准连续半导体激光高频调制技术研究

王卫鹏，徐英添，邹永刚，徐莉，张贺，李洋，赵鑫，马晓辉

（长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

准连续半导体激光高频调制技术研究

王卫鹏，徐英添，邹永刚，徐莉，张贺，李洋，赵鑫，马晓辉

（长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

介绍了一种由信号放大电路、电流调制电路、过流保护电路、具有慢启动功能的直流偏置电路高度集成的半导体激光高频调制系统，此高频调制系统采用了结构简单的直接调制方式，这种调制方式是利用频率可调的调制信号去控制半导体激光器发射的激光光强，从而实现半导体激光高频调制。设计了半导体激光高频调制驱动输出的调制电流幅度为9.1A，调制电流频率达到了100MHz，直流偏置在1A内连续可调，实现了脉冲宽度均匀与非均匀两种情况，在均匀情况下占空比达到了50%。

半导体激光器；脉冲宽度；高频调制；直流偏置

半导体激光器尺寸小、重量轻、能耗低、驱动源结构简单，能直接调制，使用安全［1］，与集成电路兼容，可单片集成［2］，在工业、军事、医疗等领域有着广泛的应用［3］。半导体激光器采用直接注入电流的方式，通过变化的电流来改变激光光强从而实现直接调制输出［4］。基于半导体激光与内调制技术的优点而设计的高频调制系统容易实现、结构简单、可以省去价格高昂的外调制器、降低系统复杂度、降低成本［5］。由于半导体激光高频调制系统在激光探测领域有着广泛应用，激光武器在军事上也起着越来越重要的作用［6］，这样就使得人们对半导体激光高频调制系统的性能也提出了更高的要求［7］，但目前的半导体激光直接调制系统中使用的驱动电路结构比较复杂，输出的调制电流较低，频率也只达到几兆赫兹，为了解决这些问题，使整个半导体激光的高频调制系统有更好的性能，我们对此系统进行了深入研究。

1 理论分析

1.1 半导体激光器的理论介绍

半导体激光器是一种在电流注入下能发射出相干辐射光的光电子器件。运用调制电流控制半导体激光器输出的激光光强。当LD的调制电流超过其阈值时，半导体激光器在线性范围内的输出光功率呈线性增强。LD的P-I特性输出曲线如图1所示。

图1 LD的P-I特性输出曲线

半导体激光内调制示意图如图2所示。

图2 半导体激光内调制示意图

1.2 半导体激光高频调制驱动系统原理

半导体激光高频调制系统的驱动源由信号放大、电流调制、过流保护、具有慢启动功能的直流偏置电路几个部分组成。具有慢启动功能的直流偏置电路可以避免电源开启瞬间产生的电流浪涌和电压浪涌对LD的冲击。限流保护电路能把输入激光器的电流控制在设定的范围内，使激光器安全稳定的工作。半导体激光高频调制驱动系统框图如图3所示。

图3 半导体激光高频调制驱动系统框图

本方案中选用的LD驱动芯片是BURR-BROWN公司的高速大电流运算放大器OPA512，它能输出最大15A的电流，其工作电压范围为±10V到±50V，拥有电压、电流限制保护电路，为半导体激光器提供必要的保护。

1.3 半导体激光器的高频调制驱动系统方案

本文设计了两种半导体激光高频调制系统方案，方案一是由电流调制电路、过流保护电路、具有慢启动功能的直流偏置电路组成，首先信号发生器输出调制信号，调制信号与具有软启动功能的直流偏置电路输出的直流信号通过大电流高速运算放大器OPA512的输入端口输入并由此放大器输出调制电流，直流偏置的电流与调制电流叠加在一起从OPA512的输出端口输出，输出的调制电流经过限流保护电路最终输入到LD中，实现半导体激光高频调制。方案二是为了增大此调制系统输出的调制电流幅度，在上述方案的基础上增加了信号放大电路，使得信号发生器输出的调制信号经过信号放大电路放大之后输入到调制电路中，从而实现半导体激光高频调制。方案一半导体激光器高频调制驱动仿真图如图4所示，方案二调制信号经过放大的半导体激光器高频调制驱动仿真图如图5所示。

图4 半导体激光器高频调制驱动仿真图

图5 调制信号经过放大的半导体激光器高频调制驱动仿真图

2 仿真实验结果与分析

2.1 小信号半导体激光器高频调制驱动仿真

方案一的仿真原理图如图4所示，当调制信号的电压的幅值为5V，频率为100MHz，脉冲宽度均匀与非均匀时，半导体激光器高频调制驱动实现的仿真结果如下。

半导体激光器高频调制驱动的调制信号波形如图6所示，（a）所示为电压幅值为5V，脉冲宽度均匀，频率为100MHz的调制信号，（b）所示为电压幅值为5V，频率为100MHz，脉冲宽度不均匀的调制信号。

图6 调制信号波形图

半导体激光器高频调制驱动输出的调制电流波形如图7所示，（a）所示为电流幅值为3.9A，脉冲宽度均匀，频率为100MHz，直流偏置为0.8A，占空比为50%的调制电流，（b）所示为电流幅值为4.1A，脉冲宽度均匀，频率为100MHz，直流偏置为1A，占空比为50%的调制电流。

图7 不同直流偏置的调制电流波形图

图7仿真结果中，偏置电流的幅值分别为0.8A和1A，这样可以说明此设计中半导体激光器高频调制驱动源的直流偏置电流幅值是可调的，而我们对下文中选择直流偏置电流的幅度为1A。

当如图6（b）所示的调制信号输入到半导体激光器高频调制驱动中，驱动源输出幅度为4.1A，频率为100MHz，直流偏置为1A，占空比逐渐变为50%，脉冲宽度不均匀调制电流，调制电流波形如图8所示。

图8 幅度为4.1A，脉冲宽度均匀的调制电流波形

2.2 调制信号经过放大的半导体激光器高频调制驱动仿真

当信号电压为5V时，半导体激光器高频调制驱动输出的电流幅度为4.1A，为提高输出调制电流的幅度，我们先把调制信号进行放大，放大之后的调制信号输入到调制电路中，实现大幅度调制电流的输出，依据这个想法我们提出了方案二。

方案二仿真原理图如图5所示，当幅值为5V，频率为100MHz，脉冲宽度均匀与不均匀的调制信号经过信号放大后电压幅值达到了17.5V，输入到调制电路中，半导体激光器高频调制驱动实现的仿真结果如下。

半导体激光器高频调制驱动的调制信号波形如图9所示，（a）所示为电压幅值为5V，脉冲宽度均匀，频率为100MHz的调制信号，（b）所示为幅值为5V，频率为100MHz，脉冲宽度不均匀的调制信号。

调制信号放大波形如图10所示，（a）所示为幅值为17.5V，频率为100MHz，脉冲宽度均匀的调制信号放大波形，（b）所示为幅值为17.5V，频率为100MHz，脉冲宽度不均匀的调制信号放大波形。

图10 调制信号放大波形图

半导体激光器的高频调制驱动输出的调制电流波形如图11所示，（a）所示为幅度为9.1A，频率为100MHz，直流偏置为1A，占空比为50%，脉冲宽度均匀的调制电流波形，（b）所示为幅度为9.1A，频率为100MHz，直流偏置为1A，占空比达到了50%，脉冲宽度不均匀的调制电流波形。从图11（a）中可以看出调制电流波形有失真，这是因为信号放大电路的频率达到了最大值。

图11 9.1A脉冲宽度均匀与不均匀调制电流波形

3 结论

本文中介绍了一种由信号放大电路、电流调制电路、过流保护电路、具有慢启动功能的直流偏置电路高度集成的半导体激光高频调制系统，我们对半导体激光高频调制驱动进行了4组仿真实验，从仿真结果中可以看出，当调制信号幅值为5V，频率为100MHz时，输出的调制电流的达到4.1A，频率可以达到100MHz，直流偏置电流幅度在1A内连续可调，占空比为50%，脉冲宽度可实现均匀与非均匀两种情况；因为目前当信号发生器输出的信号频率比较大时信号电压幅值在5V之内的限制因素，为了获得高峰值的调制电流，所以先把信号高频率的调制信号进行放大，将放大之后的信号输入到调制电路中，使得半导体激光高频调制驱动输出的直流偏置在1A内连续可调，调制电流的峰值为9.1A，频率达到了100MHz，占空比为50%，脉冲宽度可实现均匀与非均匀两种情况。我们用信号发生器输出的调制直接驱动调制电路时输出的调制电流的频率，比用放大之后的调制信号电压驱动调制电路时输出的调制电流的波形要好，这是因为信号放大电路的频率已经达到了最大值。为了获得高质量的高频调制电流，本文中的高频调制驱动应该选择频率小于等于100MHz的信号以完成半导体激光器的高频调制。

［1］ 羊华军.激光雷达中的高频大功率半导体激光器驱动研究［D］.杭州:浙江大学，2007.

［2］ 盛元平.窄脉冲半导体激光器驱动电路的设计与仿真试验［J］.舰船电子工程，2015，35（5）:11-13.

［3］ 陈赫男，邹永刚，徐莉，等.高功率单管半导体激光器光纤耦合技术［J］.长春理工大学学报:自然科学版，2014（1）:6-9.

［4］ 顾峰.光调制中直接调制和外调制的问题研究［J］.江苏科技信息，2015（24）:62-63.

［5］ 金永南，田小建.激光光源的直接调制特性研究［J］.延边大学学报:自然科学版，2004，30（1）:17-19.

［6］ 冯兴阳，张剑家.高功率窄脉冲半导体激光器模块的研究［J］.长春理工大学学报:自然科学版，2015（1）.

［7］ 马建立，钟景昌，郝永芹，等.半导体激光器温度特性自动测试装置［J］.长春理工大学学报:自然科学版，2007，30（1）:15-17.

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转化项目（20130303017GX）；吉林省重点科学技术研究项目（20140204028GX）

王卫鹏（1991-），男，硕士研究生，E-mail:1621517472@qq.com

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