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注入载流子浓度的瞬态变化会造成自发发射光场

2019-06-03 09:25

  半导体激光器自上世纪60年代问世以来,历经半个世纪的发展,由于其一系列突出的优点,如体积小、价格低、转换效率高、易调制、可靠性高、辐射波长范围宽等,在通信、传感、激光加工、医疗等众多领域得到了广泛的应用,成为目前世界上使用量最大的激光器种类。相比于其他类型的激光器而言,半导体激光器具有其自身的一些特点,如腔长较短、品质因子较低、固体增益介质受载流子浓度变化的影响很大;特别是阈值电流附近,注入载流子浓度的瞬态变化会造成自发发射光场相位的波动;以及由于半导体激光器内不完全的粒子数反转所产生的自发发射光子会增加场强的波动,等等;这些特点使得半导体激光器的激光线宽相对较宽,频率受电流和温度等环境因素影响显著,这些特点制约了其在某些精密测试领域中的应用,如精密干涉测量与计量、高分辨率光谱等等。这也使得针对半导体激光器线宽压窄和稳频技术的研究成为热点。

  频率稳定的窄线宽半导体激光器在原子和分子光谱学、激光冷却、光通讯、光传感器、激光干涉、激光拉曼光谱、气体分析和检测等众多领域有着广泛的应用前景。开展半导体激光器稳频和线宽压窄首先需要解决其精密驱动问题,为此,本电路在保持其较小体积的前提下,通过采用专用恒流和恒温控制芯片结合数字控制技术,对半导体激光器的注入电流和工作温度进行实时监测和精密控制,使半导体激光器频率稳定性得到很大的改善,有望在今后半导体激光器线宽压窄和稳频技术中得到应用。

  从工作方式和特性研究可知,激光二极管是一种高功率密度且具有极高量子效率的器件,电流微小的变化将导致激射波长的明显变化和其他器件参数(如输出光功率、噪声性能、模式稳定度等)的变化,同时,激光二极管的PN结受温度影响较大,温度的微小变化将不仅影响到半导体激光器的出射波长、输出功率及阈值电流等特性,还会增大激光输出噪声,甚至影响激光器的正常工作。同时,由于存在较大损耗,激光二极管的一部分电功率会转化为热量,若不采取恒温散热措施,激光器的寿命会大大缩短。基于上述考虑,本文所设计的精密驱动电路主要包括恒流(恒功率)和恒温两大模块,其结构如图1所示。

  设计中,为了使激光二极管工作性能(如工作波长和输出光功率)稳定,要求驱动电路分别能对温度和电流进行精确的监测和控制;而且,为了保证整个驱动电路的安全运行,要求电流控制模块具备过流保护、防止浪涌冲击、延时软启动等功能。此外,为能实现对激光二极管的工作温度和工作电流进行设定和实时监控,电路还设计有以单片机为核心的中心处理模块,由该模块(需带有AD和DA转换功能)实时控制和监测激光二极管各项参数性能,如工作温度、注入电流、光功率等。对激光二极管一类的小型元件进行温度控制,最常用热电制冷器(Ther mal Electric Cooler,简称TEC)。TEC的制作基于帕尔贴效应,即电流流过两种不同导体的界面时,会向外界释放热量或从外界吸收热量的现象。

  根据上述设计方案,进行各器件选型和电路设计。首先是中心控制模块,根据其功率要求,本电路中选用C8051F007,该型号单片机是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU,同时C8051F007是目前单片机中价格相对较低的,而且从其时钟频率和扩展性能来讲,都要好于普通的单片机,且完全可以满足驱动电路数据采集、系统控制等应用的要求。更为重要的是,C8051F007具有如下重要接口:12位多通道AD C、可编程增益放大器和2个12位DAC。

  电路中的恒流控制模块选用鞍山核心电子有限公司的ATLS100MA103。该芯片是一款专为驱动激光二极管的电子芯片,其体积小巧、免散热片,具有超低噪音(2 A)、大电流(100mA)、高精度(0.1%)、高稳定性(100ppm/℃)、全屏蔽等特点。芯片内部包含了限流器、温度传感器、关断和软启动电路、电流传感器及低噪声驱动器,具备软启动功能。满足电路对激光二极管电流控制的要求。

  电路中的恒温控制模块同样选用鞍山核心电子有限公司的产品,型号为TECA1-5V-5V-D。该芯片是专为驱动TEC而设计的一种小款电子芯片,具有体积小巧、零电磁干扰等特点。TECA1-5V-5V-D控制器的温度控制电路是一种基于闭环负反馈原理的温控技术,它通过负反馈减小输出值与设定值之间的偏差,从而达到对温度的实时、精确控制的目的。基于TECA1-5V-5V-D芯片,本文设计了温度控制电路,电路采用+5V供电,理论效率90%,最大输出电流2.5A,温度稳定性可优于0.01℃甚至达到0.001℃。

  为了满足电路在数据采集和控制的要求,单片机C8051F007作为驱动电路数据采集和控制的微处理芯片,可以通过接头连接下载器下载程序,用以控制单片机工作,AD和DA转换接口分别连接电流控制芯片和温度控制芯片,用以设置和监测输出电流和工作温度,单片机可通过串口将所测量的激光二级管参数发送给计算机进行接收和显示。

  电路设计制作完成后,进行实验测试,以验证其工作性能。实验中选用的激光二极管是日本SANYO公司生产的GaAlAs红光激光二极管DL-

  3148-025,中心波长635nm,额定输出功率5mW,阈值电流20mA。结合激光二极管的热传导方式,本文设计了一套温度控制装置,它由紫铜热沉、铝制散热片、导热硅胶、TEC和热敏电阻等组成。如图3所示,激光二极管通过绝缘导热硅胶固定在热沉上面,附着在热沉上的热敏电阻将温度反馈回温控芯片,温控芯片控制TEC对热沉制冷并通过散热便能够间接地实现对激光器的温度控制。通过调节安装在激光二极管前的准直透镜可以改变输出激光的发散角,将整个温控装置安装在光学调整架并放置在稳定的光学平台上,激光二极管、热敏电阻和TEC的导线连接驱动电路。由于电流和温度的控制精度最终反映在激光二极管的频率(或波长)稳定度上,在完成电路的制作及相关参数设定后,即可用该电路驱动激光二极管测试其频率稳定度。

  实验中,激光二极管的波长稳定度采用加拿大EXFO Burleigh公司生产的WA1500型波长计进行测量,其绝对精度可达到0.2×10-3nm。将激光二极管开启预热,待稳定工作后,把激光耦合到波长计中,此时激光二极管输出单模激光,测量其中心波长。当激光器工作于恒温、恒流模式时,其激光频率稳定度取决于驱动电路的性能,因此可以通过测量激光器频率的稳定度反演出驱动电路的性能。以1Hz的频率连续500s测量输出激光的波长,得到的实验结果如图4所示。

  图4中图(a)为测量得到的数据与拟合曲线图,图(b)为对数据处理得到的残差曲线,经过对测量数据的分析可知,500s内,激光波长测量的平均值为637.4nm,均方差为2.4×10-4nm,根据拟合曲线得到激光波长的漂移量为7.2×10-4nm。实验中使用的SANYO公司中心波长为635nm的半导体激光器的波长-电流系数为0.01~0.02nm/mA,波长-温度系数为0.2nm/℃,由此计算得到电路的电流稳定性为1.2~2.4 ×10-2mm,温度稳定性为1.2×10-3℃。

  本文详细介绍了所设计制作的激光二极管数字式驱动电路,本电路以单片机C8051F007为控制核心,结合激光二极管专用恒流控制芯片ATLS100MA103和温度控制芯片TECA1-5V-5V-D,可实现对激光二极管注入电流和工作温度的高精度控制。结合635nm激光二极管的实际测试表明,本电路驱动下的激光二级管输出激光波长稳定度达到了10-4nm量级,折算成电流和温度的稳定性分别为1.2~2.4×10-2mA和1.2×10-3℃。本电路可用于半导体激光器稳频和线宽压窄研究,亦可用于腔衰荡测量系统等。

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