冲击电流驱动下半导体激光器的快速响应研究

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引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。

同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。

作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。

本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。

因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。

并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。

经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。

1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。

随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。

本文主要研究半导体LD的驱动设计。

1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：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他方向的激光作用。

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λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。

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。

半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。

它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。

以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。

2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。

3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。

4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。

这个过程称为辐射复合。

5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。

6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。

7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。

通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。

８／２８３２－３５长春工程学院学报（自然科学版）２０２０年第２１卷第２期Ｊ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉ．），２０２０，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．２ＩＳＳＮ　１００９－８９８４ＣＮ　２２－１３２３／Ｎｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－８９８４．２０２０．０２．００８高稳定度半导体激光器恒流驱动电路设计收稿日期：２０２０－６－１２基金项目：吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目（ＪＪＫＨ２０１８０９８４ＫＪ）长春市科技计划项目（１８ＳＳ００８）作者简介：黄丫（１９７８－），女（汉），长春人，讲师，博士主要研究高速光电子学。

黄　丫１，３，田小建２，于　兰１，卢　虹１，李胜男１，孟　瑜１（１．长春工程学院能源动力工程学院，长春１３００１２；２．吉林大学电子科学与工程学院，长春１３００１２；３．吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，长春１３００１２）摘　要：设计了一种半导体激光器恒流驱动电路，使用金属—氧化物半导体场效应晶体管作为电流控制元件，通过反馈网络稳定电流，提高驱动电路输出模块的驱动能力和稳定性。

电路中设有限流保护和软起动保护，使半导体激光器驱动电路在提供大输出电流的同时，保证其稳定性、可靠性和安全性。

经实际测试，该驱动电路能够满足设计需求，为其他类似电路的设计提供了参考。

关键词：半导体激光器；恒流驱动；稳定度；软启动中图分类号：ＴＮ２９文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－８９８４（２０２０）０２－００３２－０４０　引言半导体激光器又称为激光二极管，是采用半导体材料作为工作物质的激光器。

半导体激光器是最实用最主要的一类激光器。

它体积小、寿命长，可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。

基于这些优点，半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面获得了广泛的应用［１－２］。

随着半导体激光器需求量的增加，其驱动电源的重要性也不断提高。

半导体激光器电光效应半导体激光器电光效应：深入探索激光科技的奇异之路导语：半导体激光器是一种利用电光效应产生激光的先进设备，它在现代科技领域中发挥着重要作用。

本文将深入探讨半导体激光器的原理、应用以及未来发展方向，带领读者领略激光科技的奇异之路。

第一部分：半导体激光器的原理和基本结构半导体激光器是一种基于半导体材料制造的激光器。

它的工作原理是利用电光效应，通过半导体材料中的电子与空穴的复合辐射出相干光。

半导体激光器的基本结构包括PN结、腔体和波导等组成部分。

1.PN结：PN结是半导体激光器的核心部件之一。

它由n型半导体和p型半导体组成，通过控制两者之间的电子和空穴流动，实现激光的产生和放大。

2.腔体：腔体是半导体激光器中光的放大区域。

它由两个反射镜（一个是半透明镜，一个是全反射镜）构成，形成一个光学腔。

激光在腔体中来回反射，通过多次放大和反射，最终获得高度纯净和相干的激光束。

3.波导：波导是指导激光传输的通道。

它通过高折射率的材料构成，将激光束引导到目标区域，提高激光的传输效率和精确性。

第二部分：半导体激光器的应用领域和现状半导体激光器以其小尺寸、高效率和易集成等特点，广泛应用于通信、医疗、工业制造等领域。

1.通信领域：半导体激光器在光纤通信中起到了关键作用。

它能够产生高速、稳定的激光信号，实现光纤通信的传输和调制。

2.医疗领域：半导体激光器在医疗领域中有着广泛应用。

例如，它可以用于激光手术、激光美容和激光治疗等方面。

激光器的高精确性和可控性使得医疗操作更加安全和精准。

3.工业制造领域：半导体激光器在工业制造中的应用非常广泛。

它可以用于激光切割、激光打标和激光焊接等工艺，提高生产效率和产品质量。

第三部分：半导体激光器的未来发展方向半导体激光器作为一种重要的光源设备，其未来发展方向主要体现在以下几个方面。

1.提高功率密度：随着科技的不断进步，人们对于激光器功率密度的要求越来越高。

半导体激光器需要进一步提高功率密度，以适应更多的应用场景。

一种基于单片机的半导体激光器电源控制系统的设计作者：贾文超李娟娟刘增俊程全喜来源：《现代电子技术》2008年第05期摘要：介绍了一种以C8051F高速单片机为核心的半导体激光器驱动电源的控制系统。

半导体激光器的工作电流是通过恒流源及光功率反馈控制的，其中恒流源采用达林顿管作为调整管，他可调整大范围的输出电流，可为半导体激光器提供稳定、连续的电流，并且具有慢启动和保护电路等功能。

关键词：半导体激光器;恒流源;慢启动;C8051F单片机中图分类号：TP368.1;TN249 文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)0519002Design of Electric Power Control System by Single Chip for Semiconductor LaserJIA Wenchao,LI Juanjuan,LIU Zengjun,CHENG Quanxi(Electrical and Electronic Engineering College,Changchun University ofTechnology,Changchun,130012,China)Abstract：A diode laser output power system controlled by microprocessor C8051F is presented.The work current of diode laser controlled by stable current source and light power feedback.This constant current source uses a high power Darlington transistor as the current control device,the value and range of the output current which can be adjusted are very large.The constant current source has protective and slow start function and so on.Keywords：semiconductor laser diode;constant current source;slow-start circuit;C8051F single chip半导体激光器(LD)体积小，重量轻，转换效率高，省电，并且可以直接调制。

电力电子技术中如何处理电流冲击问题电力电子技术在现代电力系统中发挥着重要的作用，它通过对电能的转换和控制，实现了高效、稳定、可靠的电能传输与利用。

然而，由于电力电子设备操作中会产生电流冲击问题，这对电力系统的稳定性和设备的寿命都会带来不利的影响。

因此，电力电子技术中如何处理电流冲击问题成为了研究的热点之一。

一、电流冲击问题的原因及影响电流冲击问题主要源于电力电子设备的工作原理以及电力系统的特点。

在电力电子设备中，由于开关管等元件的导通与断开会引起电流的突变，从而产生冲击电流。

这种冲击电流在电力系统中会导致电压波动，增加系统的谐波含量，还可能损坏设备，降低设备的效率和寿命。

二、电流冲击问题的解决方法为了解决电流冲击问题，电力电子技术的研究者们提出了一系列有效的解决方法，下面将分别从设备设计、控制策略以及滤波器设计等方面进行介绍。

1. 设备设计电力电子设备的设计可以通过选择合适的元件和电路拓扑结构来降低电流冲击。

例如，采用快速开关元件可以减小开关过程中的电流冲击，利用基于电流反馈的控制方法可以改善系统响应速度，减小电流冲击。

2. 控制策略电流冲击问题可以通过合理的控制策略来减小。

例如，在电力电子变换器的控制中，可以采用软开关技术，即在关断和开通开关元件时，通过合理的控制方法减小开关过程中的电流冲击。

此外，还可以利用预充电技术来限制电容器电流的突变，在降低冲击电流的同时，提高系统的稳定性。

3. 滤波器设计通过合理设计和配置滤波器可以有效地减小电流冲击。

滤波器可以对电流和电压进行滤波，减小谐波含量，降低电流冲击的风险。

常见的滤波器包括电感、电容和RC滤波器等，通过合理选择滤波器参数和配置方式，可以实现对电流冲击的有效抑制。

三、电流冲击问题的研究进展与应用近年来，电力电子技术在处理电流冲击问题方面取得了显著进展。

随着功率电子元件的不断发展，新型的开关设备和控制方法被提出，有效地降低了电流冲击的发生。

同时，在实际应用中，电流冲击问题的处理也日益得到重视。

半导体器件的实验验证与应用半导体器件是现代电子技术中的重要组成部分，广泛应用于通信、计算机、消费电子等领域。

为了验证半导体器件的性能和可靠性，并将其应用于实际工程中，需要进行实验验证与应用。

本文将从实验验证方法和案例应用两个方面进行介绍。

一、实验验证方法1. 器件特性测试：通过仪器设备对半导体器件的特性进行测试，包括电流电压特性、频率响应特性、功率特性等。

例如，通过伏安特性测试可以了解器件的电流电压关系，以及正向和反向电流等信息；通过频率响应测试可以了解器件在不同频率下的响应性能。

2. 温度特性测试：温度是影响半导体器件性能的重要因素之一，通过对器件在不同温度下的测试，可以了解其温度特性，包括温度对器件电流电压关系的影响、温度对器件频率响应特性的影响等。

3. 寿命测试：半导体器件在长时间工作过程中，存在着老化等问题，通过对器件进行寿命测试，可以评估其可靠性和使用寿命。

寿命测试通常使用加速老化方法，通过加大电流、电压等工作条件，以缩短测试时间，同时监测器件的性能衰减情况。

二、案例应用1. 在通信领域中，光通信是一种重要的传输方式。

光通信系统中的光放大器是关键的光学器件，可以通过放大光信号增加传输距离。

在半导体器件的实验验证中，可以通过测试不同工作波长、不同输入功率下的光放大器的增益和输出功率，评估其性能，进而优化系统设计。

2. 在计算机领域中，半导体器件作为信息处理的核心，广泛应用于CPU、存储器等部件中。

在实验验证中，可以通过测试不同工作频率下的CPU的性能指标，如运算速度、功耗等，评估其性能，并对设计进行优化。

3. 在消费电子领域中，半导体器件被广泛应用于手机、电视、数码相机等产品中。

在实验验证中，可以通过测试手机电池的寿命、电池充电时间等指标，评估其性能和使用寿命，并进一步改进产品设计。

总之，实验验证与应用是半导体器件开发与使用过程中不可或缺的环节。

通过各种测试方法和案例应用，可以验证器件的性能与可靠性，进而优化器件设计和应用方案，提高产品质量和性能，满足不同领域的需求。

用于半导体激光器的大电流纳秒级窄脉冲驱动电路陈彦超;冯永革;张献兵【摘要】根据脉冲式半导体激光器对功率、脉宽、上升沿的要求,同时考虑电脉冲的注入便于测试激光器的各种性能,提出了一种以金属氧化物半导体场效应晶体(MOSFET)为开关器件,以雪崩晶体管为驱动器,可产生大电流、窄脉宽、陡上升沿脉冲的激光器驱动电路.讨论了预触发脉冲宽度和雪崩晶体管输出负载对MOSFET 输出脉冲在幅度和波形上的影响以及如何通过调整耦合电阻来控制脉冲的“下冲”和振荡.实验结果表明:在0～200 V供电电压下,该电路在1Ω电阻上产生了从0A 到148 A,具有陡上升/下降沿的10 ns级电脉冲.通过调整电路参数,可输出脉冲宽度窄至8.6 ns,幅度达到124 A的电脉冲.该驱动电路满足了脉冲式半导体激光器的工作要求和对器件测试的要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)011【总页数】7页(P3145-3151)【关键词】半导体激光器;驱动电路;大电流信号;纳秒级脉冲【作者】陈彦超;冯永革;张献兵【作者单位】北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理所,北京100871;北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理所,北京100871;北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理所,北京100871【正文语种】中文【中图分类】TN248.41 引言脉冲式半导体激光器可用于激光测距、激光引信、激光雷达、泵浦固体激光器、脉冲多普勒成像、3D 图像系统、光纤测温传感器等领域。

高峰值功率、窄脉宽及陡上升沿的脉冲驱动可以增加激光器的作用距离并提高相关传感器的分辨率［1－4］。

对于脉冲激光测距，缩短激光脉冲的上升时间是提高精度最简单有效的方法［5］。

对于一些处于实验室阶段的新型半导体激光器，如GaN 基蓝紫光激光器，电脉冲的直接注入可以测试激光器的各种性能，比如观测激光器的增益光开关产生的延迟、过冲及拖尾的过程，脉冲光谱的展宽等［6］。

半导体激光器功率控制系统的研究作者：胡丹扬刘婷婷来源：《环球市场》2018年第27期摘要：本文针对半导体激光器的实际应用问题，设计完成了小功率LD驱动电路。

利用自动功率控制电路和自动温度控制电路稳定了输出光功率，提高了半导体激光器的工作性能。

所设计的自动功率控制电路采用恒流源驱动及光电负反馈控制，能为半导体激光器提供高稳定、连续可调的驱动电流。

自动温度控制电路以FPGA为核心，利用DRV593驱动TEC完成温度控制，精度可达±0.1℃。

同时，整体驱动电路还具有价格低廉，体积小、操作简便等优点，可广泛应用于实际工程中。

关键词：半导体；激光器；功率控制无线激光通信利用激光作为载体在自由空间中进行通信，是一种远距离激光信号发射与接收的技术。

光纤通信与无线激光通信同属光通信范畴，光纤通信属于有波导光通信，而无线激光通信属于大气波导的光通信。

无线激光通信无需铺设光纤，不受传输介质的影响。

半导体激光器是无线光通信中的重要单元，本文讨论半导体激光器的功率控制问题。

一、半导体激光器工作原理半导体激光器是以半导体材料作为激发物质产生激光的器件，其工作原理就是电磁辐射与半导体之间的相互作用。

半导体受激发光时，其内部电子与光子问的相互作用与气体激光器中光子和原子之间的相互作用相似，包括受激吸收、自发辐射和受激发射三个基本过程。

半导体激光器是以直接带隙的半导体材料构成的PN结或者PIN结为工作介质的一种小型化器件，其主要激励方式有电注入式、光泵浦式以及高能电子束激励式三种。

绝大多数情况下，直接使用电流注入式激励半导体激光器，即对半导体PN结加正向电压，使激光器在结型平面内产生受激发射。

其工作原理与一个正向偏置的二极管相似，因此半导体激光器又称为激光二极管。

二、自动功率控制（一）控制框图半导体激光器自动功率控制有许多方法：一是自动跟踪偏置电流；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法。

其中第一种方法可采用光电反馈原理，直接检测光功率控制偏置电流对激光输出功率的起伏进行补偿。

防止激光器电流过冲的快速响应V/I变换电路在一些驱动电路中，有些器件特性与电流成线性关系，为电流型驱动器件。

这些器件(如半导体激光器)在不适当的工作条件下，可能会造成性能的急剧恶化乃至失效(如有些激光器在极短时间内的电流过冲都就有可能导致激光器损坏)。

因此，在应用运放反馈回路的基础上，不仅要保证电流的线性度，而且还要消除阶跃过程中的过冲问题。

本文通过电流驱动负载，设计了一种具有快速响应的电压转电流电路，同时采用PSPICE里的实际模型对电路进行了仿在一些驱动电路中，有些器件特性与电流成线性关系，为电流型驱动器件。

这些器件(如半导体激光器)在不适当的工作条件下，可能会造成性能的急剧恶化乃至失效(如有些激光器在极短时间内的电流过冲都就有可能导致激光器损坏)。

因此，在应用运放反馈回路的基础上，不仅要保证电流的线性度，而且还要消除阶跃过程中的过冲问题。

本文通过电流驱动负载，设计了一种具有快速响应的电压转电流电路，同时采用PSPIC E里的实际模型对电路进行了仿真，仿真响应时间为百ns。

故该电路的设计对高速网络中有一定的参考价值。

1 电压转电流的理论分析由集成运放搭建的反馈电路一般均可用图1所示的方框图来表示，可根据输出信号为电流和电压以及反馈信号为电压电流来进行分类(可分为四类)。

本电路采用电流串联负反馈的形式，其输入和输出阻抗为：其中Ri、R0是基本放大器的输入、输出电阻；A是负载为RL时基本放大器的增益，AS|RL=0分别是短路时的基本放大器的源增益，其中，。

这里所指的基本放大器均应包括反馈网络的负载效应电阻。

由公式可见，电流串联具有跨导放大器的特性，即具有较高的输入阻抗和输出阻抗。

2 用PSPICE建立仿真电路图2所示是一种电压转电流的电路图，电路中的运放和三级管都是使用常规产品型号。

采用的运放为高速运放，三极管为高频率器件，两者的高频率配合使得该电压转电流电路能够有更快的响应速度以及更高的带宽。

半导体激光器驱动电路的研究与设计袁林成;蒋书波;宋相龙;陆志峰【摘要】The design of semiconductor laser driving circuit is an important technology to decide the stability of semiconductor laser system,and it has an important impact on the output characteristics of the laser.The variation of injection current will cause the laser emission frequencyvariation,eventually lead to jump mode or multi-mode op⁃eration. In order to ensure the quality of the laser output of semiconductor laser,a high performance laser driving cir⁃cuit is studied and designed,this driving circuit includs power supply circuit,constant current sourcecircuit,protec⁃tion circuit and time delay buffer circuit four parts;C is simulated by software Multisim. The actual circuit results compares withthe exploited result map,finally the application of photon counter to test the laser output intensity fluctuation is defined in the 200 kilo-count/s to 400 kilo-count/s range,stability and has a high precision,the experi⁃mental results show that the sufficient stability and high precision satisfy the follow-up experiment.%半导体激光器驱动电路的设计是决定半导体激光器系统稳定性的重要技术，对于激光器输出特性有重要影响。

半导体激光器改善峰值激射波长的研究的开题报告一、问题背景半导体激光器是一种基于半导体材料制作的激光器，其被广泛应用于通讯、医疗、测量、显示等领域。

然而，在半导体激光器的应用过程中，常常会遇到峰值激射波长过高或过低的问题。

这将导致激光器在使用时无法满足精确的波长需求，影响到激光器的性能和使用效果。

因此，如何改善半导体激光器的峰值激射波长成为了一个重要的问题。

二、研究目的本文的研究目的在于分析半导体激光器的峰值激射波长改善问题，并探究相应解决方案，提出改善方法，从而实现半导体激光器峰值激射波长的精确控制。

三、研究内容和方法1. 分析半导体激光器的峰值激射波长并确定影响因素。

2. 探究半导体激光器峰值激射波长改善方法，包括通过调节工艺参数改变激光器的结构、采用新型的材料等措施。

3. 实验测试，并通过数据分析来验证半导体激光器峰值激射波长的改善效果。

四、研究意义本文的研究结果对于改善半导体激光器峰值激射波长具有重要意义，可以提高半导体激光器的性能和使用效果，为相关应用领域提供更加精确的激光器波长。

五、预期成果本文预期能够研究出一种改善半导体激光器峰值激射波长的方法，证明该方法的可行性和效果，并为相关领域应用提供参考。

六、论文结构第一章绪论1.1 问题背景1.2 研究目的1.3 研究内容和方法1.4 研究意义1.5 预期成果1.6 论文结构第二章半导体激光器峰值激射波长分析与影响因素研究2.1 半导体激光器峰值激射波长的定义2.2 影响半导体激光器峰值激射波长的因素分析第三章半导体激光器峰值激射波长改善方法研究3.1 通过调节工艺参数改变激光器结构3.2 采用新型材料3.3 其他方法探究第四章实验测试与数据分析4.1 实验流程4.2 实验结果分析4.3 误差分析第五章结论与展望5.1 结论5.2 展望第六章参考文献。