严兵 2008 (脉冲半导体激光器电源电路分析)

[ 1 ] Kari M tt , J uha Kostamovaara , Risto Myllyla. Profi2 ling of hot surfaces by pulsed time2of2flight laser range finder techniques [J ]. Applied Optics , 1993 , 32 ( 27 ) : 533425347. [2 ] 林晓翰 , 苏国彬 . 半导体激光器的大电流窄脉冲驱 动电路的研究 [J ] . 压声与光电 , 2000 , 22 ( 6 ) : 4142 417. [ 3 ] Wei You Chen , Shiyong Liu. Pin avalanche p hotodi2 ode model fo r circuit simulatio n [J ] . IEEE J . Quan Elect ronics , 1996 , 32 ( 12) : 210522111. [4 ] 陈炳林 , 张河 , 孙全意 . 微型大电流窄脉宽半导体激 光器电源的研究 [J ] . 仪器仪表学报 , 2004 , 25 ( 4 ) : 4912493.
( Navy Representative office in t he Second Academy of CASC , Beijing 100854 , China )
Abstract Performance of direct2modulating p ulsed diode laser is dependent on large2current and narrow2widt h p ulsed driver circuit . The equivalent driver circuit of p ulsed LD is established. The L RC loop equatio n is modeled. The analytic solutio n is achieved by solving t he linear co nstant coefficient seco nd o rder ho mogeneo us differential equatio n. The result s compared wit h experiment s reveal t hat when t he conditio n R ≥ 2
其特征根为
R p= ± 2L p1 = p2 = R + 2L R
2
1
LC
( 3)
2
1
LC
Hale Waihona Puke 2L-2L-
1
LC
( 4)
分三种情况讨论 :
1) R > 2
L , 非振荡放电过程 C
这种情况下 , 特征根 p1 和 p2 是两个不等的负 实根 , 通过求解式 ( 2) 可得到通过电容的电流为
i= U0 ( e p1 t - e p2 t ) L ( p2 - p1 ) ( 5) ( 6) ( 7)
L/ C is met , surgeless discharging current wavefo rm can be achieved. The
calculated crest value and p ulse widt h of current are coincided wit h t ho se of experiment s. Key words p ulsed diode laser ; power supply ; driver circuit
第6卷 第4期 2008 年 8 月
光学与光电技术
O P TICS & O P TO EL EC TRON IC TEC HNOLO GY
Vol. 6 , No . 4 August , 2008
文章编号 :167223392 ( 2008) 0420001203
脉冲半导体激光器电源电路分析
p1 t
- p2 e ln
p2 t
) = 0 ,得 :
p2 p1 tm = p1 - p2
( 8)
通过分析可得 :当 t = tm 时 , 电流 i 取极大值 i max 。 电流 i 随时间 t 变化的波形如图 3 ( a ) 所示 , 电 流脉冲的脉冲宽度可近似为 t = 2 tm 。 2) R < 2 当 R<2
300 V , 根据电流式 ( 5 ) 有 : p1 ≈ - 5 . 5 ×10 , p2 ≈ - 14 . 5 × 10 , tm ≈ 11 ns , 脉冲宽度 t = 22 ns , 峰值
7 7
图6 实测激光脉冲波形
Fig. 6 Outp ut beam waveform
电流 imax = 42 A 。按估算公式计算峰值电流为 : imax = 30 A 。
L , 振荡放电过程 C L 时 , 特征根 p1 和 p2 是一对共轭 C U0 - δ e t sin ωt ωL R
2
( b)
图 3 I2t 关系曲线
Fig. 3 Current I versus time t
复数 。通过求解式 ( 2) 可得电容上的电流为
i= ( 9)
R 由于δ= , R 一般为几 Ω 左右 , L 一般为几 2L
图5 实际所测电流脉冲波形
Fig. 5 Experimental current wavefo rm
用以上电路驱动脉冲半导体激光器 , 通过光电 二极管采样可以获得如图 6 所示的激光脉冲 , 实测
Analysis of Pulsed Laser Diode Driver Circuit
YAN Bing
在 R=2
( 11 )
ω
1
arctan
ω δ
- δ。通过求解式 ( 2 ) 可得 : i =
从上可以看出电容放电也是非振荡放电过程 。
第4期
严兵 : 脉冲半导体激光器电源电路分析
3
综合以上三个过程 , 想获得非振荡的放电过 程 , 电阻和电容关系必须满足以下关系式 :
R≥ 2 L/ C ( 15 )
-
2L
2
L / C , 是振荡衰减过程 , 但是几乎看不到衰减 。
式 ( 9) 对时间 t 求导数 , 并令 :
i= ( δ- t ω ω- t ω) ωL - e sin t + e co s t = 0 , 得 : tm = U0
δ δ
3) R = 2
L / C , 临界情况 L / C的条件下 , p1 = p2 = - R/ 2 L = U0 - δ t te L ( 14)
图1 脉冲半导体激光器驱动电源结构形式
Fig. 1 Simplified circuit diagram of p ulsed diode laser driver
图2 脉冲半导体激光器驱动电源等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit diagram of p ulsed LD driver
2
L
光学与光电技术
第6卷
d2 i di 1 +R + i =0 dt C d t2
R 2L R 2L R
2
( 2)
通过数理分析可易得 :当 t = tm 时 , 电流 i 取极 大值 imax 。 可以看出电流脉冲的脉冲宽度可近似为 1 1 2π ( 12) t= T= ・ 2 2 ω 从式 (12) 可以看出 i 呈周期性正弦衰减。由于 : δ= R µ 1 ( 13) 2L 所以 , 电容上的电流衰减很快 , 可能不到 1 个 周期 , 电流就衰减到零了 。但是只要电流方向改 变 , 即出现负电流就不是我们希望得到的 。电流 i 随时间 t 变化的波形如图 3 ( b) 所示 。
4 结 论
根据 L RC 回路方程建立的模型对脉冲半导体 激光器的大电流窄脉宽驱动电源进行了理论分析 和计算 , 实验得到的数据表明 : 当电源主要参数满
图4 脉冲半导体激光器驱动电源原理框图
Fig. 4 Functional block diagram of p ulsed LD driver
2 脉冲半导体激光器电源电路模型
的建立和分析
图 1、 2 所示分别为脉冲半导体激光器驱动电 路的一般形式和相应的等效电路 。其中 , L 为寄生 电感 ( 由于电路中有放电电容 、 开关元件 、 激光器 , 所以放电回路内部有寄生电感) , C 为储能电容 , R 为电路的总电阻 , 包括激光器等效电阻 、 开关元件
激光脉冲宽度为 27 ns 。
3 实验结果
根据以上的公式推导, 设计了满足 R >
2
L / C关系的电路参数 , 采用如图 4 所示的脉冲
半导体激光器驱动源电路 , 完成了相关实验 , 实验 结果与理论计算进行了比较 。 取 R = 10 Ω , L = 5 × 10 - 8 H , C = 10 - 8 F , U 0 =
十纳亨到几千纳亨 。所以δ=
R
2L
µ 1 , 这样 I = e δ
δ t
ω= 其中 , δ= R 2L
1
LC
的电流下降速度就非常快 , 同理 I = - e - t 上升也 就非常快 , 这就会导致 I 在负半轴的值非常小 , 有 时可以忽略不计 , 在实际调试的电路中 , 虽然 R <
( 10 )
L/ C的
1 引 言
脉冲半导体激光器具有峰值功率高 、 体积小等 优势 ,已被广泛应用于激光测距 、 激光雷达和自由 空间激光通信等领域 。在激光探测和激光通信中 , 系统带宽 、 作用距离 、 精度 、 抗干扰和低功耗等性能 都取决于半导体激光器发射的激光脉冲质量 [ 122 ] , 而半导体激光器发射的光脉冲是由激光电源产生 的电脉冲直接调制得到的 ,激光器产生的光脉冲特 性在一定程度上依赖于脉冲驱动电源的设计 ,抽运 电流的幅值 、 脉冲宽度决定了激光脉冲的峰值功 率 。因此 ,脉冲半导体激光器脉冲电源的设计是激 光应用中的一项关键技术 [ 3 ] 。 本文给出了脉冲半导体激光器驱动电源的等 效电路 ,在此基础上建立了 L RC 回路模型 ,根据线 性常系数二阶齐次微分方程的分析解结果 ,对回路 主要特征参数进行了分析 ,获得了电流2时间曲线 , 并将计算结果与实验结果做了比较 。