（通信与信息系统专业论文）窄线宽半导体激光器的研究.pdf

摘要近年来半导体激光器快速发展，由于具有很高的可靠性，寿命长，低成本，体积小，性能高等优点，被广泛应用于光纤传感和光通信、雷达等领域。一般半导体激光器的线宽很大达到几百k h z 、相位噪声很高，从而限制了在各个领域的应用。因此窄线宽激光器成为目前研究的热点。要得到功率稳定的窄线宽输出，需要有良好的驱动电路，以及设计良好的结构减少激光器的相位噪声和频率噪声。本文主要致力于激光器功率稳定输出电路和实现激光器窄线宽的研究，并进行了一系列的理论和实验的研究。本文的主要内容如下：( 1 ) 阐述了半导体激光器的发展现状、工作原理，对比了半导体激光器与光纤激光器的特性，总结了半导体激光器实现窄线宽的方法，分析了半导体激光器的工作特性。( 2 ) 分析半导体激光器的温度特性，得出温度对激光器的阈值电流有很大的影响。提出一种温度控制的方法，系统采用专用激光器温度控制芯片l t c l 9 2 3 驱动h 桥式电路，通过控制制冷器电流的方向来控制激光器的温度，为保证温度具有一定的稳定度，在芯片前端对差分信号进行放大。通过比例积分控制电路来控制输出信号，实现对制冷电路的控制。( 3 ) 提出两种激光器功率控制的方法，包括温度补偿法和自动功率控制的方法，两种方法各有其优缺点。并测试了激光器在室温条件下和温度变化条件下的长期稳定度，结果显示激光器的输出功率稳定，能够达到o 1 的稳定度。( 4 ) 提出了一种实现窄线宽半导体激光器的方法一电反馈法。电反馈的方法是采用万相移的光纤光栅作为鉴频器，然后将反馈回来的光信号通过光电探测器转化为电信号，与激光器内部信号比较，得出的差分信号进入环路滤波器反馈到激光器。得到窄线宽的半导体激光器。此方法实现的关键是环路滤波器的设计和鉴频器的选取。为了更好的抑制差分信号上的纹波，实验中采用了三阶无源环路滤波器。鉴频器的选择上对比多种鉴频器，最后选择石相移的光纤光栅经测量将原始线宽o 5 啪的激光器线宽降低到o 0 8 帆。关键词：激光技术功率控制半导体激光器窄线宽相移光栅稳频a b s t r a c ti n 豫c e n ty e a r s ，m es e m i c o n d u c t o rl 嬲e rd “e l o p sr a p i d l y f o ri t sh i g l lr e l i a b i l i t y l o n gl i 佬，l o wc o s t ，s m a l li ns i z e h i g l lp e 响n i l a i l c e ，i t sw i d e l y 璐酣o nt t l eo p t i c a l 纳e rs e n s i n g ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r 她ds oo n g e n e r a l l ys e m i c o n d u c t o rl 弱e rl i n e w i d t hr e a c h e saf e wh u i l d r e dk h za n di t sp h 嬲en o i s ei sv e 秽h i g l l ，w r h i c hl i m i t sa p p l i c a t i o ni na l lf i e l d s s o删u c t i o no fl 嬲e rl i n e w i d t hb e c o m 鹤t h ef o c 岫o f 他s e a r c h t bg e tt h es t a b i ep o w e r 锄dn 姗wl i n e w i d t h ，t l l ed e s i 鲷n e c dh a v cg o o d “v ec i r c u i t ，w e ns t m c t u r e ，锄dr e d u c ep h a s ei s e ，仔e q u e n c yn o i s e t h i sp a p c rm a i n l yd e v o t e st ot h e 他s e 盯c ho f1 勰e rd r i v ec i r c u i t 狮d删wl i n e w i d t h ，s i m u l t 觚e 0 i l s l yc o n d u c t e das 舐韶o f 廿l e o r e t i c a la n de x p 耐m e n t a l北：s e a i c h t h em a i nc o n t c n to ft h i sa f t i c l ei sa si b l l o w s ：l t h ec u 盯e n ts i m a t i 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el o o p6 l t 柚dc h o o s e 万p s g 雒丘嘲u e n c yd i s c r i m i n a t o r n el i n e w i d t ha r e ra d d i n ge l e c t r o n i cf c e d b a c kw 弱o 0 8 姗，w h i c hc o m p 盯c dw i t ht h ei n p u tl a s l i n e w i d t hw 勰r e d u c e ds i 舻i f i c a n t ly k e y w o r d s ：i 弱e rt e c h n o l o 酗p o w c rc o n t r o l ，s e m i c o n d u c t o r l 弱e r s ，n a 盯0 wl i n e w i d t h ，p h 勰es h 讯黟a t i n g ，疗e q u 朗c ys t a b i l i z a t i o n第一章绪论1 1 引言第一章绪论半导体激光器广泛应用于光通信【i 】和光传感领域，由于其有很高的可靠性，使用寿命长、低功耗和小尺寸的优点，对高效能的光传感器系统很有益。但是由于线宽问题的存在【2 】，难以满足其在光传感等领域的要求，因此研究窄线宽的激光器具有十分重要的意义。窄线宽的激光器可以增大通信距离，将会为半导体激光器的发展提供更为广阔的前景。激光器很容易受到周围环境因素和自身的影响，这些影响会导致激光器产生频率不稳定的现象，而且经常随时间的变化而变动【3 】进而影响其线宽。研究窄线宽主要是研究激光器频率的稳定和噪声的降低。若激光器稳频和噪声问题能能够改善，将会为半导体激光器实现窄线宽提供可靠的基础，使半导体激光器有更广阔的应用前景。目前国内外的光纤激光器发展很快，其最窄的线宽比现有的分布式反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c kl 硒d f b ) 的线宽还要小两个数量级，在光通信领域虽然光纤激光器有更窄的线宽，但是由于半导体激光器的体积，功耗，尺寸等各方面都会比光纤激光器有更大的优势，因此窄线宽的半导体激光器有更广泛的应用。1 2 窄线宽半导体激光器的发展现状目前，国内外窄线宽激光器迅速发展，不断出现以各种方法实现的窄线宽激光器，并且线宽不断地在变窄。目前窄线宽的半导体激光器线宽已经达到了k h z 量级，窄线宽的光纤激光器已经达到了h z 量级。1 9 8 2 年c h h e n r v 等人了提出半导体激光器的线宽理论【4 1 。指出半导体激光器的线宽受很多因素的影响，通过改变激光器的腔长、光限制因子和耦合系数等，可以减小激光器的线宽。2 0 世纪八十年代，各研究小组关注的焦点是：通过改变激光器的耦合因子和激光器的腔长来减小激光器的线宽。k y “o u s 小组制作了不同腔长的激光器【5 1 ，测量出不同功率下的线宽，得出线宽与激光器的腔长和功率成反比。1 9 9 2 年h b i s s e s s u r 等人设计了i n g a a s p 应变量子阱d f b 激光器【6 】，通过改变光栅结构来改变激光器的线宽，最终实现了当时均匀光栅d f b 激光器的最窄线宽。2 0 0 6 年，中科院半导体研究所采用闪耀光栅作为反馈原件【7 j ，压窄半导体激光器的线宽。将原始线宽为t h z 的半导体激光器压窄到1 2 m h z ，证实强反馈能够压窄半第章绪论导体激光器的线宽。2 0 0 7 年，继m o k a i 提出了周期调制的光栅结构之后【引，提出了一种新的实现窄线宽的方法，在长为l d 光栅上引入了a 4 相移，k 越大抑制空问烧孔现象越强烈。通过调整腔长l 和k 之比的大小，最后实现了线宽为3 6 k h z 的窄线宽激光器，最小线宽为2 l z ，这是目前线宽最窄的半导体激光器。2 0 0 8 年，m p o u l i n 等人采用降低激光器相位噪声的方法【9 1 ，回顾t e r a x i o n 降低激光器线宽的方法，将主要工作倾注于整合系统于一个小的封装和包含先进性能，如多相位锁存，推动了窄线宽激光器的进一步发展。2 0 0 9 年，r i o 公司采用特有的外腔技术，将光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g )刻在p l c 波导的上面1 1 0 】，专门为长距离、高精度的传感而设计的窄线宽半导体激光器，其线宽已经达到了3 k h z ，与窄线宽光纤激光器比较，这一窄线宽激光器具有很突出的优点，如具有稳定的波导结构，在高振动的情况下，其性能不会发生任何改变。2 0 1 0 年，m m o r i n 等人首次提出窄线宽半导体激光器能够用于安全传感，研究发现窄线宽半导体激光器的性能受制于共振特征等特剧】，对以后的研究具有十分重要的意义。2 0 l1 年，国防科技大学李元栋等人采用l i t h i l 锄外腔结构f 1 2 j 。采用l i 觚锄外腔结构实现了可压窄大功率半导体激光器输出光谱，将原始2 0 w 半导体激光器压窄后，获得了7 8 7w ，以及输出光谱线宽小于o 1 衄的窄线宽输出。国内外窄线宽激光器不断发展，实现窄线宽的方法层出不穷，将为光通信和光传感带来新的突破，因此研究窄线宽半导体激光器具有十分重要的意义，论文中介绍一种通过稳定激光器的频率降低相位噪声的方法，进而减小了激光器的线宽。1 3 窄线宽半导体激光器的实现方法影响激光器线宽因素有很多，如光限制因子、输出光功率、线宽展宽因子、谐振腔损耗和腔内损耗、光栅结构等，可以通过控制这些参数来减小激光器的线宽。在实际的激光器工作过程中，激光器频率和相位的浮动也会对激光器的线宽有很大的影响，因此要得到窄线宽的激光器，需要稳定激光器的频率，减小相位噪声。因此研究激光器的频率稳定有很重要的意义。在近几年国内外的研究中，采用了很多不同的稳频技术，也得到了不同的稳频效果。目日 比较实用的半导体激光器稳频技术主要有直接电控稳频法、光反馈稳频法以及混合技术稳频( 采用电反馈、光反馈相结合的稳频方法) 等。光反馈稳频法主要有原子或分子线稳频法【0 3 郴】、法布罩珀罗( f a b r yp e r o t ，f p ) 腔稳频法【2 0 。2 2 1 、外腔光反馈稳频【2 3 3 i 】等。光反馈稳频法主要是通过将激光器的频率锁定在鉴频器的某一频率上，以此来实现激光器的稳频，一般这种稳频装置都比较复杂，而且非常不易实现，达到的稳定度也不是很高。直接电控稳频【3 2 3 3 】主要是利用微控制器控制激光器的驱动电流，第一章绪论达到激光器频率稳定的目的、或者采用自动功率控制来控制反馈的电流，这项技术的频率稳定度较高，且稳定度的高低取决于使用的高性能的器件，因此有很高的可控性，目前被广泛的应用在各个领域。混合稳频法结构复杂在实际中很少用到，在本文中不做具体介绍。各种稳频技术的基本原理是：将检测出半导体激光器频率的变化量，转化为电流或者电压信号的变化量，反馈到半导体激光器控制其特征参数。1 3 1 原子或分子线稳频原子或分子线稳频利用原子或分子饱和吸收【9 - i i l 特性，将激光器的频率锁定于原子或者分子的饱和吸收峰上，稳定激光器的频率。其基本原理是：对激光器的频率进行调制，用以产生一个误差信号，然后将误差信号反馈到激光器，实现了将激光器的频率稳定在原子或分子的饱和吸收峰【1 5 ，i6 1 ，从而达到稳频的目的。人们利用多种原子和分子以及不同的实验装置结构实现了饱和吸收法稳频。目前，原子或分子饱和吸收稳频法被广泛应用在冷原子【i 7 】实验等各个领域中。图1 1 为典型的原子饱和吸收稳频法的实验装置图【1 8 l9 1 。图1 1 原子饱和吸收稳频实验结构图在图1 1 的实验装置结构中激光器的输出激光经过光纤光栅、隔离器到达耦合器。耦合器将输入的激光分为两束，一束作为激光器稳频系统输出光，另一束作为鉴相器的输入光先进入气体吸收室，当入射激光的振荡的频率与分子吸收谱的饱和吸收峰的频率相等时【2 们，频率为斤的信号输出最大的幅度。由于外界存在干扰，当激光的振荡的频率偏离了分子的饱和吸收峰上的中心频率时，即激光器有一定程度的频率偏移量。在这种情况下，若激光振荡的频率大于饱和吸收峰的中心频率，则光强与调制信号同相位；反之，光强与调制信号反相位。这一频率偏移量由光电探测器( p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r ，p d ) 探测，p d 输出的电信号与信号源输出的电信号石送入锁相放大器比较，得到的误差信号经过高压驱动，作用在压电陶瓷上，光纤光栅在压电陶瓷的伸缩作用下使得命拉格波长发生变化，进而改变了输出激光的频率，达到了稳定激光器频率的目的。第一章绪论实验装置中使用了三次谐波锁定技术，这项技术用基频来，：调制激光频率，与经过3 ，：滤波后的信号一同送入鉴相器，反馈到激光器的恒流驱动部分，通过控制驱动电流的大小来稳定激光器的频率。该实验装置能够达到1 0 。8 的频率稳定度，因此具有较好的频率稳定性。由于实验装置中使用了三次谐波的频率锁定技术，消除了背景功率的影响，提高了饱和吸收光信号的信噪比，大大提高了半导体激光器的频率锁定灵敏度以及长期稳定性。不过这种稳频的方法实验结构比较复杂且短期稳定性不好。1 3 2f p 腔稳频f p 腔具有很高的稳定性和超窄的共振谱线宽度，而且能够满足各个波段激光器稳频的需要，所以采用相位调制光外差( p h 嬲em o d u l a t i o nh e t e r o d ”e ，p d h ) 技术将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率上，p d h 技术可以得到很高的频率稳定性、以及h z 量级或者亚h z 量级的超窄线宽输出。近年来，随着激光冷却技术的发展和应用，国际上许多科研小组进行冷原子、光钟系统和单离子等精密光谱检测的研究。由于冷原子的跃迁谱线的宽度在亚h z 或h z 量级，因此需要探测光为超窄线宽的激光。采用p d h 技术稳频后的激光器能得到谱线宽度在h z 到m h z 量级，因此成为光钟研究和冷原子精密光谱中十分关键的光源。p d h 技术的原理是将激光进行射频电光相位调制，然后利用光谱检测技术和f p腔的共振特性，得到具有良好鉴频特性的色散型谱线【2 略1 1 。鉴频后激光的频率与光学谐振腔共振频率产生的误差信号，反馈到激光器来控制激光器的腔长，进而改变激光器的频率，将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率上。图1 2 为基于p d h 技术和f p 腔稳频的实验原理图田j图1 2 基于p d h 技术和f p 腔稳频的实验原理图f - p一l一电流一光束从图中可以看出激光首先经过作为光隔离器件的声光调制器，选择一级衍射光，再调节二分之一波片，改变激光入射到电光调制器上的偏振方向，使电光调制器对入射的激光产生相位调制。入射到偏振分束棱镜的激光被分成两束，其中一束穿过四分之一波片垂直入射到f p 腔。第一章绪论当激光器出射的激光在f p 腔共振时，反射出来的光经过四分之一波片后由圆偏振变为线偏振，并且方向旋转了9 0 。，经过偏振分束棱镜进入到探测器中。探测器能够将光信号转换为电信号，并且与另一个经过移相后的本振信号一起进入双平衡混频器混频，混频后的光外差信号通过比例积分微分控制器( p r o p o r t i o ni n t e 酉a t i o nd i f 断e n t i a t i o n ，p i d ) 改变其幅频和相频特性，然后进入高压驱动电路控制激光器上的压电陶瓷调节激光器的腔长，将激光频率锁定在f p 腔的共振频率上，从而实现了激光器的稳频。p d h 技术具有很高的灵敏度和信噪比，而且具有很大的调节范围，稳频效果好，能达到l o j o 的频率稳定度。由于f p 腔几乎能适合各种波长的激光系统，所以p d h 技术是一种理想的激光稳频技术，具有实用性。该项技术在实际的操作中也存在着一些制约因素：由于该项技术是将激光器的频率锁定在谐振腔的共振频率上，所以对谐振腔的参数要求较高；外界的震动会对谐振腔产生一定的影响；由于电光相位调制剩余幅度存在，导致正、负一级边带的不对称性，进而造成鉴频曲线中心过零点平移，从而造成锁定后频率的漂移，所以需要对系统进行精密的控制才能获得较高的频率稳定度。1 3 3 外腔稳频法外腔稳频法可以使半导体激光器得到极窄的线宽【2 3 五5 l 和稳定的输出功率。外腔半导体激光器具有结构紧凑、效率高、寿命长、线宽窄、波长调谐范围宽等优点，是较理想的稳频激光光源。目前主要的外腔半导体激光器有闪耀光栅外腔半导体激光器和光纤光栅外腔半导体激光器。图1 3 为一种l i t t r o w 结构的外腔【2 6 1 半导体激光器稳频结构图。图1 3 光栅外腔稳频的原理图激光器的一端镀有增透膜，另一端镀有高反膜。闪耀光栅【2 7 瑚】是外腔光反馈元件，激光器发出的光经过光束校讵准直器，然后进入闪耀光栅发生衍射。系统将一级衍射光再次通过光束校正准直器反馈到激光器中，将零级光作为输出光。在以上条件下，对于闪耀光栅来说，p 既是光束的入射角又是一级光的衍射角。外腔半导体激光器最终输出的模式与闪耀光栅有关。光栅方程为2 d s i n 秒= 朋五在这罩秒为衍射角、朋为衍射级次、d 为光栅常数。可见，由于光栅有很强的色散性，反馈回来的光不再是平行光，是按光谱散丌成一定角度。所以反馈光不能全部反馈回第一章绪论激光器的有源区。这罩通过改变衍射角口，来改变反馈到有源区的光谱成分。当反馈光中存在某一波长与激光器的某一本征模波长相同时，这一本征模与其余本征模之间就会有很大的损耗差，从而导致半导体激光器稳定在这一本征模状态。因此可以利用光栅可对激光器的纵模进行选择和调制，以实现激光器频率的稳定。用这种稳频方法得到的半导体激光器可广泛应用于外差干涉仪【2 9 1 、调频干涉仪、光栅干涉仪等高精度光学测量系统中【如】，具有广阔的应用前景。1 3 4 直接电控稳频技术影响半导体激光器频率稳定度的因素有很多，但最主要的因素是工作温度的漂移和工作电流的变化【3 1 1 。这项技术的关键是检测出频率变化( 误差信号) ，然后转化为电信号。然后用微控制器来控制激光器的温度和驱动电流，进而稳定激光器的频率。一般情况下，通过调节电流的大小来补偿温度对激光器频率造成的影响。所以，直接电控稳频技术在半导体激光器工作的最佳温度下，控制激光器的工作电流以达到稳频的目的。图1 4 为直接电控稳频系统图。图1 4 直接电控稳频系统图对于半导体激光器而言，一般的稳频方法是对其波长进行测量和调节。在这个系统中的调节方法是，当半导体激光器的频率减小时，波长增大，波长测量系统采集到的数据就会增大，可以减小数控电流源的输出电流达到激光器的频率稳定的目的：同上当激光器频率增大时，减小数控电流源的输出电流直到频率稳定。对于一般的半导体激光器，其典型的输出波长与电流的变化关系是o 0 1 n m m a p 2 1 。采用直接电控稳频技术，激光器的频率稳定度可达到6 7 3 l o 。这种稳频方法仍然有提高频率稳定度的潜力，通过控制数控电流源电流可使系统能够达到更高的稳定度。这种采用微控制器控制的稳频系统还可以对半导体激光器以外的各种激光器起到很好的稳频效果，因此应用前景十分广阔。以上的各种半导体激光器稳频的方法，各有不同的优缺点。将激光器的频率锁定在原子或分子的饱和吸收峰上可以获得长期的稳定性，为激光稳频以及提高稳频精度提供了十分重要的依据，但是这种方法短期稳定性不好。将频率锁定在光学谐振腔上可以获得短期的稳定性，而且有广泛的用途，可是长期稳定性不好。外腔稳频法能够获得窄线宽的单纵模，出射的激光光谱线宽较窄，很难保持长期的稳定性。通过电反馈( 调节工作电流) 的方法可以得到较高的频率稳定度，是相对比较简单有效的方法，因此这种方法被广泛的应用。第一章绪论在本篇论文中介绍一种直接电控稳频的方法来减小激光器的线宽，这种电控方法没有采用微控制器，主要是应用自动控制电路来完成，将频率的变化转化为电流信号反馈到激光器的功率控制电路，来实现激光器的频率控制从而减小激光器的线宽。具体方法将在以后的章节介绍。1 4 本文的主要研究内容和工作安排半导体激光器一般有m h z 量级，限制了其在光通信和光传感领域的应用。在本篇论文中设计了功率为1 0 m w ，中心波长为1 5 5 2 5 2 啪的激光器，通过鉴频器将激光器的频率锁定在中心波长处，用低噪声、高电流值的电流源来驱动会产生数百k h z 的自然线宽的半导体激光器，并且使激光线宽降至l 【h z 。对其它的应用而言，保证输出激光的频率在某一特定值的长期稳定性非常重要。实验所选择的鉴频器是一个分子或原子基准线，可以获得数1 0 m h z 精度和数百k h z 稳定性。本文的主要研究内容和工作安排如下：第一章对半导体激光器的发展状况，实现激光器窄线宽的方法，以及对窄线宽激光器的研究现状作了介绍。第二章对半导体激光器的工作原理和工作特性进行研究，包括波长和温度的关系，温度对阈值电流的影响，以及驱动电路和功率的关系，给出了激光器驱动电路的设计方案，并提出了激光器要达到的性能指标。第三章提出了一种半导体激光器温度控制的方法，设计了激光器的温度控制系统，激光器的温度是影响激光器正常工作的关键因素，主要影响着激光器波长和阈值电流的变化。控制激光器的温度稳定度为0 o l o c ，能够实现波长的稳定度为o 1 。达到了设计指标。第四章提出了两种激光器功率控制的方法，包括温度补偿法和自动功率控制的方法，两种方法各有其优缺点。并测试了激光器在室温条件下和温度变化条件下的长期稳定度，结果显示激光器的输出功率十分稳定，能够达到o 1 的稳定度。第五章提出了一种实现窄线宽半导体激光器的方法一电反馈法。此方法实现的关键是环路滤波器的设计和鉴频器的选取。为了更好的抑制差分信号上的纹波，试验中采用了三阶无源环路滤波器；在鉴频器的选择上通过对比多种鉴频器，最后选择万相移的光纤光栅。经测量得到激光器的线宽为o 0 8 吣，相比较没有加入电反馈电路的激光线宽有了明显的降低。1 5 本论文的主要创新点本文通过分析半导体激光器的功率特性和温度特性，选取合适的鉴频器采用电反馈的方法减小了激光器的线宽，主要有以下几点创新点：- 7 第一章绪论( 1 ) 提出了两种功率控制的方法：温度补偿法，自动功率控制法。分别给出了两种控制法的控制电路，分析了两种控制方法的原理，以及电路控制的优缺点。对自动功率控制系统的电路进行了调试，并对整个电路的运行情况作了实验分析，得出激光器在长时问的温度变化的环境中能够稳定的工作，稳定度达到o 1 。( 2 ) 选取万相移光纤布拉格光栅作为鉴频器，降低激光器的相位噪声，稳定了激光器的输出中心波长。对于鉴频器的选取，对比了相移啁啾光栅、相移光纤布拉格光栅和高精度光纤滤波器的特性，最后确定特性良好的相移光纤和拉格光栅。( 3 ) 提出了一种减小激光器线宽的方法电反馈法，从鉴频器出来的信号通过环路滤波器反馈到激光器，补偿光频浮动，提高了激光器的频率稳定度。实验中采用三阶无源滤波器作为环路滤波器来抑制差分信号上的纹波，得到了功率稳定的激光器输出线宽为0 0 8 n m 。第_ 二章半导体激光器的i ：作原理和特性分析第二章半导体激光器的工作原理和特性分析2 1 半导体激光器的工作原理和分类2 1 1 半导体激光器的工作原理半导体激光器顾名思义其工作介质主要是由半导体材料构成的p n 结，通过外加的激励使激光器工作。激光器的激励方式可以分为三种，主要是注入驱动电流，光泵浦和高能量的电子束激励。在实际的应用中主要采用的是注入驱动电流的方式，在p n 结上加正向的驱动电压，p n 结受激辐射，从而发射出激光。如图2 1 所示双异质结的半导体激光器由p 型和n 型半导体材料加上一个有源层构成，这种结构减小了激光器的工作电流。而且实现了两种功能：第一种实现了光波导的功能，由于包层的折射率小于有源层的折射率，所以光在传播的过程中会发生全反射，因此传输的光都被限制在有源层内【3 3 】。另一种功能是限制了载流子。在p n结两端加正向电压时，不同的结区材料导致带隙差产生抑制结势垒。因此注入到有源层的空穴和电子就不能扩散，从而被限制。在这种情况下更容易实现粒子数反转，只要有较小的电流就会有很高的空穴和电子浓度。从而达到很高的放大条件。2 1 2 半导体激光器的分类有面图2 1 半导体激光器的结构示意图继第一台红宝石激光器后半导体激光器的种类很多，按照增益介质的物质状念划分，可以分为固体激光器、液体激光器、气体激光器。每一种激光器都有不同的特点，由于气体的单色性很强而且气体的种类繁多，所以可以产生很多种不同频率的激光。但是也存在一定的缺点，气体的密度低只能输出很小的功率。相反固体激光器可以输出很大的功率，但其单色性差。液体激光器的波长可以在一定的范围内连续的变化，常用在对波长要求很高的场合，因此可以根据不同的要求选择不同材质的激光器。第二章、卜导体激光器的i ：作原理和特性分析半导体激光器按照其结构划分主要有：同质结激光器、异质结激光器、分别限制异质结( s 印a r a t ec o n f i n e m e n th e t e r o s t l l l c t l 玳，s c h ) 激光器、f p 腔激光器、d f b 激光器等。由于d f b 激光器有其独特的优势，在论文中使用了这种激光器，下一节对d f b 激光器的特点做了具体介绍。2 1 3d f b 激光器介绍这种多量子阱的d f b 激光器主要应用于速率为2 5 g b s 的密集波分复用系统( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n 舀d w d m ) ，在没有信号放大的情况下传输的距离长达l o o k m 。这一模块采用高性能的光耦合系统，耦合激光器的输出是采用一个内置的光隔离器通过一个单纵模光缆输出。按照i t u t t 标准选取波长系列，在设计中选取了经常用到的中心波长为1 5 5 2 5 2 姗的激光器。蝶形封装的激光器模块图2 1 所示，谚? t 图2 2 激光器模块蝶形封装实验中采用的d f b 激光器，其基本特征如下：1 ) 内置制冷器( t i l e m oe l e 嘶cc 0 0 1 t e c ) ，p d ，热敏电阻( n e g a t i v et 锄p e r a l u r ec o e 伍c i 明t ，n t c ) ；2 ) 直接调制的多量子阱d f b 激光器；3 ) 1 4 引脚的蝶形封装模块：4 ) 低啁啾量；5 ) 优化的2 5 g b s 的调制率；6 ) 根据i t u t t 标准选取的波长。激光器模块内部结构如图2 2 所示。可以很明显的看出激光器模块内部结构的连接方式，内置热敏电阻、t e c 和p d 。p d 只有在反偏时才能作为光电探测器使用，内簧的t e c 为负温度系数，在温度升高时电阻降低，相反在温度降低时电阻升高。第二章y 导体激光器的i ：作原理和特性分析图2 3 激光器模块儿的内部结构2 2 半导体激光器和光纤激光器的对比光纤激光器的结构如图2 4 所示，它与一般的激光器结构大体相同。主要由谐振腔、泵浦源和增益介质组成。光纤激光器的增益介质是掺杂光纤，谐振腔是由两个经过特殊选择的反射镜构成，从反射镜l 耦合进入光纤，从反射镜2 耦合输出。光纤激光器在某种角度上相当于一个波长转换器，主要是将泵浦光的波长转化为所需要的输出激光波长。反射镜1泵浦光_ | 卜反射镜2图2 4 光纤激光器的结构未转换的泵浦光+输出光与2 1 节的半导体激光器对比可以看出，它们的区别主要在于发射激光采用不同的介质材料。半导体激光器采用半导体材料作为增益介质，如砷化镓、铟镓砷等；而光纤激光器采用掺杂光纤做增益介质。由于半导体激光器采用半导体作为增益介质，所以可以直接采用电激励，可以直接电光转换。但是光纤激光器却不能，它实现的是光光转换。从图2 1 和图2 4 两种激光器的结构可以了解光纤激光器体积大，因此半导体激光器被广泛的应用于很多领域。2 3 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性直接影响着半导体激光器能否正常工作，只有合理的分第二章小导体激光器的i ：作原理和特性分析析其特性，才能合理的设计其驱动电路，影响半导体激光器的特性主要有波长、温度和功率，在这里对这几个特性做具体且详细的分析。2 3 1 半导体激光器温度和波长的关系外界环境温度的变化不仅会影响阈值电流的大小也会对波长产生很大的影响，而波长稳定度是激光器正常工作的关键之一。如图2 5 所示随着温度的升高激光器的中心波长会增加，只要温度保持不变就能控制激光器的中心波长不变，且温度和波长的关系可表示为下式五= 0 1 丁( 2 1 )1 5 5 3l出辎1 5 5 2i o2 03 0柏图2 5 温度和波长的关系可以看出在保证温度的稳定度在o o l o c 的情况下，能够实现波长的稳定度为0 1 ，在系统的设计中不考虑波长的控制，将波长的控制转化成温度的控制，进一步实现了系统的可控性。2 3 2 半导体激光器功率与电流和温度的关系半导体激光器有这样的特性，当激光器的驱动电流大于激光器的阈值电流时，才能使有源区的载流子处于反转的状态，从而发射出激光。然而阈值电流的大小与温度有关，当温度升高时，阈值电流增加，也就出现了功率电流p i 特性曲线随着温度的升高向右平移的现象。实验所用的激光器为富士通1 0 m w 的d f b 激光器，其p i 特性曲线【3 5 】如图2 6 所示，在某一特定温度下激光器的功率和电流是线性关系，在同一温度下当电流i 小于某个值( 阈值电流) 的时候激光器不工作，输出功率为零。当电流i 大于这个值( 阈值电流)时，激光器的功率随着电流的增加不断地增大。所以理想情况下，在某一特定的温度范围内，只要提供给激光器恒定的电流，激光器就能有恒定的功率输出。图2 6 可以看出随着温度的增加阈值电流增加【3 6 1 ，p i 特性曲线向右漂移，但是其线性关系基本保持不变。实验所用半导体激光器的功率和电流的关系如下式所示第二章、卜导体激光器的i ：作原理和特性分析尸= 七( ，一厶( 丁) )( 2 2 )七为电流和功率特性曲线的斜率，实验所用激光器的七值为o 1 4 。厶( 丁) 为某一特定温度下的闽值电流，2 5 0 c 时为1 6 m a 。影响激光器阈值电流的因素有很多，主要包括器件的结构、材料和温度。但是前面两个因素主要是由于激光器模块的制作工艺决定的，所以不做详细的介绍。由图2 6 可以看出光功率受电流和温度两个因素的影响，随着电流的增加光功率不断地增加，温度对半导体激光器的影响是：当温度升高时半导体激光器的阈值电流增加，导致同一驱动电流下输出功率减小。温度对阈值电流影响的幅度是由激光器的材料和结构决定的，通过实验证实激光器阈值电流与温度的关系式( 2 3 ) 【3 5 】2 01 61 2g试84oo3 06 09 01 2 01 5 0呲a图2 6 半导体激光器的p i 特性曲线们m ( 秘c x p ( 等)( 2 3 )l ( 巧) 为室温下阈值电流，瓦为半导体激光器的特征温度，这罩是6 5 k 。特征温度乃表征了半导体激光器受温度影响变化的特性，不同材料的半导体激光器对温度的敏感性也有很大的差别。2 4 系统方案设计通过对半导体激光器特性的分析，设计了功率稳定输出的激光器控制系统：( 1 ) 能够对温度进行控制，这罩采用了专有的激光器温度控制芯片l t c l 9 2 3 。应用具有负温度系数的热敏电阻对温度进行采样，通过l t c l 9 2 3 芯片驱动h 桥式电路，产生p w m 信号控制t e c ( 制冷器) 电流方向，进而对激光器制冷或者加热；( 2 ) 采用自动功率控制电路保证激光器功率稳定输出，方法是通过p d 对激光器的功率进行采样，将功率的变化转化为电流的变化。控制激光器的输入电流，自动调第二章仁导体激光器的i ：作原理和特性分析节功率的变化；( 3 ) 为了保护激光器不受损害，该系统加入了过流、过压和过热保护。图2 7 驱动源系统设计框图系统的整体设计方案如图2 7 所示，功率控制部分实现激光器功率的稳定输出，温度控制部分保证激光器在一定的温度范围能正常工作，各部分电路的实现方法在第三四章具体介绍。2 5 半导体激光器的性能指标近年来半导体激光器已经被人们广泛应用于光通信，雷达和光传感等领域，因此对其性能的要求也越来越高。目前激光器要求的性能指标如下：( 1 ) 功率稳定度已经优于0 1 ；( 2 ) 温度控制能够达到o 0 l 。c ；( 3 ) 波长的稳定度0 1 。为了达到以上的技术指标，整个系统的控制从电路设计到元器件的选择都要有很高的要求。为了满足激光器体积小这一要求，选择了小封装的芯片。电路的设计中没有采用微控制芯片，降低了电路设计的复杂度，不需要软件编程，直接的电路控制就能达到所需要的性能指标。2 6 本章小结本章主要介绍了半导体激光器的工作原理、组成结构，并与光纤激光器的结构和性能做了比较，可以看出半导体激光器有更广泛的应用领域。分析了实验所用d f b激光器的p i 、温度、波长等特性，根据这些特性提出了激光器驱动电路的设计方案。最后根据当今半导体激光器的发展趋势，给出了激光器应该达到的性能指标。第二章? 卜导体激光器温度控制系统第三章半导体激光器温度控制系统半导体激光器的运行和驱动电路有着密切的关系，静电以及浪涌等因素影响着半导体激光器的j 下常工作，由于电流和温度的变化是决定激光器输出的主要因素，因此在驱动电路部分要控制好电流和温度才能使激光器有稳定的光功率输出。在温度不变的情况下，只要能保证有恒定的电流进入激光器就能实现激光器的稳定功率输出。由于温度具有鲁棒性【3 6 】，很难控制。也成为一直以来人们研究的热点，在本篇论文中采用了专有的激光器温度控制芯片l t c l 9 2 3 实现了温度控制稳定度为0 0 1 0 c 。3 1 半导体激光器温度控制的系统设计由第二章对激光器的特性分析可知要保证激光器有稳定的光功率输出，必须要有性能稳定的温度控制电路，保证温度有很小的变化。系统中温控电路采用激光器的专用温度控制芯片l t c l 9 2 3 驱动h 桥式电路产生不同方向的电流控制制冷器p ”7 j 的制冷或者加热。温度控制系统框图如图3 1 所示。采用n t c 测量激光器模块周围的温度，与系统设置的参考值比较【3 8 】。通过比较放大后，经过一个专门用于t e c 的脉冲宽度调制芯片，控制t e c 的制冷或者加热。图3 1 温度控制框图n t c 为阻值1 0 k 的负温度系数的热敏电阻，特征是随着温度的升高电阻值逐渐减小。可以通过对比电阻两端的电压判断激光器的实时温度，n t c 温度和阻值的对应表如3 1 所示。表中仅列出了一定温度范围内的部分阻值供参考。表3 1 温度和阻值对应表温度( o c )1 02 02 53 03 54 04 55 0阻值( k )2 01 2 5l o86 55 34 43 6第二章? 卜导体激光器温度控制系统3 2 温度恒定控制电路3 2 1 比较放大电路比较放大电路部分主要是对设置值和测量值比较之后的差分信号放大。由于激光器的各方面要求很高，因此系统选择高精度的仪表放大器l t c 2 0 5 3 ，这种芯片主要用于高分辨率的数据采集，医疗器械，热电偶放大等领域。如图3 2 为l t c 2 0 5 3 的管脚图。图3 2l t c 2 0 5 3 管脚图，= g 么肼( 一删一) + k 唧( 3 1 )l t c 2 0 5 3 采用电荷平衡采样数据技术，将差分输入电压转换为一个单一的结束信号( 通过零漂移操作放大器按顺序放大之后的信号) 。差分输入操作满幅值，单一的结束信号输出波动满幅值。l t c 2 0 5 3 用于单电供应时为2 7 v ，也能用在双电供应5 5 v 。比较放大器的差分输入电压由温度设定值与n t c 采样值之差决定，而温度控制电路就是要减小这一差值，从而精确地控制温度。整个控制的过程是一个动态过程，理论上讲，当电路达到控制的平衡点时，设置值与测量值应该相等，实际上这个差值不能完全的消除，只能达到一个动态的平衡，这个平衡点保证差值尽量小，这是就会有较高的控制精度。如图3 3 所示比较放大器的放大倍数主要由r 7 和r 9 决定，c n t r l 端的输出电压如式( 3 2 ) 所示圪为差分输入电压。放大后的电压经c n t r l 端送入l t c l 9 2 3 芯片通过判断数值的大小来控制电路制冷或者加热。v s e t 端是由l t c l 9 2 3 管脚v r e f 提供，用于温度传感部分分压网络设置参考电压，v s e t 的电压值为2 5 v 。p，7 = 一+ 詈( 一一屹)( 3 2 )第二章、卜导体激光器温度控制系统3 2 2 温度控制图3 3 比较放大器外围电路温度差分信号经过l t c 2 0 5 3 比较放大后需要经过一定的处理，通过p w m 来控制t e c 电流的方向。在本文中系统采用了l t c l 9 2 3 温度控制芯片，通过比例积分控制，芯片内部自动调节输出信号驱动h 桥式电路。l t c l 9 2 3 的外围部分电路如图3 4所示图3 4l t c l 9 2 3