半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验
脉冲宽度连续可调的LD驱动设计
收稿日期：2020-03-31作者简介：卢唯实（1986-），男，吉林辽源人，本科，工程师，主要研究方向为光学工程；关冉昀（1994-），女，天津市蓟州区人，本科，助理工程师，主要研究方向为光学工程.E-mail ：****************.com激光二极管在脉冲宽度调节方面较传统泵浦激光器有较大优势，在近距离精确测距与激光通信领域应用较为广泛[1]，激光脉冲的宽度会直接影响测距精度与通信速率。
由于激光二极管在脉冲宽度调节方面具备较大的自由度，因此通过调节驱动器参数设置，能够实现不同脉宽的需求。
现在普通的激光器驱动都采用固定参数设置，只能发射固定脉宽的激光信号，通常也只能适配某一型号激光二极管，不具备通用性。
文中参考已有的射频电路实例与现阶段较为先进的高速射频芯片应用，结合激光应用实际，设计出一款脉冲宽度连续可调节的激光器驱动。
通过分析测试数据，验证方案的可行性。
1工作原理半导体激光器工作原理与二极管相似，依靠载流子直接注入工作，具备启动阈值[2]。
当驱动电流超过阈值时，输出激光。
因此可以通过调节脉冲电流宽度实现对激光脉冲宽度的精确控制[3-4]。
由于测距与通信应用的激光脉冲宽度都在纳秒级别，要实现纳秒级别的电脉冲调制，对驱动电路设计带来了较大难度。
现有的LD 驱动电路多采用RC 放电回路设计，其特点是电路结构简单[5-10]。
但是由于RC 回路采用固定的分立元件，无法实现激光脉冲宽度的实时调节。
如陈祚海等设计的高速窄脉冲激光器驱动电·电路与控制·脉冲宽度连续可调的LD 驱动设计卢唯实，关冉昀（中国电子科技集团公司光电研究院，天津300308）摘要：在激光测距与激光通信领域中，由于激光二极管在脉冲宽度调节方面较传统泵浦激光器有较大优势，所以基于LD激光器在近距离精确测距与激光通信领域应用较为广泛。
介绍了一种激光器工作原理，并设计了一款基于LD 的驱动电路，实现了激光脉宽连续调节。
半导体激光器驱动电路设计
半导体激光器驱动电路设计
1、确定参数：首先，根据所采用的半导体激光器进行相应参数的确定，主要包括输入电压、电流以及恒流模块的参数，根据具体的需要可以完成相应的参数确定。
2、结构设计：根据参数确定进行激光器驱动电路的结构设计，结构设计应考虑激光输出能力、负荷及恒流模块的输出的特性，满足激光器输出功率的要求；
3、计算电阻：对于激光驱动电路来说，为保持电流稳定，应据恒流模块的输入电流和输出电压计算电路上的各种电阻值，以便达到设计要求。
4、电路测试：经过上述步骤确定激光驱动电路的参数，在完成电路的组装后应对原装驱动电路进行相应的测量，在测量的时候需要考虑负载的幅值、波形及相位等因素，最后，验证激光输出的功率是否满足设计要求，同时检查电路中各部分是否运行正常。
5、微调激光器参数：最后，产品上线前将对激光器的参数进行微调，确保激光器的输出参数满足所设定的要求，同时可以调节激光的输出功率等参数，以规避在实际使用中出现的误差。
以上就是关于半导体激光器驱动电路设计的介绍，希望对大家有所帮助。
半导体激光器_实验报告
半导体激光器_实验报告【标题】半导体激光器实验报告【摘要】本实验主要通过实际操作和测量，研究半导体激光器的工作原理和性能特点。
通过改变电流和温度等参数，观察激光器的输出功率和波长、发散角度等特性的变化，并分析其与激光器内部结构和材料特性之间的关系。
【引言】半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，在光通信、激光加工、医疗等领域有广泛应用。
了解半导体激光器的工作原理和特性对于深入理解其应用具有重要意义。
【实验内容】1. 实验器材与仪器准备：准备半导体激光器、电源、温度控制器、功率测量仪等实验设备。
2. 实验步骤：a. 连接电源和温度控制器，调节温度至设定值。
b. 调节电流，记录相应的激光器输出功率。
c. 测量激光器的输出波长和发散角度。
d. 分析激光器输出功率、波长和发散角度等特性随电流和温度变化的规律。
【实验结果】1. 实验数据记录：记录不同电流和温度下的激光器输出功率、波长和发散角度数据。
2. 实验结果分析：a. 输出功率与电流和温度的关系。
b. 输出波长与电流和温度的关系。
c. 发散角度与电流和温度的关系。
【讨论】根据实验结果，结合半导体激光器的内部结构和材料特性，讨论激光器输出功率、波长和发散角度等特性与电流和温度的关系。
分析激光器的工作原理和性能特点，并讨论其在实际应用中的优缺点。
【结论】通过实验，我们深入了解了半导体激光器的工作原理和性能特点。
通过调节电流和温度等参数，可以控制激光器的输出功率、波长和发散角度等特性。
半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，但也存在一些限制，如温度敏感性较强。
最后，我们对半导体激光器的应用前景进行了展望。
半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验
半导体激光器LD恒流源调制电路的设计
与实验
概述
半导体激光器（LD）是一种重要的光电器件，广泛应用于通信、医疗和雷达等领域。
恒流源调制电路在LD的驱动中起到关键
作用。
本文将探讨半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验。
设计原理
半导体激光器的工作需要稳定的电流源来实现恒定的激发电流。
恒流源调制电路通过控制输入信号和反馈电路的结构来实现恒流输出。
常见的调制电路设计方法包括共射极电路、共基极电路和共集
极电路。
实验步骤
1. 确定实验所需元器件，包括半导体激光器、恒流源电路、反
馈电路、电源等。
2. 根据实验需求选择合适的调制电路设计方法，如共射极电路。
3. 根据调制电路设计方法，搭建实验电路。
4. 进行实验前的参数调整和校准，确保实验的准确性和稳定性。
5. 施加输入信号并观察输出结果，记录实验数据。
6. 对实验数据进行分析和处理，评估恒流源调制电路的性能。
7. 针对实验结果进行必要的改进和优化，提高恒流源调制电路
的稳定性和效果。
结论
本文探讨了半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验步骤。
恒流源调制电路的设计对于半导体激光器的驱动具有重要意义，能够实现稳定恒流输出。
根据实验结果，可以进行进一步的改进和
优化，提高调制电路的性能和稳定性。
参考文献：
注：以上内容仅供参考，请根据实际需求进行修改和完善。
半导体激光器驱动电路设计
第9卷 第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04科 学 技 术 与 工 程Science T echno logy and Eng i neeringV o l9 N o 21 N ov .2009 2009 Sci T ech Engng通信技术半导体激光器驱动电路设计何成林(中国空空导弹研究院,洛阳471009)摘 要 半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。
根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。
通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。
关键词 激光引信 半导体激光器 窄脉冲中图法分类号 TN 242; 文献标志码A2009年7月14日收到作者简介:何成林(1982 ),男,湖北利川人,助理工程师,硕士,研究方向:激光引信技术,E m ai:l chengli nhe @163.co m 。
激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。
发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。
由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。
而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。
因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。
1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。
图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。
脉冲产生电路以时序信号为输入条件。
根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。
开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。
当激励脉冲到来时,开关器件导通,充电元件通过开关器件和激光器构成的回路图1 驱动电路模型放电,从而达到驱动激光器的目的。
功率稳定可调LD驱动电路的设计
在精密光电检测领域中，光源的微小波动会引起被测量的较大偏移，从而产生较大的测量误差。
如在半导体薄膜特性检测中，常常需要检测薄膜反射比以求解出其它光电学参量。
由于薄膜增长的缓慢（0.1mm 级/秒），反射比变化非常小，在这种情况下，对于光源稳定性的要求非常高，达到0.1%。
稳定光源在光纤测量中像电子电路测试时用振荡器作为信号源一样，要求发出高稳定、光功率可调的光信号。
稳定光源是急待开发的光纤系统测试仪器中的一种重要的基础设备。
国内一些学者对稳定激光光源作了一些研究。
有的设计方法使激光器注入电流稳定，并配合使用温控电路。
这种方法虽然对稳定性有一定提高，但对其它影响因素缺乏考虑，不是一种闭环的控制系统。
有的对光功率的调节只使用模拟的积分调节，由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的，故反映不灵敏，且会使系统稳定裕量下降，超调增大，一般不单独使用。
这种方法的共同步是模拟调节。
本文设计一种对输出光功率进行闭环数字PID调节的激光二极管（LD）驱动电路。
该电路使用高精度14位A/D、D/A转换器，理论上对光功率的0.01%变化均可调节，且驱动电流最小节量<0.01m A，同时可精确设置初始驱动电流（光功率）。
驱动电路设计1 激光二极管封装及参数常见激光二极管封装有两种形式：共阳极与共阴极型（图1 (a)所示）。
LD 和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管封装在一起。
这里，LD采用SANYO655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极（LD的正极与PD（光电二极管）的负极连接在一起）。
LD最大输出光功率为30mW，阈值电流为40mA(25℃),工作电流量大为110mA。
PD的监测电流Im与激光器的输出功率P0在温度不变的情况下成线性关系（图1（b）所示），这为后面控制电路的设计提供了依据。
2 电路原理光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，与单片机内监测电压参考值（在设定功率条件下，监测电流经差分放大后变成的电压量的数字表示）之间作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换及电压-电流（V-I）变换后，成为LD的驱动电路。
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验
半导体激光器LD 脉冲驱动电路的设计与实验进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动 时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热， 因此半导体激光器在脉冲 电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。
在设计半导体激光器的脉冲驱动 电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。
1脉冲电源的仿真在进行脉冲电源仿真时，同样选用的 NI 公司的这款MultisimIO 这款电路仿 真软件。
选用的器件是IRF530,信号源是5V ，占款比为50%，频率为50Hz 的 方波信号源；用电阻 R i代替半导体激光器、且将 R i的阻值设置为 1 Q ,用脉冲电源仿真在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻R i上 的电压进行采样，信号源选取的是输出5V 方波的、频率是50Hz 、占款比是50% 的信号源。
在进行仿真前、将示波器的 A 通道接在电阻R i的两端，对整个电路 的电流信号进行监测。
将示波器的 B通道接在信号源的两端，对信号源的输出MultisimIO 的自带示波器对电阻R i两端的电信号进行测量12V VGCMIL........ X SC1A ETinw ______ • 7訂 _________________ 計旷 ____________________ | Triggr SaihpOTi Diu ::-i■< ■ Suli [TvCi; \ Edgt |T" ijp":电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。
根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻R i两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。
仿真结果显示电阻R i的峰值电压是为1.145V,说明电路的峰值电流也是1.145A。
在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻R i两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。
半导体激光器LD开关电源驱动电路的设计和实验
半导体激光器LD 开关电源驱动电路的设计和实验开关电源相比线性电源它的转换效率高、电能利用率高，但纹波系数较大，本节将讨论半导体激光器在开关电源驱动下特性分析，并设计出一款稳定的半导体激光器的开关电源驱动电路。
首先应从半导体激光器工作特性出发，分析出开关电源驱动半导体激光器所应具备的条件，而结温、结电压、结电流是直接决定半导体激光器的工作特性的参量，因此分析开关电源驱动半导体激光器的特性、实际就是分析在开关电源驱动下半导体激光器结温、结电压、结电流这三者之间的关系。
1 恒流模式下的结温与工作特性研究根据半导体物理学理论，PN 结在小注入条件下的正向电流与电压近似满足下式：0exp qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭很明显，正向电流和PN 结的节电压不是线性关系。
当载流子大注入时即半导体激光器满足载流子反转，开始向外输出激光时的工作条件，PN 结的电流-电压特性将会发生变化，不在遵从电流和PN 结结电压之间的关系式。
因为P 区为阻止空穴的扩散维持电中性，必然建立一个电场，成为自建电场，这样势必使加载在PN 上的结电压有一部分电压加在P 区。
此时PN 结的电流和结电压的关系公式需加以修正：0exp 2qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭()320exp 2g E I f T T kT -⎛⎫= ⎪⎝⎭I ：正向电流；0I ：反向饱和电流；U ：pn 结正向电压；T ：绝对温度；k ：波尔兹曼常数； q ：为基本电荷电量；其中g E 为温度为0K 时的禁带宽度。
又由()K f T T =，函数()T f 含有32T -，这样K 是一个与温度无关的量，当半导体结在恒流状态时，PN 结的结电压和温度的关系如下式：()2g E kT U InK InI q q=--()2dU k InK InI dT q=-- 由上式可得，在恒流模式下结电压与温度是成线性变化的，随着温度的升高结电压是减小。
当工作在恒流模式下时，dU dT 是恒定的，说明半导体工作在横流模式下的输出状态影响因素少，整个工作状态易于控制。
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半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验
进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。
在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。
1 脉冲电源的仿真
在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。
选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。
脉冲电源仿真
在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。
在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。
将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出
电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。
根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。
仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。
在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。
出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。
以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。
根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GS
V的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。
2 脉冲电源的设计
从上面的电路仿真可以看出，脉冲电源的设计主要是脉冲信号源的设计、电路的主体部分还是用IRF530来实现的，通过控制信号源的加载在GS
V的电压来控制流通IRF530的电流。
要调整输出电流信号的频率得通过信号源进行控制。
图 3-25 基于单片机脉冲电源
在信号源的选取上，首先选取了基于单片机STC89C52的脉冲电源的信号源设计，在设计时设定P0.0端口为频率发出端口、P0.1端口为判别端口，整个程序设计采用中断处理函数加延时函数组成。
在电路结构设计很简单、设置了中断、利用中断控制频率发生器是否继续工作。
用单片机作脉冲信号源的好处在于、成本低廉，开发周期短。
不足在于，书写单片机代码的时候，发现单片机作为信号源，其输出的信号的频率和占宽比之间的矛盾较为明显，很难得到频率高的信号源。
为得到较为理想的信号源输出，随后选取了Altera公司性价比较高的MAXII 系列的CPLD产品EPM240T100C5N。
该芯片有240个逻辑单元，等效宏单元是192个，资源比较丰富，内有8Kbit Flash的存储空间；使用的晶振是50MHz 有源晶振，具有低电平复位，各个相邻引脚间的时延在ns级。
而且EPM240T100C5N这款芯片的价格也在20元以内，无论从性能还是价位上讲都是不错的选择。
在基于EPM240的脉冲电源设计中，主要是分频代码的书写。
主时钟的频率是50MHz，一个周期是20ns。
采用不同位数的计数器进行循环计数，就可以得到不同的频率脉冲信号。
在EPM240的代码设计中，采用了verilog语言进行代码设计。
在设计中只使用了EPM240的一个引脚作为信号源的输出。
在进行代码设计时，首先进了如下定义，将clk定为时钟信号、频率是50MHz；rst_n是EPM240的复位信号、低电平有效；clk_div分频信号输出端口。
代码设计的思想是通过改变计数器的位数得到不同的频率的输出。
芯片RTL视图
在代码调试通过后，首先使用quartus ii软件进行RTL视图仿真，从RTL 视图可以看出，当计数器cnt计满两次，clk_div就会有一个周期的时钟变化，通过clk_div输出分频后的信号，从而实现脉冲信号的输出。
芯片时序仿真
如图是芯片EPM240的时序仿真、可以看出得到脉冲信号的周期是640ns。
当改变cnt计数器的位数后，可以得到不通频率的脉冲信号。
很明显、这种设计电路较单片的电路设计要简单，只是对芯片的代码进行一些修改，就可以得到多个端口输出不同频率的信号。