连接到一个电势与地不同的负载上。对于直流电压和电流源，可通过隔离内部电路地和实际地来实现。在脉冲电源情况下，从电路地到实际地的容性耦合(通常通过变压器绕组)会引起脉冲输出减少。当电路地必须随着实际地以与脉冲上升时间相同的速度变化时会这样。变压器和机壳的杂散电容会降低脉冲响应。大多数情况下可修改测试装置的配置来弥补。(电源线路连接上的隔离变压器通常
会减小这些效应。)
电压脉冲的缺点
在激光二极管测试情况下，相对普遍的是采用电压源来脉冲驱动二极管，通常这样做仅仅是为了方便。然而，激光二极管本来就是电流相关器件，应该用电流源来驱动。图2描绘的是一典型的激光器V/I 曲线。可以看出如果器件温度(及它的V/I 特性)变化，即使在电压保持恒定的情况下也会造成大的电流波动(因而引起光输出的大的变化)。类似地，驱动电压的微小波动也会相应引起电流和输出功率的巨大变化。这样，用电压源得到精确的脉冲更困难。
若用电压源来脉冲驱动二极管，需要用测量经验值来确定二极管电流。在有几种不同类型的二极管或是希望动态阻抗变化很大的情况下，这些测量值需要是可重复的。电压脉冲还有着低阻抗源的缺点。大多数电压源比电流源瞬时电流能力要大。这种能力在脉冲驱动时给负载提供了更多瞬时电流。如果输出打开时断开电路，再连上，电流瞬变值会特别大。
用ILX Lightwave LDP-3811电流源来驱动激光二极管的优点包括可独立控制负载，直接测量电流，瞬态保护，还有可能造成器件损坏的过冲和尖峰更低。
同步数据采集
一个或更多参数变化时，对期望事件的重复测量是很枯燥和耗时的，尤其在需要大量同步数据时。对源和测量仪器的远程控
图2 典型激光器电压V/I 曲线
制对自动数据采集很有帮助。ILX Lightwave LDP-3811独特之处在于提供了GPIB控制及触发入/出功能。主机可以通过GPIB接口给仪器发命令 (传送一个测试信号)，然后从另一远程器件读源仪器触发事件(测量)。例如一个产生脉冲和连续波L/I曲线的简单系统可能包括带有GPIB接口卡的IBM或兼容PC，带GPIB的LDP－3811脉冲电源，ILX LDM-4407二极管安装装置，准直探测器和相关信号处理电子设备，HP 3457A万用表。
GPIB接口允许从远至20m外的主机远程控制脉冲源和其它GPIB可寻址仪器。在同一GPIB接口总线上可连接共15台仪器。LDP-3811所有的前面板控制都可通过接口寻址，允许快速、简便、灵活的测试装置建立和控制。
触发入/出功能允许源信号和测量信号的同步。为此提供了触发输入和输出连接。两种触发信号都是兼容TTL电平的。在“外部触发”模式，二极管脉冲由“触发输入”端口引入的外部控制触发。这个端口是用外部事件来使脉冲与二极管同步。由3811可设置脉宽。“触发输出”端口由电流源脉冲触发，用来使外部事件和激光器驱动脉冲同步。这在box-car积分和采样-保持采集这样的高速光脉冲测量中很有用。触发入/出延时和抖动根据电流输出脉冲确定。这在建立和校准测试系统时很重要；这些延迟及源脉冲和最终光脉冲间的延时都要说明。
实验 下列实验的目的是为了表明驱动激光二
极管时失配和杂散电抗对脉冲波形的影
响。对于每种测试配置，记录下二极管脉
冲和相应光输出，表示出测试装置改动造 成的脉冲波形的变化。光脉冲响应会通过
L/I曲线的斜率放大驱动电流的变化。图
3所示的是实验中所用的基本测试装置。
包括ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流
源，一根50Ω的传输缆线，一个Mitsubishi4405激光二极管，一个ILX LDM-4412温控激光二极管安装装置和一
个Newport875高速PIN光电探测器。为
描述前面列出的潜在问题，对从LDP-3811
到激光器的接口作了些修改，并列出了其
影响。
注意下面所有示波器波形上面的是通道1，通道
2是光脉冲。
图3 实验测试装置。此测试装置用到的仪器
有：ILX LDP-3811脉冲电流源，Tektronix
数字示波器，Newport高速探测器，ILX 常
规TO5二极管安装装置。
图1A:与激光二极管串联45欧姆的负载 图1B:与激光二极管串联25欧姆的负载 (负载匹配良好) (负载失配)
实验1：第一个实验表明负载失配对于脉冲波形的影响。图1A表示的是串联45Ω电阻时的脉冲响应。这个负载提供了很好的阻抗匹配。图1B表示的是45Ω电阻变为25Ω时的响应。它表现的是一个二对一的失配。失配造成了脉冲建立前输入瞬态值和附加瞬时扰动的显著增加。
图2A:阴极连接到安装装置 图2B:4″线加到“好”缆线上 (增加电容) (增加电感)
实验2：第二个改动是增加杂散电抗性阻抗到负载。回头参考图1A，表示的是良好负载匹配(45Ω电阻)情况下的标准响应。图2A表示的是增加附加电容电抗的影响。图中驱动电缆的阴极电气连接到光学平台上。图2B表示的是增加电感电抗的影响。图中一根4英寸长的28AWG线加在二极管安装装置的50Ω缆线的阳极和阴极端。增加的电感电抗引起电流峰值增加。失配也引入了很大的瞬时扰动。
图3A:50欧姆负载 图3B:仅50欧姆电阻负载
(45欧姆负载与激光二极管串联)
实验3：为表现纯粹的电阻性负载与非线性阻抗的二极管间的差异，记录了两种情况。图3A中用二极管和45Ω的电阻作负载。图3B中用50Ω碳电阻作负载。波形略有差异，尤其在接通时，是二极管阻抗变化最大的时候。由于二极管与二极管间的接通阻抗和动态阻抗不同，驱动波形比50Ω电阻负载差异更大的二极管会需要额外的负载匹配元件。
图4A:阳极接地 图4B:阴极接地
实验4：本实验记录了阴极接地的影响。图4A是标准配置(二极管阳极接地)的响应。图4B是二极管阴极接地的响应。LDP-3811输出级可见的附加容性电抗引起瞬时扰动。由于附加的容性电抗，上升时间也大大减慢了。
实验5：第五个实验涉及的是比较用来驱动激光器的LDP-3811电流源和标准电压源脉冲产生器之间的差别。两个图用的都是用45Ω电阻作负载。图5A表示了用LDP-3811电流源的响应。为用电压源驱动二极管到同样的电流值，计算出所需的电压幅值。图5B是电压脉冲的响应。接通瞬态值的增加虽然在驱动波形中不明显，在光输出波形中却表现得很清楚。这是由于电压源浪涌电流容量的增加引起。
结论
设计上述实验是为了表明文章开头讨论的问题的影响。可用来指导如何避免这些常见的缺陷来产生干净的波形。测试配置中出现不规则和失真波形时，本文可作为定义问题的参考。
当要求上升时间很快时，器件特性和封装杂散电抗大范围的变化需要注意细节。然而若小心地减少杂散电容，正确地匹配负载阻抗，ILX Lightwave LDP-3811能简化脉冲测量，很容易在大量应用中得到一致和可重复的数据。
使用LDP-3811电流源
ILX Lightwave LDP-3811是一个基于微处理器的电流源，能够在精确的脉冲模式和稳定的连续波模式下工作。另外，3811独特之处在于它提供了GPIB控制和触发入/出功能。因此LDP-3811是产生上述连续波vs.脉冲L/I曲线的理想选择，尤其当由于没有必要在测试间转换电流源，对激 光二极管有损害的操作(如果不小心)会导致不实的结果时。
为获取脉冲vs.连续波L/I数据，可用主机发命令给LDP-3811工作在脉冲和连续波模式下(不超过500mA的任意幅值，在某些程序步)。脉冲模式下，频率和脉宽也是可编程实现的。也能给主机编程在万用表或数字示波器上读取3811触发的二极管功率测量值(在每个程序电流步)。探测器校正表可以存在一个文件中，当把探测器电压转换为光功率时可使用。通过一些附加程序，可以产生连续波和脉冲电流L/I曲线，在屏幕上显示或是用外围绘图仪器绘制出来。
如上所述，ILX Lightwave LDP-3811让用户很容易调整脉冲幅度、脉宽(从100ns 到1ms)，脉冲重复周期从1us到大于1ms。这样的灵活性使得在工程师想为用激光二极管的产品定义精确的驱动性能规格时，LDP-3811成为了一个特别有用的设计工具。
图5A:LDP-3811脉冲电流源驱动的激光二极管 图5B:电压源驱动的激光二极管
参考文献 1. Rizzi, Peter A. Microwave Engineering. Prentice-Hall, Inc., 1988.
2. Vendelin, George D. Design of Amplifiers and Oscillators by the S-parameter Method. John Wiley & Sons, Inc., 1982.
如需更多关于技术支持和产品的信息, 请与我们联系 ILX Lightwave Corporation PO Box 6310, Bozeman, MT 59771-6310
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Rev 3/13/06
脉冲驱动激光二极管
脉冲驱动激光二极管 by Doug Hodgson, Kent Noonan, Bill Olsen, and Thad Orosz 介绍 相对较高的峰值功率和工作效率使得脉冲激光二极管成为固态激光器泵浦和范围测定这类应用的理想选择。脉冲激光二极管工作时通常占空比相对较低，因此平均功率较低，这样就可能达到更高的峰值功率。所以产生的热量并不很高。另一方面，连续波激光二极管要承受的热量比脉冲激光器高。这是由于在连续波工作期间，器件的热电阻使得结温度显著增加。所以连续波激光二极管一般需要很好的热沉封装和/或用热电致冷。 脉冲驱动激光二极管是测试其质量和热效率的一个强大的分析工具。本文描述了通过用电流脉冲驱动激光二极管来进行测试的方法，提出了脉冲驱动激光二极管的几点困难，并给出了克服或避免的方法。文中介绍了一个简单的实验，用ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流源来驱动一个典型的激光二极管。这里主要表现的是脉冲驱动二极管出现的问题。最后描述了LDP-3811的典型应用。 为什么要脉冲驱动一个连续波激光二极管？ 在低占空比情况下脉冲驱动连续波激光二极管的能力在二极管评测中很有用。其应用可划分为两个广泛领域。第一个是封装前通过/失败测试；第二个是器件特性评价。这两种应用都利用了脉冲方式驱动激光二极管不会产生大量热量的优点。可在热效应最小的情况下完成测试和特性评价。 封装前测试 对于这种应用，低占空比的脉冲可用于半 导体制造工艺后的晶圆或条级测试。单点 光测量或L/I曲线(光输出vs.驱动电流)能用来“预筛选”工艺处理后的晶圆。它能将有缺陷的晶圆在花费不匪的切割和 封装操作之前就清除掉，建立制造工艺的成品率数目和性能。(注意对于这些测试相对测量比绝对精度更重要。) 特性测试 脉冲测试的第二个应用领域是对封装好的器件的特性测试。很多关于激光二极管特性的工业文档既推荐连续波测试也推荐脉冲波测试。(贝尔交流研究出版的题为“光电器件可靠性保证实践”的技术咨询文档TA-TSY-000983就是这样。)通过比较脉冲和连续波工作方式，可以评测像输出功率、波长和阈值电流这样一些与温度相关的参数。图1所示的是一个典型激光二极管的L/I曲线。 这些曲线既表示了低占空比脉冲模式，又表示了连续波工作模式。连续波曲线阈值电流的增加和斜率效率的略微减少(与脉冲曲线比较)主要是由器件热电阻引起的结温度上升造成。(脉冲L/I曲线所用的脉宽一般为100至500ns，占空比小于百分之一，因此热效应不明显。) 脉冲与连续波L/I曲线的比较也可用来检图1 典型激光二极管的脉冲及连续波L/I曲线
Maxim 激光驱动器和激光二极管的接口 Maxim 高频/光纤通信部 一概述 用激光驱动器驱动高速商用激光二极管是设计人员所面临的一项挑战本文旨在就这一主题为光学系统设计者提供参考以尽可能地简化设计过程激光管接口电路的设计难点在于 激光驱动器的输出电 路 激光二极管的电气特性和 二者之间的接口 (通常采用印刷电路板实现 ) 以下首先讨论激光二极管和激光驱动器的电气特性然后再结合二者讨论印刷电路板的接口以Maxim 的 2.5 Gbps 通信激光驱动器 MAX3867 和 MAX3869 为例来说明典型的应用 二激光二极管特性 流过激光管的电流超过它的门限值时半导体激光二极管产生并保持连续的光输出对于快速开关操作激光二极管的偏置需略高于门限以避免开关延迟激光输出的强弱取决于驱动电流的幅度电流-光转换效率或激光二极管的斜率效率门限电流和斜率效率取决于激光器结构制造工艺材料和工作温 度 图1给出了典型激光二极管的电压-电流特性和光输出与驱动电流的关系当温度升高时门限电流将以指数方式增加可近似用下式表示 I T T I th e K I T I ?+=0)( (1) 式中 I 0, K I 和 T I 是激光器常数例如对DBF 激光器 I 0 = 1.8mA, K I = 3.85mA, T I = 40°C 激光器的斜率效率(S) 是输出光功率 (mW) 与输入电流mA)的比值温度升高将导致斜率效率降低下式较好地表示了斜率效率与温度的函数关系 S T T S e K S T S ??=0)( (2) 对上述同样的DFB 激光器特征温度T S 近似等于40°C 其它两个参数 S 0 = 0.485mW/mA K S = 0.033mW/mA 激光管工作电压正向电压V 和电流I 的关系可由二极管的电压和电流特性模型来表示 T V V S e I I ??≈η, (3) 其中 I S 是二极管饱和电流 V T 是热电压η是结构常数当激光二极管被驱动至门限上下时电压和电流的关系近似为线性如图1所示 图2是激光二极管的简化模型图中直流偏置电压V BG 是激光二极管的带隙电压 R L 是二极管的动态电阻当驱动激光管至门限以上时激光管的输出光功率P 0 (图2)可由下式来表示 )(0th I I S P ??= (4) 图2. 简化的激光二极管等效电路 激光管电流
脉冲式激光驱动电源的研究与设计 1.1 引言 二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段，使科研上升到一个新的层次。一些国家和部门重点实验室的科研项目，有很大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。由于半导体激光器的增益带宽很宽适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用[62]。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用。大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。它将作为火花启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。目前，美、德、日等国在脉冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道[62,63]，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。一些半导体器件公司研制的LD驱动电源指标也已经很高，并且商品化。如专门生产小型化高速脉冲源著称的A VTECH 公司生产的型号为A VOZ-A1A-B、A V-1011-BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达2A，脉宽为100nS脉冲上升时间仅为10nS，重复频率可达1MHz。并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类型的半导体激光器。DEI公司的PCO-7210驱动电源脉宽小于50nS，重复频率也达到1MHz，峰值电流为十几安培，但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。在国内，对于脉冲式驱动电源的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用[64,65]。本章通过分析比对，选取快速开关器件VMOSFET作为半导体激光器脉冲驱动电路的核心元件，得到了大电流、窄脉冲输出。本设计具有结构简单、小型化、低电压供电、脉冲指标易于调整等优点。其主要设计指标如下： 1.脉冲宽度最小为30nS且连续可调； 2.脉冲频率在500Hz~50KHz连续可调； 3.最大输出电流峰值为5A。 1.2 超短脉冲驱动电源的设计 1.2.1超短脉冲驱动电源的整体设计 一、脉冲驱动电源的主要技术指标 从半导体激光器脉冲驱动电源的发展趋势来看，驱动技术是向着重复频率变高、功率输出增大、响应时间缩短，脉宽越来越窄的方向发展[66]。 （1）重复频率。重复频率是指电源向负载每秒中放电的次数，它是脉冲电源的一项重要指标。一般情况下，把每秒低于一次的电源叫低重复频率电源；而把
激光二极管参数与原理及应用 2011-06-19 17:10:29 来源:互联网 一、激光的产生机理 在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程， 一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射； 二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射； 三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。 自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。 产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件: P1P2exp(2G - 2A) ≥1 （P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp 为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则 Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ， 上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。 二、激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。 半导体激光二极管的基本结构如图所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里—
第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通,
激光驱动器与激光二极管接口优化调试 Maxim高频/光纤通信部 一、概述: 在激光驱动器与激光二极管的接口电路设计中,即使是对电路做了仔细、周密的考虑,也很难达到最优状态,系统调试过程中仍需对各部分电路加以调整、优化,图1是采用Maxim的2.5Gbps激光驱动器MAX3869构成的激光驱动器典型连接电路。本文以该电路为例,以激光二极管的输出通过光电(O/E)转换后显示在示波器上的波形为基础,列举了一些通用接口问题和可能的解决办法。 二、优化设计 以下列举了八个常见激光管接口问题,激光管的输入是伪随机比特流(PRBS)。 A. 眼图不清晰(图2): 图2中,在显示的眼图最下面有黑色水平线。当减少偏置电流时,波形会被压缩,波形上端下移,底端固定不变。导致这一问题的原因可能是偏置电流设置得太低,数字零电平低于激光管的门限。可以提高激光管的偏置电流,直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电平已高于激光管门限),当偏置电流增加时,眼图会变得清晰可辨。 B. 欠阻尼振荡(图3): 在波形图上有较大的过冲,示波器显示的眼图最下方有黑色水平线。减小偏置电流使数字1电平下移,但过冲幅度保持不变,甚至增大。偏置电流减小时波形底端(数字0电平)保持不变。 造成这一现象的可能原因是偏置电流设得太低。数字0电平低于激光管的门限。当激光管从低于门限电平向高电平切换时需要额外的时间,从而导致了上升边沿的延迟。开关延迟使电势积累增加,一旦克服了门限就冲过数字1电平(被称作欠阻尼振荡)。可通过提高激光管的偏置电流解决,提高激光管的偏置电流直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电流已高于激光管门限)。当数字0电平高于门限值后,过冲将显著减少。 C. 过冲(图4)： 图4所示,波形的上升沿冲过了数字1电平。当偏置电流和调制电流变化时过冲的相对幅度没有变化。没有明显的振铃。可能原因有两个:(a)上升太快,(b)用于上拉的铁氧体磁珠Q 值太高。解决的方法是:(a)插入截止频率为75%数据率的低通滤波器,减慢上升和下降沿,减小过冲。(b)降低与铁氧体磁珠并联的电阻(图1中的RP)阻值,使Q值降低。(c)调整串联阻尼电阻(图1中的RD)。 D. 欠冲(图5): 当输出电路过阻尼会造成欠冲现象,示波器显示波形的上升或下降沿在单个间隔的前半部分不能到达高或低电平。这是由置于OUT+ 和OUT-间的0.5pF 电容(用来阻尼某些振铃)引起的。 解决途径有:(a)如果可能,减小OUT+和OUT-间的电容。(b) 减小OUT+的负载电容。(c)减小串联阻尼电阻(图1中的RD)的值。 E. 振铃(图6): 振铃指的是眼图的上升或下降沿相对于正确电平出现振荡、振幅逐渐衰减的现象。可能原因是: 阻抗不匹配,电路中电感过大,电路元件产生谐振。在图6显示的图像中,振铃是由拿
脉冲激光电源电路原理图 脉冲激光电源的原理方框图如图1所示。它由触发电路、主变换器电路和高压充放电电路等三大部分组成。其电路原理图如图2所示。 图1 脉冲激光电源的原理方框图 图2 脉冲激光电源电路原理图 3 电路的工作原理 3.1 触发电路的工作原理 从图2可以看出，触发电路部分主要是由触发指示电路和触发电路组成，具体由IC1的LBI和LBO端，V1、LED、VD1以及K1和K2来完成，当变换器通过变压器T1、二极管VD2和VD3向电容器充电时，取样电路（由R10、R9、W1、W2、W3、R1组成）将其充电电压值反馈给IC1的LBI与VFB端，一旦电压充到所需的电压值时（大约为1kV左右），这时LBI 端的电压值将大于1.3V，LBO端就会变为高电平，V1导通，LED变亮，指示出电压已充到可以触发的状态。另外取样电路将反馈信号还送入IC1的VFB端，若反馈信号的电压值≥1.3V
时，即刻关断变换器，使高压维持到所需的值上，触发器件由高耐压、大电流的汽车级的晶闸管BT151/800R来担任。 3.2 主变换器的工作原理 主变换器电路主要是由IC1（MAX641/642/643）、变压器T1以及V2等元器件组成的单端反激式升压电路。其电路的核心部分为MAX641/642/643，所以这部分电路的工作原理分析以及MAX641/642/643的技术参数及其应用请查阅文献[1]。这里只给出高频自耦升压变压器的技术资料，以供同行们在制作时参考。铁芯选用4kBEE型铁氧体，骨架选用与铁芯对应配套的EE19型立式骨架，其技术参数如图3所示。 图3 T1变压器的技术参数 3.3 充放电电路的工作原理 充放电电路主要是由电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12、C13、R14、升压变压器T2等组成。当电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12被充到所设定的高压值时，电容C13中的电压也同时被充到所要求的电压值（300V左右），这时闭合K1或K2，晶闸管V3被触发导通，电容C13中所储存的能量通过变压器T2的初级绕组放电，使次级绕组感应出约10kV左右的高压，将激光器中的气体电离。在电离的同时，电容器C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中所储存的能量将这个电离的过程维持到一定的时间，从而就得了所需的激光脉冲。 4 重要元器件的选择及技术要求 1）储能电容由于储能电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12要在很短的时间内为激光器提供足够大的能量，所以在选择该电容时，除了要求其具有足够高的耐压值（≥350V）以外，还必须要求其具有快速充电和放电的特性，即应选择印有“PHOTOFLASH”的光闪电容。 2）升压变压器升压变压器除了其初级绕组供电容C13放电，以使次级电压升高到10kV 以上外，还要满足当气体被电离以后，通过次级绕组将电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12 中的能量全部释放给激光器，以便能够激发出很强的激光束来。所以次级绕组既要匝数多，又要电阻很小，同时还要满足耐高压的要求。变压器磁芯选择环形3kB的铁氧体材料，初级绕组选用?1.0的聚四氟乙烯镀银高压线绕制，次级绕组选用?0.32的聚四氟乙烯镀银高压线绕制，铁芯磁环选用外径35，内径12，厚度10的软磁铁氧体。其技术参数如图4所示。
查阅相关文献资料，设计半导体激光器驱动电路，说明设计思路和电路模块的功能 图1 在半导体激光器的设计中，为了便于对光功率进行自动控制，通常激光器内部是将LD 和背向光检测器PD集成在一起的，见图1。其中LD有两个输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光被光电二极管PD接收，所产生的电流用于监控LD的工作状态。背光检测器对LD的功率具有可探测性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。激光器电路的设计框图如图所示，将电源加在一个恒压电路上，得到恒定的电压，再通过一个恒流电路得到恒定的电流以驱动LD工作. 其中恒压电路如图2，由器件XC9226以及一个电感和两个电容组成。XC9226是同步整流型降压DC/DC转换器，工作时的消耗电流为15mA，典型工作效率高达92%，只需单个线圈和两个外部连接电容即可实现稳定的电源和高达500IllA的输出电流。其输出纹波为10mV，固定输出电压在0.9v到4.0V范围内，以loomv的步阶内部编程设定。该电路中，输出的恒定电压设定为2.6v。 图2 恒流电路如图3，主要由LMV358、三极管以及一些电阻和电容共同组成.LMv358是一个低电压低功耗满幅度输出的低电压运放，工作电压在2.7v到5.5v之间。从恒压电路输出的2.6V电压经过Rl、RZ分压后，在LMv35s的同相输入端得到恒定电压Up，Up加在一个电压串联负反馈电路上，得到一个输出电压Uo。Uo再通过一个电阻和电容组成的LR滤波
电路上，得到恒定的直流电压uol，将uol作用在由三极管8050组成的共射级放大电路上，得到恒定的集电极电流Ic，k又通过一个滤波电容得到恒定的直流工作电压。 图3
第26卷 第12期2005年12月 半 导 体 学 报 CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS Vol.26 No.12 Dec.,2005 3国家高技术研究发展计划资助项目(批准号:2001AA312020) 李文渊 男,1964年出生,副教授,博士研究生,主要研究方向为模拟、光电和射频集成电路设计. 王志功 男,1954年出生,教授,博士生导师,主要研究领域是光电、射频、微波集成电路研究. 2005204228收到,2005209213定稿 Ζ2005中国电子学会 24G b/s G aAs PHEMT 激光二极管/调制器驱动器 3 李文渊 王志功 (东南大学射频与光电集成电路研究所,南京 210096) 摘要:采用012 μm G aAs P H EM T 工艺设计并实现了超高速光纤通信系统用激光二极管/调制器集成驱动器电路.整个电路由带源极跟随器的两级差分放大电路、电容耦合电流放大器和输出电路组成.电路芯片面积为110mm ×019mm.测试结果表明,采用单一+5V 电源供电时直流功耗为115W ,输出最高电压幅度为214V ,电路最高工作速率高于24Gb/s ,可以应用于光纤通信SD H (synchronous digital hierarchy )传输系统.关键词:P H EM T ;激光驱动器;放大器;光纤通信 EEACC :1220 中图分类号:TN722 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)1222455205 1 引言 近年来,我国电信事业飞速发展,通信业务量成倍增长,数据传输的速率也越来越高.光纤通信是一种以光波为载体,以光导纤维为传输介质的先进通信手段,已经被用于越来越高速的传输系统中.目前我国同步数字序列(SD H )光纤网不断发展,215Gb/s 速率的高速干线网络系统已经广泛应用,10Gb/s 速率的干线系统也将得到推广应用.因此,对于我国的信息高速公路建设而言,设计具有自主知识产权的光纤通信用高速集成电路芯片[1]具有重大意义. 激光驱动器是光发射机的关键部件,对其大功率和高速率的要求导致其设计难度大.由于国外微电子制造工艺先进,而且容易获得,在上世纪90年代已经研制出20Gb/s 的激光驱动器芯片[2,3].但是,其输出电压幅度较低,大约为1V.我国已经设计出10Gb/s 以上速率的激光驱动器芯片[4],但是采用的是单一负电源供电.为了在系统应用中与复接器等单一正电源供电的芯片电源相一致,因此有必要设计单一正电源供电的激光驱动器. 光纤通信系统中的关键部件是光发射机和接收机.在发射机中,由多路复接器(MU X )把几路并行 的低速数字信号复接为一路高比特率的数据流.高速数据流通过激光二极管/调制器驱动器产生调制电压,调制激光器产生光信号[1,5]. 本文首先简单介绍光纤通信系统,然后介绍24Gb/s 的激光二极管/电吸收调制器的驱动器电路的设计、工艺实现和测试结果. 2 光纤通信系统简介 一个光纤通信系统主要由发射机、光纤、接收机三部分组成,如图1所示. 在发射端,由多路复接器MU X 把多路并行的低速数字信号复接成一路高速(如10Gb/s )的数据流.高速数据流通过激光二极管/调制器的驱动器,驱动激光器产生不同强度的光信号,使信号通过光纤传输到达接收端. 在接收端,由光电二极管接收通过光纤传送来的光信号,并转换成电流脉冲,经过低噪声前置放大器和随后的主放大器放大,送到时钟恢复和数据判决电路.时钟恢复电路从数据信号中提取时钟,用来对数据进行判决和同步,恢复出高速的数据流.然后,高速的数据流再经过分接器,恢复为原来的多路并行低速信号[6].
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验 进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。 1 脉冲电源的仿真 在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。 脉冲电源仿真 在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出
电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。 根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。 在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。 以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GS V的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。 2 脉冲电源的设计 从上面的电路仿真可以看出，脉冲电源的设计主要是脉冲信号源的设计、电路的主体部分还是用IRF530来实现的，通过控制信号源的加载在GS V的电压来控制流通IRF530的电流。要调整输出电流信号的频率得通过信号源进行控制。 图 3-25 基于单片机脉冲电源
Application Note AN-LD13 Rev. A Laser Diode Driver Basics April, 2013 Page 1 In the most ideal form, it is a constant current source — linear, noiseless, and accurate — that delivers exactly the current to the laser diode that it needs to operate for a particular application. The user chooses whether to keep laser diode or photodiode current constant and at what level. Then the control system drives current to the laser diode safely and at the appropriate level. The block diagram in Figure 1 shows a very basic laser diode driver (or sometimes known as a laser diode power supply). Each symbol is de? ned in Table 1. Laser diode drivers vary widely in feature set and performance. This block diagram is a representative sample, meant to familiarize the users with terminology and basic elements, not an exhaustive evaluation of what is available on the market. GND Figure 1. Block Diagram, Laser Diode Driver in Dashed Box
摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。 关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统 1. 引言 随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD正在不断的发展，光接点离我们越来越近。在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。LED和LD的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL三种。WTD光模块通常所用发射光器件为FP和DFB激光器。
2. 半导体激光器 半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。FP 激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP 激光器多用于短距离光纤通信。而DFB 激光器则具有较好的信噪比，更窄的光谱线宽，更高的工作速率，出光功率大，因此DFB 激光器多用在长距离、高速率光传输网络中。（2）垂直腔面发射激光器（VCSEL），是近几年才成熟起来的新型商用激光器，有很高的调制效率和很低的制造成本，特别是短波长850nm 的VCSEL，在短距离多模光纤传输系统中现在已经得到非常广泛的应用。 2.1 光电特性 半导体激光器是电流驱动发光器件，只有当激光器驱动电流在门限（阈值）电流以上时，半导体激光器二极管才能产生并持续保持连续的光功率输出，对于高速电流信号的切换操作，一般是将激光器二极管稍微偏置在门限（阈值）电流以上，以避免激光器二极管因开启和关闭所造成的响应时间延迟，从而影响激光器光输出特性。激光器光功率输出依赖于其驱动电流的幅度和将电流信号转换为光信号的效率（激光器斜效率）。激光器是一个温度敏感器件，其阈值电流th I 随温度的升高而增大，激光器的调制效率（单位调制电流下激光器的出光功率，量纲为mW/mA）随温度的升高而减小。同时激光器的阈值电流th I 还随器件的老化时间而变大，随器件的使用时间而变大。 激光器二极管的阈值电流和斜效率与激光器的结构，制作工艺，制造材料以及工作温度密切相关，随着温度的增加。 激光器二极管的阈值电流th I 定义为激光器发射激光的最小电流，th I 随着温度的升高呈现指数形式增大，下面的等式是th I 关于温度的函数，通过此等式可对激光器阈值电流进行估算： 1 01()*t t th I t I K e =+ （2.1.1） 其中，0I 、1K 和1t 是激光器特定常数，例如，DFB 激光器0I =1.8mA, 1K =3.85mA, 1t =40℃。 激光器斜效率Se （Slope efficiency）定义为激光器输出光功率与输入电流的比值， Se 随着温度的升高呈现指数形式减小，下面的等式是Se 关于温度的函数，通过此等式可对激光器斜效率进行估算： 0()*s t t Se t Se Ks e =? （2.1.2） 同样，以DFB 激光器为例，其典型温度s t ≈40℃，其它两个激光器常数为0Se =0.485mW/mA, Ks =0.033mW/mA。
慢启动半导体激光器驱动电源的设计 毛海涛,林咏海,张锦龙,冯 伟,柴秀丽,牛金星,李方正 (河南大学物理与信息光电子学院,河南,开封,475001) 摘 要:根据半导体激光器的光功率与电流的关系,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题。设计的电路稳定度达到4 10-4。关键词:半导体激光器;功率增益自动控制电路;驱动电源 中图分类号:T N248 44 文献标识码:A 文章编号:1008 7613(2005)05 0021 03 0 引言 半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、价格低、驱动电源简单且不需要高电压(2.5V )等独特优点。目前,广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描等技术领域。在实际应用中,遇到的问题之一是激光器在发光时阻值不断上升,造成输出光功率的下降。这可能导致激光器永久性的破坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求。因此,研制性能可靠、经济、耐用的半导体激光器具有广泛的应用价值。 1 L D 的驱动电流与输出光功率的特性 半导体激光器的结构如图1所示,对一般的半导体激光器来说,激光二极管(L D )是正向接法,光电二极管(P D )是反向接法。P D 受光后转换出的光电流I m 在串联电阻R 2上以电压信号反映出射光功率的大小,如图2所示,因此添加控制电路即可达到 稳定发光功率的目的。 半导体激光器的发光功率与通过的电流关系如图3所示,为便于分辨,图中底部的近似直线有所抬高。从图3中可以看出,在某一温度下,当驱动电流低于阈值电流时,激光器输出光功率P 近似为零,半导体激光器只能发出荧光,当驱动电流高于阈值时输出激光,并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并近似呈线性上升关系。2 半导体激光器驱动电路设计 本例以H TL670T5为例,介绍一种半导体激光器稳功率驱动电路。该管输出波长为650nm,额定功率30mW,其工作特性曲线与图3 所示接近。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会由于接在同一电网上的日光灯等电器的关闭或开启而损坏,这是因为在开关闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流,该电流足以使半导体激光器损坏,必须避免。为此,驱 21 第19卷 第5期新乡师范高等专科学校学报 Vol.19,No.5 2005年9月 JO U RNAL OF X IN XIAN G T EACHERS COL LEGE Sep.2005 收稿日期:2005 04 05. 作者简介:毛海涛(1953 ),男,河南开封市人,河南大学物理与信息电子学院教授,硕士研究生导师,主要从事激光理论 及应用技术方面的研究工作。
激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。 半导体激光二极管的基本结构如图所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。 半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下： λ = hc/Eg (1) 式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。 上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。 随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。 常用的激光二极管有两种:①PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声。②雪崩光电二极管。它能够提供内部放大,比PIN光电二极管的
第24卷 第2期 2007年4月 黑龙江大学自然科学学报J OURNAL OF NATURAL SC IENCE O F HE I LONG JI ANG UN IVERS I TY V o l 24N o 2Apr i,l 2007 一种半导体激光器的驱动电路源 李若明1, 刘盛春2, 余有龙1,2, 刘 浩1, 孟凡斌3, 胡 亮 1(1.暨南大学光电工程研究所,广东广州510632;2.黑龙江大学光纤技术研究所,黑龙江哈尔滨150080;3. 东北电子技术研究所,辽宁锦州121000)摘 要:根据半导体激光器对注入电流的稳定性要求高和对电冲击的承受能力差等特性,对 其驱动电路进行了设计。针对具体的980n m 泵浦激光器,采用负电源模拟电路方案,研制了包含 慢启动和功率稳定功能的驱动电路,其输出驱动电流稳定度达到2 10-4,应用于激光器后得到了 小于4 的光功率稳定度。 关键词:驱动电源;半导体激光器;慢启动;低噪声 中图分类号:TN 248 4文献标识码:A 文章编号:1001-7011(2007)02-0203-04 收稿日期:2006-10-19 基金项目:教育部 新世纪优秀人才支持计划 (NCET-04-0828);广东省自然科学基金重点项目(04105843) 作者简介:李若明(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向:光纤传感网络 通讯作者:余有龙(1965-),男,教授,博士生导师,主要研究方向:光纤通信、传感、光纤激光器,E -m ai:l youlongyu @163.co m 1 引 言 掺铒光纤(EDF)作为增益介质已广泛应用于光纤通信、光纤传感和光纤激光器等领域,其输出功率大小和功率的稳定性往往取决于泵源功率的稳定性,而泵源一般由半导体激光器(LD)充当,LD 又受驱动电路驱动,因此,研制高性能的驱动电路就显得尤为重要。对于实际使用的LD,只有为其提供稳定的工作电流,才有可能获得稳定的激光输出。另外,谐振腔的形变和P N 结的老化与温度相关,温度不仅影响到LD 输出功率的稳定,而且还将影响泵源的寿命,因此有必要控制LD 的工作温度。作为结型器件,LD 承受电冲击的 能力很差,因此其驱动电源中应有保护电路[1],借以缓解浪涌电流的冲击。 目前,LD 驱动电路的实现方案可以分为模拟电路和数字电路两类。早期的驱动电路多采用模拟分立元件构成电路,这样的电路常常存在体积庞大,操作繁琐的缺点[2] 。近年来有学者在大功率LD 的驱动电路中引入数字电路技术,以模/数和数/模转换芯片转换信号,再用单片机、数字信号处理芯片(DSP)或复杂可编程逻辑器件(FPGA )处理信号,这样实现了电路操作的简化并完善了电路功能,与此同时,电路中高频部分对实现系统的电磁兼容性增加了困难。对于只需要稳定的光功率输出的小功率的半导体激光器驱动电源,这种电路结构复杂、成本高,而采用模拟集成电路元件实现的小功率的半导体驱动电路在成本,和电磁兼容能力上都有优势。 本文基于负电源,采用模拟集成电路元件,针对小功率LD,围绕降低电压源输出噪声、提高驱动电流稳定性、简化操作开展了研究,实现了一种低电压源输出噪声、高驱动电流稳定度、操作简单且成本低廉的驱动电路。2 原 理 考虑到稳定输出的LD 需要驱动电路包含有高精度恒流源,且避免强浪涌脉冲存在,设计的电路由电压调整、电流源、光功率控制、温度调整和电流显示等部分组成。 电压调整电路为后续电路提供低噪声的直流电压,这个电压通过电流源转换为电流,电流再经调整后驱动LD 发出激光。光功率稳定电路通过反馈控制实现稳定输出功率的目标。温度调整电路通过控制流过半
应用笔记:
HFAN-2.5.0
Rev 0; 05/04
激光二极管的单端和差分驱动比较
MAXIM 高频/光纤通信部
Maxim Integrated Products
AN3239C.pdf 05/25/2004
激光二极管的单端和差分驱动比较
1 引言
为了优化光发送器设计，应该选择合适的接口电 路连接驱动器和激光二极管。一般而言，激光二 极管单端驱动比较简单，需要较少的元件和电路 板面积。缺点是边沿速度较慢，收发器电源上具 有较大噪声，这些缺点最终会影响接收灵敏度。 实际应用表明，采用差分驱动的光发送器能够克 服单端驱动的不足。本应用笔记阐述了差分驱动 比单端驱动能够提供更快边沿速率的原因。
Laser Driver CP2
OUTCP1 OUT+ RD VCC
BIAS RF CF
2 单端驱动和差分驱动的电路配置
对于单端驱动，激光调制电流加在激光器阳极 (共阴极激光器)或激光器阴极(共阳极激光器)。 图 1 是驱动共阳极激光器的简单原理图，调制电 流通过阻尼电阻(RD)加在激光器阴极。激光器阳 极直接连接至电源，驱动器偏置输出经过铁氧体 磁珠隔离后为激光器提供偏置。对于平衡的直流 和交流负载，通过铁氧体磁珠和电阻构成的并联 网络将驱动电路互补输出上拉至VCC ，该电阻匹 配于激光器负载和阻尼电阻的等效阻抗。RC并 联网络(RF 和CF)提供高频衰减。驱动器输出电容 CP (CP1 和CP2)表示输出晶体管等效电容、封装和 电路板寄生电容的等效值。
图 1. 驱动激光二极管的单端方式
VCC
Laser Driver CP2
OUTCP1 OUT+ RD
BIAS
图 2. 驱动激光二极管的差分方式
图 2 所示是差分驱动的例子。激光器阴极通过一 个阻尼电阻(RD)交流耦合至驱动电路输出。驱动 器输出通过铁氧体磁珠上拉至VCC ，为输出晶体 管提供直流偏置。驱动电路互补输出和激光二极 管阳极公共端通过一个铁氧体磁珠连接至VCC ， 铁氧体磁珠提供VCC 的高频隔离。激光器偏置方 式与单端驱动相似。采用相同的激光二极管和驱 动电流，与单端驱动相比，差分驱动的 2.5Gbps 光发送器在边沿速率上加快了 20ps [1]。
应用笔记 HFAN-02.5.0 (Rev. 0, 05/04)
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