窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路

盐城师范学院毕业论文(2011－2012学年度)物电学院电子信息工程专业班级08（3）学号********课题名称窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路学生姓名蒋峰指导教师沈法华2012年5月20日目录1、绪论 (3)2、工作原理 (4)2.1半导体激光器原理 (4)2.2窄线宽原理 (6)2.3可调谐原理 (8)2.3.1 基于电流控制技术 (8)2.3.2 基于机械控制技术 (9)2.3.3 基于温度控制技术 (9)3、特性参数 (9)3.1工作波长 (9)3.2光谱宽度 (10)3.3功率特性 (10)3.3.1 小功率 (10)3.3.2 高功率 (10)3.4频率稳定性 (11)4、可调谐半导体激光器的高精密驱动电源与稳频电路设计 (11)4.1半导体激光器电路设计原理与实现 (11)4.1.1 半导体激光器驱动方式简介 (11)4.1.2 电路设计指标 (12)4.1.3 驱动电路设计 (13)4.2控温电路的设计与实现 (14)4.2.1 基准采样电路 (14)4.2.2 差分放大电路 (14)4.2.3 自动控制电路 (14)4.3控流电路的设计与实现 (15)4.4微分稳频电路的设计与实现 (15)总结 ..................................................................................................... 错误!未定义书签。

致谢 . (17)参考文献 (17)窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路电子工程专业蒋峰指导教师沈法华摘要: 随着半导体技术的日趋成熟，半导体激光器（LD）以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制等特点，在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。

半导体激光器的稳定性取决于驱动电源，电流的起伏会引起光功率的变化，从而影响激光器的性能。

同时，半导体激光器可以通过调节温度、电流等实现其波长的可调谐；通过选模技术可以实现窄线宽输出。

本文详细阐述了窄线宽可调谐半导体激光器的基本工作原理，分析了其参数特性。

根据工作原理和特性要求，对窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路进行了详细的分析设计，理论分析结果表明该电路能够满足设计要求。

关键词：窄线宽；半导体激光器；可调谐；稳频1、绪论自1962年第一支半导体激光管问世以来，半导体激光技术发展迅速，特别是近十年来，在激光冷却和激光精密测量的推动下，半导体激光器得到了很大的发展。

常用的材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。

结构可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。

同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长。

因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，其应用领域非常广阔。

其最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于1Gb局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统。

它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。

半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。

因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。

如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB-LD)。

此外，半导体激光器的应用范围还覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。

其在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

再者，半导体激光器还广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术，是大容、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出。

由此可见，半导体激光器的应用已经涉及到了方方面面，其特点也保证了各项领域都能被较好得使用。

近年来，由于半导体激光器应用领域的不断拓展，对其性能要求也越来越高，如今高功率、窄线宽、可调谐的半导体激光器是重要的发展方向。

其在差分吸收激光雷达、多普勒激光雷达、荧光探测激光雷达的、光谱仪等等设备中具有重要的应用[1]。

2、工作原理2.1半导体激光器原理半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。

其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。

电注入式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓)，InAS（砷化铟），Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。

光泵式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。

高能电子束激励式半导体激光器一般也是用N型或者P 型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。

在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管激光器[2]。

在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，其能带分布如图2-1所示。

能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec -Ev =Eg 称为禁带宽度或带隙。

电子不可能占据禁带。

(a) (b) (c)图2-1 半导体的能带和电子分布(a) 本征半导体； (b) N 型半导体； (c) P 型半导体产生激光的必要条件是产生粒子数反转分布和具有光学谐振腔。

粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。

粒子数反转分布可以通过采用泵浦源将基态的电子抽运到激发态来实现。

基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R 1和R 2的平行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。

由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。

如图2-2所示，能够在谐振腔内产生稳定振荡的光波长必须满足条件：n m L 2λ= 或 mnL 2=λ （2.1） 上式为光波产生稳定振荡的相位条件。

式中：λ为激光波长，n 为激活物质的折射率，m =1, 2, 3 …称为纵模模数。

在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。

有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。

通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。

图2-2 激光稳定工作的条件：合适的谐振腔图2-3 半导体激光器的工作原理图激光稳定工作的另一个必要条件是光增益等于或大于总损耗。

只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。

为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。

一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。

如图2.3所示，根据能量守恒定律，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为：211ln 21R R L th +=αγ （2.2） 式中， γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L 为谐振腔的长度，R 1，R 2<1为两个反射镜的反射率。

2.2 窄线宽原理目前半导体激光器普遍采用内腔和外腔两类调谐技术。

外腔调谐是较为广泛采用的一种方法，它在现有普通半导体激光器的基础上，通过外腔选模压窄线宽，得到较好的输出特性，且具有灵活可行和调谐效果好的特点[3]。

以前国内外外腔调谐的研究大多集中在光纤通信窗口。

即研究1350～1560nm 附近的波长调谐技术，且获得了较理想的结果。

常见外腔调谐技术包括两种方式，即强耦合和弱耦合方式。

前者指通过对半导体激光器出光端面镀增透(AR)膜等手段，使得外腔镜的反射率大于出光端面的反射率，从而使外腔反馈占主要地位，后者则不对激光器出光端面镀增透膜，使内腔反馈仍占较为主要的地位。

两种情况都能有效地压窄激光线宽，而强耦合情形的调谐范围更大，弱耦合情形则更为灵活方便。

半导体激光器光栅激光输出光谱仪扫描干涉仪功率计示波器光探测器锯齿波电压透镜图2-4外腔调谐的装置结构外腔调谐的装置结构如图2-4所示，半导体激光器的输出光经透镜组准直后获得水平的平行光，入射到光栅外腔上，经光栅分光，将一级衍射反馈回激光器有源区，与有源区内光场相互作用，造成各纵模间的增益差，增益较大、满足激光激发条件的纵模起振激发，而增益较小的模式就被损耗掉。

通过改变光栅外腔反馈光的波长，可获得不同波长的激光输出，而实现波长调谐外，由于半导体激光器的谱线宽度满足公式：)/(2121ac l c vc ππτ==∆ （2.3） 其中，l 是激光器腔长。

从上式可见，腔长是影响激光线宽的关键因素之一。

加外腔相当于较大幅度地增加外腔长度，所以能有效地压窄线宽。

而且，外腔反馈加强了受激辐射，抑制自发辐射，这也是压窄激光线宽的一个原因。

光栅的零级衍射作为外腔激光输出，可用功率计测量输出激光强度，用光谱仪测量其光谱特性和波长，激光线宽由扫描干涉仪进行测量。

其设计图如图2-5所示。

图2-5外腔激光器设计：littrow 结构(左)，littman-metcalf 结构(右)2.3 可调谐原理对于半导体激光器，可以通过调节部分参数来实现波长（或者频率）可调谐。

可调谐半导体激光器就是可以根据实际要求调谐激光的波长（或者频率），这主要是用于对波长（或者频率）有要求的地方，比如做原子的激光光谱，必须把激光的频率调谐到与原子共振，才能出现光谱。

而工业上大多数只对功率有要求的激光器，比如激光切割，不说可调谐[4]。

比较常见的可调谐半导体激光器从实现技术上有：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。

其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度、较宽的调谐带宽，但输出功率较小。

基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。

温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。