一文看懂半导体脉冲激光器发展！

2022-01-24 10:43

1．2 半导体脉冲激光器在驱动电源性能提升方面的发展

提升半导体脉冲激光器驱动电源特性的方法主要有窄脉冲叠加直流偏置、储能元件的应用、高速开关的级联或阵列、可编程逻辑器件的应用以及器件的选型与布局创新等方法。

1．2．1 窄脉冲叠加直流偏置法

早期，研究人员通过窄脉冲叠加直流偏置的增益开关方法获得了超短脉冲。1997 年，天津大学的黄超等人［20］通过增益开关的方法产生了超短光脉冲，该系统输出的光脉冲宽度达到了 ps 级别，但系统过于复杂，输出功率较低。2000 年，吉林大学的孙伟等人［21］采用窄电流脉冲叠加在直流偏置的增益开关方法使半导体激光器产生皮秒脉冲，通过增大微波功率的方式获得更窄的脉冲，但功耗较高。

对于特定的电脉冲，激光器存在一最佳的直流偏置，若低于此偏置，激光器输出功率降低、脉宽变宽；若高于此偏置，由于弛豫振荡的影响，光脉冲会出现系列子脉冲，导致激光器输出光脉冲失真［21－22］。由此可见，窄脉冲叠加直流偏置法虽然能获得 ps 级别的超短脉冲，但需要在最佳偏置电流情况下才能获得优良特性的光脉冲，有一定的局限性，且功耗高、输出功率低以及系统复杂等问题限制了其发展。

1．2．2 储能元件的应用

1992 年，重庆大学的刘䶮等人［23］采用 NPN－PNP互补隔离法将场效应管的脉冲触发信号压窄，并选取合理的电容容值，根据电容快速充电／放电原理，使激光器输出脉冲光，该驱动电路能得到脉宽为 50 ns、0～20 A 连续可调的驱动电流。2011 年，苏州大学的陈祚海等人［24］选用高频晶体管作为快速开关，采用电容和电感作为储能电路，电容储存能量为 LD 受激输出光脉冲，其调制频率为 52 MHz、脉冲占空比小于 12．5％，输出光功率为 15 mW。

此后，研究人员通过结合直流偏置的方法，对上述技术进行了改进。2011 年，中国科学院上海光学精密机械研究所的杨燕等人［25］采用高速 CMOS 触发脉冲驱动金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），通过控制 MOSFET 的导通关断和电容充电放电产生快速的电压跳变，LD 受激输出脉冲光，其驱动电路主回路如图 4 所示。控制电源 V1、电容和限流电阻的值即可控制脉冲的脉宽与峰值电流。驱动电路中电源 V2 用来提供偏置电流，通过改变偏置电流值达到平滑激光脉冲波形的目的。该驱动电路能得到脉宽为 2．2～4．9 ns、重复频率为 0～50 kHz 和峰值电流为 0～72 A 的电脉冲。因此，通过合理地选择储能元件，能有效提升半导体激光器驱动电路的输出功率，但缺点是脉冲宽度无法连续可调，该驱动电路的电源 V1 需几百伏，功耗高。

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1．2．3 高速开关的级联或阵列

研究人员采取高速开关级联或阵列的方法，有效解决了上述储能元件虽能输出大功率但脉宽不可调的问题。

2005 年，天津工业大学的朱娜等人［26］根据晶体管的雪崩效应，通过两级雪晶体管阵列，获得了脉宽为7 ns、峰值电流为 6 A 的大电流窄脉冲，但此方法的供电电源电压需达到上百伏，功耗大的缺点限制了其发展应用。在此基础上，天津工业大学的刘旭升等人［3］对此行了改进，通过采用多个雪崩晶体管级联的方法，获得了半峰全宽为 1．51 ns、峰值电流为 12．5 A 和重复频率为 100 kHz 的大电流窄脉冲，但供电电源采用400 V 高压直流电源，仍然存在功耗大的问题。

2008 年，中国科学院的张寿棋等人［27］研制了脉宽为 10 ns、峰值电流为 20 A 和重复频率为 1 MHz 的连续可调脉冲，该驱动电路通过双晶体管构成推挽输出，形成常开常闭门对管驱动高速 MOSFET，有效提高了带负载能力，其供电电源电压只需 30 V，解决了大电压、大功耗的问题。为了获得更低功耗的驱动电路，2009 年，NISSINEN J 等人［28］提出了一种 CMOS 电流脉冲发生器，其电路结构图如图 5 所示，该发生器采用0．35 μm 的 CMOS 工艺，由 4 个平行的 n 型金属氧化物半导体晶体管组成，通过缩放驱动缓冲链实现快速切换，获得了脉冲峰值为 1 A、上升时间小于 1 ns 和脉冲宽度为 2．5 ns 的高速电流脉冲。这些步进式控制信号和简单的脉冲整型技术的供电电压低至 5 V，功耗极低。

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为了实现脉宽更窄的光脉冲。2010 年，中国电子科技集团公司第三十四研究所的辛耀平等人［29］将任意波形发生器作为脉冲信号发生源，电路上应用单极差分放大器、源极跟随器和高速电流开关，研制了脉宽小于 2 ns、峰值输出功率 mW 级的高速脉冲激光器。其中，高速电流开关由 4 个双极型三极管与 1 个场效应管组成，通过双极型三极管产生的负电容能近似中和与其级联的三极管的密勒电容，提高了其频率特性，极大缩短了开关时间。但是，电路级联场效应晶体管（FET）数量往往存在限制。2014 年，中国科学院西安光学精密机械研究所的林平等人［30］突破了这一技术难题，将 33 路 GaAs FET 级联设计成整形电脉冲产生电路，用电脉冲直接驱动半导体激光器，可产生脉宽为10 ns、时域调节精度为 330 ps 的任意形状整形激光脉冲。同年，为了实现更大电流的输出，北京大学的陈彦超等人［31］以 MOSFET 为开关器件，将雪崩晶体管作为驱动器，设计了大电流窄脉冲的半导体激光器驱动电路，该电路通过将多个晶体管构成的脉冲发生单元并联，满足了大电流的要求，其中预触发的设计解决了上述并联方式带来的脉宽宽度问题；该驱动电路在供电电压为 195 V 条件下，能产生脉宽为 8．6 ns、脉冲幅值为 124 A 的脉冲电流。针对上述大电压的问题，2019 年，中国科学院的 WEN S 等人［32］提出了将雪崩晶体管作为预开关器件的方法，有效提高了输出功率、减小了脉冲宽度和上升沿，该驱动器实现了小电压供电、大功率输出的功能。