大功率半导体激光器模拟负载及老化系统的设计

河北工业大学硕士学位论文大功率半导体激光器高效率设计姓名：杜伟华申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：陈国鹰;杨红伟20081101河北工业大学硕士学位论文大功率半导体激光器高效率设计摘要由于具有较高的输出功率和功率转换效率，大功率半导体激光器被广泛应用于泵浦固体激光器、激光加工、打印、光存储、光通讯及激光医疗等领域。

功率、效率和可靠性是衡量半导体激光器性能的三个关键性指标。

提高激光器的功率转换效率可以使激光器输入相同电流时输出更大的光功率，同时对于降低散热系统能耗、提高激光器光电特性、延长激光器寿命、提高可靠性以及节约运转费用有着非常重要的意义。

效率的提高依赖于材料结构及其质量、芯片设计与器件制作工艺。

本课题基于器件的设计及其工艺的优化提高808nm大功率半导体激光器的功率转换效率。

本文首先从理论上详细分析影响808nm大功率激光器效率的各个因素，然后以理论分析和计算机模拟为基础进行材料选择，波导层和包层使用AlGaAs材料，并且波导层采用大光腔结构，量子阱层使用AlGaInAs材料；在芯片制作方面，通过进行激光器的腔面反射率的设计，得出了最大的功率转换效率与腔长、腔面反射率的关系，选用了合适的腔面反射率进行腔面镀膜；在封装方面，鉴于微通道载体是目前解决连续工作大功率半导体激光器阵列散热问题的主要手段，因而采用微通道载体解决散热问题，通过计算机模拟，进行了微通道载体设计，同时对烧结工艺进行了优化。

通过对808nm大功率激光器进行深入研究，最终研制的808nm大功率半导体激光器微通道阵列，连续工作状态下，最高功率超过100W，功率转换效率达到56.7%，实现了项目指标。

关键词：功率转换效率，大光腔，应变量子阱，腔面反射率，烧结，微通道载体i大功率半导体激光器高效率设计iiDESIGN OF HIGH EFFICIENCY HIGH POWERSEMICONDUCTOR DIODE LASERABSTRACTDue to higher output power and power conversion efficiency, semiconductor laser diodeshave been widely used in pumping solid state lasers, laser processing, printing, optical storage, optical communication and laser medical treatment and so on. Output power, power conversion efficiency and reliability are three key factors scaling the semiconductor laser diodes performance. Improving the efficiency can output higher light power for the same current. Furthermore, it means great sense for reducing system energy cost, improving laser diodes photoelectric character and reliability, prolonging laser diodes lifespan and saving running expense. The improvement of efficiency depends on material structure design and quality, chip design and manufacturing technics.In this paper we pay our attention to improving power conversion efficiency through laser diode design and technical optimization. Firstly, we analyze the factors theoretically that influence power conversion efficiency of 808nm semiconductor laser diodes in detail. Then the material with AlGaAs broad waveguide layer, AlGaAs cladding layer and AlGaInAs strain quantum well layer is grown, basing on our theoretical analysis and computer stimulation. Through cavity facet reflectivity design, we have obtained the relationship between the maximum power conversion efficiency and cavity facet reflectivity. In order to obtain the highest power conversion efficiency, we choose proper cavity facet reflectivity to make mirror coating. The last but not the least, considering that using microchannel heatsink is a main way to solve the problem of heat dispersing, we design microchannel heatsink through computer stimulation, and improve die-bonding technics.Through our research on 808nm high power laser diode array, power has reached above 100W and power conversion efficiency has reached up to 56.7% at continuous wave operation. Our project object has been achieved.KEY WORDS：power conversion efficiency, large optical cavity, strain quantum well, cavity facet reflectivity, die-bonding, microchannel heatsink河北工业大学硕士学位论文符号说明A ——有效传热面积，单位cm2。

Design of D iode Laser Stable O utput s Control System
LIU Bo, CAO Ru i m ing, GUO J ian ying
( S chool ofM easure- con trol T echnology and Comm un icat ion Eng ineering, H arb in U n iversity of Science and Techno logy , H arb in 150040 , Ch ina)
第 13卷
第 6期
哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报
Vo l 13 N o 6 Dec ., 2008
2008 年 12 月
JOURNAL HARB I N UN I V. SC I . & TECH.
半导体激光器稳功率控制系统的设计
刘 泊, 曹瑞明, 郭建英
( 哈尔滨理工大学 测控技术与通信 工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040)
4 光功率控制
光功率采样电路如图 4 . 光电二极管 PD 集成在 激光器内 , 其电流信号采用精确度为 0 25% , 温飘 系数为 5PPM 的 1k电阻采样, 得到的光电转换信号 经过 放大后 , 输入 到单片 机的 P6 1 端 口, 经 A /D 后, 由 CPU 进行下一步处理 .
3 1 恒流源工作原理 其电路主要由 MOSFET 管 Q 1、 运放 A1A、 A4B、
第 6期
张礼勇等 : 数字通信系统中位同步信号提取的 FPGA 实现
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从图 6 中可以看出 , 开始输出的位同步信号滞 后 , 相位比较器输出加脉冲控制信号 , 使同步输出时 钟的相位向前逐渐调整, 最后达到相位锁定, 即实现 了时钟同步 . 本设计应用于低压电力线载波通信模块中 , 要 求同 步 建 立 的 时 间 小 于 0 002s. 相 位 误 差 小 于 0 07 . 在设计中 FPGA 的高频时钟采用 30 72MH z, 两路窄脉冲的频率为 15 36 MH z , 要求提取的位同 步信号的频率, 即码元速率为 120 kH z, 因此分频因 子 n = 128. 用数字锁相环法提取位同步信号时, 相 位调整误差为: = 2 /n = 0 049 失步后需要重新建立同步所需的最大调整次数 为 n /2 次, 由于数字信息是一个随机的脉冲序列, 可 近似认为两相邻码元中出现 01 、 10 、 11 、 00 的概率相 等 , 其中有过零点的情况占一半 . 而数字锁相法都是 从数据过零点中提取标准脉冲的, 因此平均来说, 每 2Tb 秒可调整一次相位 , 故同步建立时间为 ts = 2T b ! ( n / 2) = nT b 因此本设计 中的 同步 建立时 间为 0 001s, 对 于 120kH z的 信 号来 讲 , 这 个 建 立时 间 可 以满 足 要求 .

收稿日期:2003-03-18. 基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教技司2000962号)1光电器件大功率半导体激光器驱动器的研究与设计邓　军,单江东,张　娜,田小建(吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130023)摘　要:　介绍了大功率半导体激光器恒流源的设计方法。

该恒流源采用功率M OSFET 作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流。

实际应用表明该恒流源对激光器安全可靠,输出电流的短期稳定度达到1×10-5。

关键词:　半导体激光器;恒流源;驱动电路;功率M OSFET 中图分类号:　T N245　文献标识码:　A 文章编号:　1001-5868(2003)05-0319-02R esearch and Design of H igh 2pow er Semiconductor Laser Diode DriverDE NGJun ,SH AN Jiang 2dong ,ZH ANG Na ,TI AN X iao 2jian(School of E lectronic Science and E ngineering ,Jilin U niversity ,Ch angchun 130023,CHN )Abstract :　The design of constant 2current supply power for a high 2power semiconductor laser diode is desribed.This constant 2current power supply uses a power M OSFET as the current control device ,and which uses the principle of negative feedback to adjust and stabilize the output current.The practical application indicates that the constant 2current power supply is safe and reliable to the laser diode ,with the short term stability of output current up to 1×10-5.K ey w ords :　semiconductor laser diode ;constant 2current power supply ;drive circuit ;power M OSFET1　引言半导体激光器不仅具有一般激光器高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,因而被越来越广泛地用于国防、科研、医疗、光通信等领域。

题目：高精度半导体激光器控制系统的设计与实现报告人：保密导师：隐私教授开题报告提纲：一、基本概念与原理二、研究意义三、控制对象四、设计内容五、进展计划六、参考文献一、基本概念与原理1.1半导体激光器的概念及发展半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器。

半导体激光器相比于其它种类的激光器，还具有单色性强、光谱集中、可高速直接调制、便携性、价格便宜、性能稳定等众多优点；因而常被用作光学仪器中的光源部分，并广泛应用于物质检测、环境监测、成份分析、计算机、通信、医疗、机械加工、航天和国防等领域，更是光电子学研究中不可或缺的器件之一。

1962 年，美国的克耶斯[1]（Keyes）等人发现砷化镓（GaAs）材料具有光发射现象。

随后第一台同质结GaAs半导体激光器由美国的霍尔[2]（Hall）发明，至此揭开了半导体激光器发展的序幕。

80年代初期，分子束外延、气相沉积等技术作为超薄层材料生长方法相继问世，电子束曝光和离子束刻蚀在超微细结构加工领域活跃，这些技术不仅促进了激光器的商品化，还为分布反馈（DFB）和垂直腔面发射（VCSEL）等新一代半导体激光器的诞生提供了条件[3]。

早期的半导体激光器工作环境非常苛刻，只能在超低温下才能实现微秒脉冲工作。

时至今日，半导体激光器的发展经历了半导体生长技术的提升和工作物质的更新换代，其腔体结构不断改进、性能不断优化，在短短的几十年内取得了如下令世人瞩目的成就：a、工作环境从超低温发展到常温[4]；b、阈值电流从几百毫安降至几十毫安，甚至亚毫安级别，并向着无阈值方向发展；c、波长范围从红外波段发展到蓝绿光波段[5]；d、光电转换效率不断提高，已优于60%以上[6]；e、使用寿命从几百小时发展到百万小时[7]；f、大功率半导体激光器、阵列激光器问世。

1.2半导体激光器工作原理增益介质、泵浦源和谐振腔是构成任何一款激光器的必要条件[8]。

半导体激光器通过向PN结注入一定大小电流产生反转粒子的积累，并使之发生受激辐射；再通过谐振腔对光强的正反馈，使光子在谐振腔内产生激光振荡；最后，在满足产生激光的三个必要条件下，激光器在末端采用光纤耦合的方式，将产生的激光输出。

高功率半导体激光器模拟作者：梁庆成安春爱赵建勋高尚蒋大勇秦杰明候建华来源：《科技视界》 2013年第33期梁庆成安春爱赵建勋高尚蒋大勇秦杰明候建华(长春理工大学材料科学与工程学院，吉林长春 130022)【摘要】本文用MATLAB软件对高功率半导体激光器单管进行了模拟，通过对等效电路中关键的几个输入参数进行不同数值的模拟，给出了不同模拟器件的电导数模拟结果，研究了电导数测试参数与器件质量的关系，为导数技术评价高功率半导体激光器的质量给出了有意义的指导。

【关键词】0 引言半导体激光器出现于上个世纪五十年代[1-2]，随着材料与器件的各种新技术的不断发展，它的波长覆盖范围已达到从红外到紫外、输出功率也从低温毫瓦量级的脉冲输出到阵列的千瓦量级的室温连续输出，它的应用已经遍及了包括航天、制造业及科研等许多领域，并成为许多应用系统的关键器件，因而它的可靠性和寿命往往决定了整个应用系统的可靠性。

而随着其输出功率的不断提高，激光器的可靠性会下降，寿命会减短[3]。

对半导体激光器的质量、可靠性进行准确评估和筛选不仅可以确保整个应用系统的可靠性，同时也可以帮助改进其生产工艺、提高产品的制造水平。

20世纪90年代，本课题组提出一种新方法即电导数测试技术来筛选半导体激光器的质量和可靠性的，这种方法主要是通过测试半导体激光器的I-V、P-V，再进行相应的数据处理以得到在激射阈值处的节电压饱和情况及一些相关参数、通过相关参数的值对激光器包括结特性、漏电通道、载流子限制、欧姆接触情况等与器件质量密切相关的因素进行分析，从而实行对器件质量和可靠性进行评估和筛选[4-6]。

通过电导数技术筛选和评估半导体激光器件具有便捷、无损、快速的特点。

在我们从前对大量中小功率器件进行的电导数测试中，我们发现某些或全部电导数参数差的器件一定可靠性差，因此电导数方法的有效性也得以证明[4-6]。

然而随着导数技术在新型的高功率半导体激光器中的应用，我们发现尚有部分可靠性差的半导体激光器不能被导数技术所筛选，因此有必要借助数学工具进行器件电导数模拟以分析不同缺陷情况对电导数参数的影响，以达到指导和完善该方法的目的，也为该方法在高功率阵列半导体激光器上的应用打下坚实的基础。

第8卷 第4期信息与电子工程Vo1．8，No．4 2010年8月INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Aug．，2010文章编号：1672-2892(2010)04-0441-04大功率半导体激光器驱动电路马良柱，宋志强，刘统玉，王 昌，陈汝波(山东科学院激光研究所山东省光纤传感器重点实验室，山东济南 250014)摘要：为实现30W连续掺Yb光纤激光器，设计一种大功率(10A)半导体激光器(LD)的驱动电路，该恒流源电路采用功率场效应管作电流控制元件，运用负反馈原理稳定输出电流，正向电流0A~10A连续可调，纹波峰值为10mV，输出电流的短期稳定度达到1×10-5，具有过流保护、防浪涌冲击的功能。

实际应用在30W连续掺Yb光纤激光器中，结果表明该驱动电路工作安全可靠。

关键词：半导体激光器；驱动电路；场效应管中图分类号：TN248 文献标识码：APower driving circuit of Laser DiodeMA Liang-zhu，SONG Zhi-qiang，LIU Tong-yu，WANG Chang，CHEN Ru-bo (Shandong key laboratory of optic fiber sensing，Laser Institute，Shandong Academy of Sciences，Tsinan Shandong 250014，China)Abstract：This paper introduces a power driving circuit for Laser Diode(LD). It adopts power Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET) as adjust device，and apply current negativefeedback to ensure constant current output. The output current is a forward current adjustable in 0A–10Arange with ripple less than 10mV，whose short-term stability has reached 1×10-5. This circuit also bearsfunctions including maximum current，surge current limitation and slow start. It has been applied as pumpsource for a Yb doped optic fiber laser，and the experimental results has proved its reliability and safety.Key words：Laser Diode；driving circuit；Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor半导体激光器(LD)具有尺寸小、重量轻和低电压驱动、直接调制等特点，还具有高单色性、高相干性、高方向性和准直性的优良特性，广泛应用于国防、科研、医疗、光通信和光传感等领域[1]。

Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｖｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
科 技 视 界
科技・ 探索・ 争鸣
高功率半导体激光器模拟
梁庆成 安春爱 赵建勋 高 尚 蒋大勇 秦杰明 候建华 （ 长春理工大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春 １ ３ ０ ０ ２ ２ ）
【 摘 要】 本 文用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 软件 对高功率半导体激 光器单管进行 了 模拟， 通过对等效 电路 中关键 的几个输入参数进行 不同数值 的模 拟， 给 出了不同模拟 器件 的电导数 模拟结果 ． 研 究了电导数 测试参数与 器件质 量的关 系， 为导数技 术评 价高功率半导体激光 器的质 量给 出 了 有 意义
ａ ５ １ Ｅ－ ０ ９ ０ ． ２ ９ １ ４ ７ ９ ４ ８ ． ４ ２ ６ １ ５ ２ ． ２ １ ２ ９ ６ ７ ２ ． ９ ０ ６ ８ ７ ３ ０ ． ８ ８ ６ ８ ｌ ８ ０ ． ９ ０ ２ ４ ４ ７ １ １ ９ ． ３ ２ ５ ４ ａ ６ ９ Ｅ— ｌ ０ Ｏ２ ６ ４ ６ ７１ ４ ８ ． ７ ８ ４ ５ ５ ２ ． ２ ２ ５ ４ ０ ７ ２ ． ８ ５ １ ５ ９ ７ ０ ． ８ ８ ５ ６ ８ ９ ０ ． ９ ０ ２ ５ ２ ４ １ ２ ２ ． ７ ３ ２
的指导。
【 关键词 】 ０ 引言
半导体激光器 出现 于上个世纪五十年代 ． 随着 材料与器件 的各 种新技 术的不断发展 ． 它的波长覆 盖范 围已达 到从 红外到 紫外 、 输出 功率也 从低温毫 瓦量 级的脉 冲输 出到阵列 的千瓦量级 的室 温连续输 出． 它 的应用 已经遍及 了包括航天 、 制造业及科研等许 多领域 ， 并成为 许 多应用 系统 的关键器件 ． 因而它 的可靠性和 寿命往往 决定 了整个应 用 系统 的可靠性 。而随着其输 出功率 的不断提高 ， 激 光器的可靠性会 下 降． 寿命会减短目 。对半导体激光器 的质量 、 可靠性 进行准确评估和 筛选不仅可 以确保整个应用系统的可靠性 ． 同时也可 以帮助改进其生 产工艺 、 提高产 品的制造水平 。 ２ Ｏ 世纪 ９ ｏ 年代 ． 本课题组提 出一种新 方法 即电导数测试 技术来 筛选半导体激光器的质量和可靠性的 ． 这种方法 主要是 通过测试半导 体激光器 的 Ｉ — ｖ 、 Ｐ — ｖ． 再进行相应 的数据处理 以得到在 激射阈值处 的 节 电压饱和情况及一些相关参数 、 通过相关参数 的值对 激光器包括结 特性 、 漏 电通道 、 载流子 限制 、 欧姆接触情况等与器件质 量密切相关 的 因素进行分析 ． 从而实行对器件质量和可靠性进行评估 和筛选 。通

一种半导体激光器老化及测试糸统杨电，陈韬,阙凌薇(武汉光迅科技股份有限公司，湖北武汉430205)摘要:该文介绍了一种半导体激光器自动老化系统，对该系统的硬件及软件进行了研究及方案设计，并据此研制一种半导体激光器自动老化系统。

该系统通过采集恒流工作半导体激光器的背光电流随时间变化的信息及所处环境的温度，绘制半导体激光器的老化曲线，满足了半导体激光器老化及测试工程上的应用。

关键词：半导体激光器；老化;寿命测试中图分类号:TN248.4文献标识码：A文章编号#1000-0682(2021)01-0051-04A semiconductor laser aging and testing systemYANG Dim,CHEN Tac,QUE LNywci(Accelink Technolofy Co.,Lit.,Hubei Wuhan430205,China#Abstract:This papeeinteoduoesan automatioayinysystem toesemioonduotoeaasees.Thehaedwaee and sottwaeeotthesystem aeestudied and desiyned.Based on this,an automatioayinysystem otsemi-oonduotoeaaseeisdeeeaoped the system d eaws the ayiny ou eee o tsemi oondu oto eaase eby oo a e otiny the in­toemation otmonitoeou e ntohanyinywith time,theouyh p ea oti oa aapp ai oation,itoan meettheeequiee-mentsotaaseediodeayinyand testenyineeeiny.Keywordt:semiconductor laser;aging；life test0引言系统方案设计半导体激光器老化及测试系统主要用于半导体激光器的可靠性研究领域［1-3］,主要用于模拟半导体激光器处于使用状态下的电应力环境，并随时间推移按时记录半导体激光器的测试参数，供后期进行数据整理分析，对半导体激光器的可靠性水平进行评价⑷。

半导体激光器的设计和性能优化当我们使用手机、电脑或看电视时，很可能会接触到半导体激光器。

半导体激光器是现代通讯、科学和医疗等领域中不可或缺的重要器件。

它能够产生高质量、高功率的激光光束，具有紧凑、高效和可靠的特点。

本文将探讨半导体激光器的设计和性能优化。

首先，半导体激光器的设计需要考虑多个关键参数。

其中一个关键参数是激光波长。

不同的应用需要不同波长的激光，因此激光器的设计需要根据具体应用确定。

例如，在光通讯领域，波长通常在1550纳米附近；而在医疗领域，波长可能更短。

另一个关键参数是激光器的输出功率。

高功率的激光器可以实现更远的通信距离或更精确的医疗治疗。

此外，激光器的线宽、光谱纯度和调制带宽等参数也需要在设计中考虑。

在设计半导体激光器时，材料选择是至关重要的。

半导体激光器通常由多个半导体层组成，材料的选择会直接影响到激光器的性能。

常见的半导体材料包括砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（InGaP）和砷化铟镓（InGaAs）。

每种材料具有不同的能带结构和光学特性，因此在设计中需要根据特定应用选择最合适的材料。

除了材料选择，半导体激光器的结构也对性能有重要影响。

最常见的半导体激光器结构之一是垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

VCSEL具有垂直输出光束和低噪声特性，因此在光通讯中得到广泛应用。

另一种常见的结构是边射式激光器。

边射式激光器具有高功率和较宽的输出光束，适用于医疗设备等领域。

通过优化结构设计，可以提高激光器的效率、功率和稳定性。

在半导体激光器的性能优化过程中，温度控制起着重要作用。

半导体材料的性质受温度影响较大，温度的变化会直接影响到激光器的性能。

为了获得稳定和可靠的激光输出，必须对激光器进行精确的温度控制。

通常采用的方法是在设计中加入温度传感器和温度控制电路，以实现自动温度调节。

除了温度控制，注入电流也是影响半导体激光器性能的关键因素之一。

注入电流的大小和脉冲形状会直接影响到激光器的输出功率和调制带宽。

大功率半导体激光器老化系统设计曹军胜【摘要】本文介绍了一种可供60支器件同时老化的大功率半导体激光器老化系统，可对每支参加老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率等参数进行定时采集，并对热沉温度、冷却循环水的流量、水压进行实时监测，具有功能完备、可靠性高的优点，可供大功率激光器的研制和应用单位推广使用。

%This paper introduces a kind of aging system for high power semiconductor lasers, which could accommodate at most 60 devices at the same time. The aging system can carry out timing acquisition for each device's parameters such as working current, working voltage, the output optical power, sink temperature, rate of flow of the cooling circulating water, water pressure and so on. The system has the advantages of function complete, high reliability. It has a board application and can be used for high power lasers and application units to promote the use of it.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】3页(P60-62)【关键词】半导体激光器;老化系统;实时监测【作者】曹军胜【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033【正文语种】中文【中图分类】TN240 引言大功率半导体激光器及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光测距、激光存储、激光显示、照明、激光医疗等民用领域，以及激光制导、激光夜视、激光武器等军用领域得到广泛应用[1-2]，已成为影响国民经济发展和国防安全保障的核心电子器件。