低噪声、低纹波半导体激光器电源的设计与实现

低噪声、低纹波半导体激光器电源的设计与实现信息科学技术学院电子学系99级谭跃

摘要（Abstract）

在频率标准技术领域，随着半导体激光的广泛运用，激光频率标准成为一种更为新兴、更为先进的频率度量尺度。简单来说，就是将激光频率锁定在某一个稳定值（例如，一条原子谱线上），这对激光器本身的稳定性提出了很高的要求。作为激光器本身，其稳定性决定于两个方面：温度控制和注入电流。对激光器精密的控制操作要求这对两个因素具有较强的可控性。那么，提供一个特殊的激光其电流源是我们工作的第一个要点。

同时，激光器中的温度控制和电流控制都需要低温波和低噪声的线性电压源作为能源驱动。事实上，有相当多的可用的电压源已经实现并满足这些指标要求。同时，我们发现，激光器的稳定性更取决于后级的电流控制器。但是，在这些要求上，仍有改进的余地。于此，在这篇文章中，笔者同时描述了由笔者设计并实现的这一种新型电源。

在下文中所描述的，正是笔者所设计的，并获得成功的电路系统。

关键词：

电源电压电流高速精密校正

Abstract:

In the area of the technology of frequency scale, semiconductor diode laser has recently become useful tools. It’s a new and advanced technology to use the laser to be the frequency scale. To lock the laser on some fixed value (e.g., near an atomic resonance line), we need the high-stabilization laser. Since the laser frequency and output power depend on both the diode junction temperature and injection current, stable laser operation requires that these quantities be precisely regulated. Then, to complete a special current controller for the diode lasers is the first point of our job.

Both of the temperature controller and the current controller require the wee-ripple and low-noise voltage power. To achieve the necessary wee ripple and low noise, a number of commercial voltage power devices are available. And we find that the performance limit is usually related to the latter controller. However with regard to voltage power, we found room for improvement. In this article, we as well describe a new power which is answered our needs.

We’ve achieved satisfactory performance with the circuit system described in the following.

Keywords:

Power Supply V oltage Current High speed Sensitive

Regulate

一、引言

一、介绍

作为一种很好的可调、单色激光源，随着其理论的成熟和制造工艺水平的提高，半导体激光器日益成为科学研究领域中的一项强有力的工具。在实际运用中，对激光器的稳定性要求有两类：第一类是光通讯、激光光谱试验等，对频率稳定性要求不高，我们称之为稳频激光器；第二类是精密长度计量和原子、分子超精细能级跃迁等精密测量，这类运用需要测至12位有效数字，精度为10-9nm。通过选择一些具有很高稳定性的谱线精密测量其绝对值，然后使用规定条件，如原子、分子气室的气压、温度、泵浦光的光强、形状等条件，并将激光频率锁于其上，这种具有确定频率值，不确定性可达10-12的稳频激光器我们称之为激光频率标准（简称为光频标）。

北京大学电子学系光电子技术实验室从事激光频率标准的研究与实现，我所制作的电源系统，配合温控、高压线性放大器以及锁相环三次微分电路构成激光频标的主要电路系统。

二、半导体激光器二极管的性质

对注入式半导体激光器，但流经PN结的注入电流超过阈值，型和型材料覆盖层之间的有源区载流子形成反转分布，即导带中拥有电子，而且对应的价带中则流有空穴，到带中的电子向下跃迁至能量低的价带，而发生电子和空穴的复合，发生受激辐射，产生光子，由于谐振腔的反馈作用，使其产生激光。这便是半导体激光器的基本工作原理。

从结构上看，半导体激光器与其他类型的激光器一样，可以看作由工作物质、光谐振腔和提供能量使得粒子数发生反转的泵组成。本实验主要使用的是光频标常用的GaAs-GaAlAs双异质激光器。此种激光器利用半导体晶体的解理面作为反射镜构成谐振腔，靠注入的载流子提供能量，实现电子与空穴的复合，产生受激发射的光子。

从原理上来讲，在工作物质一定的情况下，半导体激光器输出的激光频率应当由谐振腔长度和激励源的强度有关，换句话说，半导体激光器的输出频率取决于：PN结的温度和注入电流的大小。如下图（2.1）所示，可以看出温度和电流对输出的影响：