大功率窄脈沖半導(dǎo)體激光光源等效電路參數(shù)研究

辛德勝，張劍家，程勇杰

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130022)

0 引言

大功率窄脈沖半導(dǎo)體激光光源由脈沖激光器、激光器驅(qū)動(dòng)源及光學(xué)準(zhǔn)直整形系統(tǒng)3 部分組成。在實(shí)際應(yīng)用中，窄脈沖激光光源若采用單管芯半導(dǎo)體激光器其輸出功率較小。因此，需采用多個(gè)管芯組合發(fā)光才能實(shí)現(xiàn)大功率激光輸出。而多管芯激光器的組合大幅度地增加了窄脈沖半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配工藝、激光器驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)及光學(xué)設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。

大功率窄脈沖激光光源在激光引信、激光測距激光雷達(dá)、選通成像等軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［1-3］。特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中，為提高武器裝備的抗干擾等性能對光脈沖的上升時(shí)間及寬度提出了更高的要求。而光脈沖的技術(shù)參數(shù)與多管芯組合結(jié)構(gòu)、裝配工藝及半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)源的性能有關(guān)。半導(dǎo)體激光器作為驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載，其特性參數(shù)是窄脈沖激光器驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，首先要建立半導(dǎo)體激光器等效電路模型并提取其等效電路參數(shù)。半導(dǎo)體激光器等效電路參數(shù)的提取方法主要有:速率方程計(jì)算法和外特性測量法，這兩種方法提取激光器等效電路參數(shù)的過程很麻煩。在多管芯半導(dǎo)體激光器組合結(jié)構(gòu)情況下，對其等效電路的參數(shù)提取就更為復(fù)雜。傳統(tǒng)的等效電路參數(shù)提取方法，通常采用試湊算法。首先，根據(jù)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與物理特性進(jìn)行第一次估計(jì)，然后計(jì)算模型的阻抗特性和頻率響應(yīng)特性。將計(jì)算值與測量值比較后，再進(jìn)行電路模型的參數(shù)調(diào)整，反復(fù)進(jìn)行此過程，直至測量值與計(jì)算值在允許的誤差范圍內(nèi)。外特性測量法不必知道半導(dǎo)體激光器芯片詳細(xì)的結(jié)構(gòu)特性及其材料的物理光學(xué)特性，比速率方程計(jì)算法相對簡單。

本文在利用半導(dǎo)體激光器的外特性(包括V-I特性，端口小信號微波阻抗特性及小信號頻率響應(yīng)等)提取半導(dǎo)體激光器的等效電路模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，給出了一種更為實(shí)用簡便的等效電路波形參數(shù)的提取方法。并據(jù)此，設(shè)計(jì)制作了半導(dǎo)體激光器板載結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 半導(dǎo)體激光器等效電路參數(shù)提取

1.1 速率方程計(jì)算法

半導(dǎo)體激光器的大多數(shù)工作特性和物理參數(shù)都可以由速率方程來描述，即通過建立激光器中載流子、光子和注入電流相互作用的關(guān)系，在多個(gè)假設(shè)條件下對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行分析?？紤]到各種引起載流子數(shù)和光子數(shù)變化的因素后，根據(jù)半導(dǎo)體激光器的單模速率方程［4］

式中:IA為注入電流;α 為電子電荷q 和有源區(qū)體積vact的乘積;S 和N 分別為有源區(qū)光子密度和載流子密度;τn、τp分別為載流子壽命和光子壽命;增益系數(shù)g(N)=g0(N-N0)，N0為透明載流子密度;Γ 為光限制因子;ε 為增益壓縮因子;β 為自發(fā)輻射系數(shù)。

引入經(jīng)典的Shockley 關(guān)系式

式中:Ne為平衡態(tài)少數(shù)載流子密度;η 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);Vj為結(jié)電壓;熱電壓VT=KT/q，T 為開氏溫度。

假設(shè)Vph=vactSVT，并將(3)式分別代入(1)式、(2)式中可得

式中:Ispon、Istim分別表示自發(fā)復(fù)合電流和激勵(lì)發(fā)射電流;等效電阻Rph=VTτp/q，等效電容Cph=q/VT.

(4)式和(5)式分別描述了半導(dǎo)體激光器的電學(xué)回路和光學(xué)回路，代入相關(guān)模型的參數(shù)可構(gòu)造出半導(dǎo)體激光器的等效電路，如圖1所示。其中，Cc、Rc是芯片的寄生參數(shù);Cp、Lp、Rp為封裝過程中寄生網(wǎng)絡(luò)中熱沉和金絲的等效電路元件;Cd代表有源區(qū)的空間電荷電容。

圖1 半導(dǎo)體激光器等效電路Fig.1 The equivalent circuit of the laser diode

1.2 外特性測量法

采用速率方程討論半導(dǎo)體激光器的工作特性，這種方法必須首先知道半導(dǎo)體激光器芯片詳細(xì)的結(jié)構(gòu)特性及其材料的物理光學(xué)特性。由于，模型包含的參量較多模型參數(shù)又隨其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的不同產(chǎn)生很大變化，而且模擬結(jié)果對模型的參數(shù)變化反應(yīng)明顯，使參數(shù)的確定十分復(fù)雜。若在多個(gè)激光器組合封裝的情況下，這種方法就難以實(shí)現(xiàn)了。而采用外特性測量法是行之有效的方法之一。

通過半導(dǎo)體激光器的外特性(包括V-I 特性，端口小信號微波阻抗特性及小信號頻率響應(yīng)等)的測量及計(jì)算，就能夠提取半導(dǎo)體激光器芯片的等效電路模型參數(shù)［5］。圖2為Katz 提出的小信號等效電路模型，其中寄生參量LP、CP、RP分別表示引線電感，寄生電容和接觸電阻;C1、R1、LS、R2為有源區(qū)參量。通過測量儀器可直接測量激光器的外端口V-I特性、小信號頻率響應(yīng)F(jw)及端口微波反射系數(shù)S，從而計(jì)算出圖2中各元件的參數(shù)，已知所選用的激光器的閾值電流Ith為600 mA，當(dāng)保持激光器的閾值電流不變，則激光二極管兩端的結(jié)電壓為固定值Vth.所以多次測量端口的V-I 曲線后擬合優(yōu)化即可得到接觸電阻RP.

圖2 等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model

通過反射系數(shù)S 與被測半導(dǎo)體激光器阻抗的關(guān)系，且半導(dǎo)體激光器的電壓與電流滿足歐姆定律，故有

式中:Ui和Ur分別為入射波電壓和反射波電壓;Zi為輸入阻抗;ZC為引線阻抗。

于是反射系數(shù)為

式中，Zni為歸一化的輸入阻抗。

由于閾值以上的有源區(qū)小信號輸入阻抗近似為0，因而在考慮半導(dǎo)體激光器閾值以上端口特性時(shí)，有源區(qū)可視作短路，其等效電路如圖3所示。

采用HP8720D 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)準(zhǔn)寬帶光探測模塊擬合測量得到的閾值以上端口反射系數(shù)S，即可確定寄生參量Cp、Lp.其中閾值以上半導(dǎo)體激光器的阻抗特性表達(dá)式為

圖3 閾值以上的阻抗特性等效電路模型Fig.3 The equivalent circuit model of the impedance characteristic when above the threshold

當(dāng)半導(dǎo)體激光器在零偏時(shí)R1和R2均趨于∞，此時(shí)有源區(qū)的空間電荷電容CSC=C0，其等效電路如圖4所示。利用之前的結(jié)果并擬合測量得到的閾值以上端口反射系數(shù)S 即可確定零偏電容C0，其中零偏時(shí)半導(dǎo)體激光器的阻抗特性表達(dá)式為

圖4 零偏時(shí)小信號等效電路模型Fig.4 The equivalent circuit model of the small signal when zero partial

此外，選用的半導(dǎo)體激光器的最大偏置電流為22 A，所以分別設(shè)置不同的偏置電流，并對激光器端口反射系數(shù)S 進(jìn)行測量。發(fā)現(xiàn)不同的偏置電流測得的發(fā)射系數(shù)幾乎重合，利用在偏置電流Ibias=15 A時(shí)測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 偏置電流Ibias =15 A 的反射系數(shù)測量值Fig.5 Measured values of the reflection coefficient when biasing circuit Ibias =15 A

通過計(jì)算機(jī)軟件最小二乘法曲線擬合及(8)式和(9)式，即可得到電路中其余的元件值。針對封裝后半導(dǎo)體激光器的寄生參數(shù)進(jìn)行提取，其寄生參數(shù)如表1所示［6］，而對有源區(qū)參量值不做過多討論。

表1 寄生參數(shù)表Tab.1 Parasitic parameters

1.3 簡捷外特性測量法

外特性測量法能夠在不知道半導(dǎo)體激光器的材料及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，對半導(dǎo)體激光器的寄生參數(shù)進(jìn)行提取。但是，對激光器端口反射系數(shù)S 的測量還是很麻煩。簡捷外特性測量法是在實(shí)物電路系統(tǒng)參數(shù)測量的基礎(chǔ)上，利用Pspice 仿真軟件經(jīng)多次參數(shù)擬合來獲得半導(dǎo)體激光器的寄生參數(shù)。用示波器測量驅(qū)動(dòng)電路下取樣電阻的峰值電流、脈沖寬度和上升沿時(shí)間，對圖6單管芯等效電路圖進(jìn)行仿真分析。

圖6 單管芯等效電路圖Fig.6 The equivalent circuit of single chip

在Pspice 仿真過程中，通過改變寄生參數(shù)L1、RV1、CV1的取值逐次逼近到與示波器觀測結(jié)果相同的峰值電流、脈沖寬度和上升沿時(shí)間，最終確定寄生參數(shù)L1、R1、C1的數(shù)值［7］。

為了準(zhǔn)確觀測激光器等效電容C1對發(fā)射系統(tǒng)的影響，在Pspice 仿真軟件中，假定寄生電感L1和等效電阻R1的值不變，將等效電容C1的值以單位步長為20 nF 在0～200 nF 的區(qū)間內(nèi)改變時(shí)，發(fā)射電路系統(tǒng)中的取樣電流波形變化，觀測到C1值的改變對半導(dǎo)體激光器幾乎沒有影響，為明顯起見，圖7給出了C1從100 nF 到180 nF 時(shí)，流過激光二極管的電流曲線。

圖7 改變電容C1 的仿真波形Fig.7 Simulating waves when change the capacitance C1

采用相同方法，通過Pspice 仿真分析的結(jié)果表明:寄生參數(shù)L1值對激光驅(qū)動(dòng)電流的上升速度影響很大;寄生參數(shù)R1值影響激光的峰值電流［8］。因此，重點(diǎn)開展對寄生參數(shù)L1值的提取研究。

假定C1和R1值固定，根據(jù)電感的電壓表達(dá)式為所以若電感L1兩端的電位分別為V1和V2，則為

對于已封裝的半導(dǎo)體激光器通過外部測量獲得V1、V2值。經(jīng)Pspice 仿真分析，計(jì)算得到的L 值。提取的半導(dǎo)體激光器等效電路參數(shù)與表1給出的等效電路參數(shù)相吻合。

2 驅(qū)動(dòng)源優(yōu)化設(shè)計(jì)

窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)源原理框圖見圖8.

圖8 高功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)源原理框圖Fig.8 The functional block diagramof the drive source of the high-power laser diode

驅(qū)動(dòng)源由直流穩(wěn)壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、調(diào)制信號源、推動(dòng)電路及執(zhí)行級電路組成。采用電容高壓儲(chǔ)能放電式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路原理圖如圖9所示。

電容儲(chǔ)能式驅(qū)動(dòng)電路的等效電路如圖10 所示。其中R1為充電限流電阻，R2為脈沖電流限流電阻，C1為儲(chǔ)能電容，VH為輸入高壓，D1為鉗位二極管，LD 為半導(dǎo)體激光器，K 為控制開關(guān)。

圖9 高壓窄脈沖LD 驅(qū)動(dòng)源電路原理圖Fig.9 The principle diagram of the drive source of the LD with the high-voltage and narrow-pulse

圖10 電容儲(chǔ)能式結(jié)構(gòu)等效電路Fig.10 The equivalent circuit of capacitance energy storage type structure

由于采用以上驅(qū)動(dòng)方式，該半導(dǎo)體脈沖激光驅(qū)動(dòng)電路可以通過改變VH、R1、C1、R2等參數(shù)方便地調(diào)整輸出脈沖激光的峰值功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率。VH的電壓越高、C1電容越大、R2電阻越小，則電流驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng);C1電容越小、R2電阻越小，則驅(qū)動(dòng)脈沖寬度越窄;R1電阻越小，則可實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)脈沖重復(fù)頻率越高。為了實(shí)現(xiàn)高速大功率驅(qū)動(dòng)，除了選用高速大功率MOSFET 管，還必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的高速開關(guān)控制電路，它是決定整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路性能的關(guān)鍵因素。在開關(guān)電路中，影響開關(guān)性能的主要因素是開關(guān)電路的電阻、電感和電容。為了模擬半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)源功率器件的實(shí)際工作狀態(tài)，計(jì)算機(jī)仿真只建立功率器件的電學(xué)模型是不夠的，應(yīng)建立包含熱學(xué)模型在內(nèi)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)模型，只有這樣才能真正地反映功率器件的實(shí)際工作狀態(tài)［9-10］。

驅(qū)動(dòng)源電路設(shè)計(jì)是根據(jù)激光器驅(qū)動(dòng)源電路的基本原理和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)源電路。這樣的電路經(jīng)過反復(fù)修正可以得到滿足給定性能指標(biāo)要求，但由于這種設(shè)計(jì)是一種估算與試探結(jié)合的方法，所得的結(jié)果并不精確，只是從某種意義上來說滿足了需求，所以為了使得驅(qū)動(dòng)源電路設(shè)計(jì)更加接近給定性能指標(biāo)的要求，還必須對整個(gè)電路進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。

利用OrCAD 進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)激光器驅(qū)動(dòng)源的各主要模塊的技術(shù)指標(biāo)在最優(yōu)或接近最優(yōu)的情況下獲得該電路的一組最優(yōu)參數(shù)，并同時(shí)滿足其他各項(xiàng)性能指標(biāo)。然后，依據(jù)激光器負(fù)載特性參數(shù)對整個(gè)電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)分析。再設(shè)置可調(diào)整的電路元件參數(shù)、待優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)和約束條件等參數(shù)，啟動(dòng)優(yōu)化迭代程序，輸出優(yōu)化結(jié)果。

圖11 給出了含寄生參數(shù)的半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖11 含寄生參數(shù)的半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.11 The principle diagram of the drive circuit of the laser diode including parasitic parameters

在圖11 中實(shí)線框內(nèi)為含寄生參數(shù)的半導(dǎo)體激光器等效電路圖。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為實(shí)現(xiàn)窄脈沖激光光源的大功率激光輸出，將四管芯半導(dǎo)體激光器進(jìn)行串、并聯(lián)組合。對各種組合電路采用簡捷外特性測量法來提取其寄生電感參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)電路如圖11 所示，以圖6中的單管芯激光器等效電路為單元電路進(jìn)行串、并聯(lián)組合。串、并聯(lián)組合可分為:串聯(lián);并聯(lián);激光器兩兩并聯(lián)后串聯(lián)(2+2);將激光器3 個(gè)并聯(lián)后再串聯(lián)第4 個(gè)激光器(3+1).采用Pspice 仿真軟件進(jìn)行仿真分析，同時(shí)測量電感兩端的電壓值。利用(10)式求得串、并聯(lián)過程中寄生電感的參數(shù)值。改變電源電壓值，對電路中的1 端電壓U1進(jìn)行多組測量，同時(shí)一并測得電流的上升速率。

圖13、圖14、圖15 和圖16 給出了4 串聯(lián)、4 并聯(lián)、單個(gè)與3 并串聯(lián)、2 并與2 并串聯(lián)連接方式在3 種電源電壓下的仿真波形圖。

以上圖中電壓值分別為圖12 示意圖中的U1和U2值?！蠓柋硎緢D11 中R4取樣電阻端電壓，□符號表示1 端測得的電壓波形，▽符號表示2 端的電壓波形。

圖12 半導(dǎo)體激光器的串并聯(lián)實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.12 The principle diagram of the series-parallel experimental of the LD

圖13 4 串聯(lián)Fig.13 Connection four chips in series

圖14 4 并聯(lián)Fig.14 Connection four chips in parallel

圖15 單個(gè)與3 并串聯(lián)Fig.15 Connection three chips in parallel and in series single chip

圖16 2 并與2 并串聯(lián)Fig.16 Two pair in series and parallel

對上述4 種半導(dǎo)體激光器等效電路形式，根據(jù)圖15 的仿真波形，在3 種電源電壓下得到表2的各組測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表2中可見，L 的參數(shù)在4 管芯串聯(lián)時(shí)L 值最大，4 管芯并聯(lián)時(shí)L 值最小，2 管芯并聯(lián)與2 管芯并聯(lián)的L 值接近4 管芯并聯(lián)時(shí)的L 值。L 值越小光脈沖的上升時(shí)間則越短，亦可實(shí)現(xiàn)更窄的脈寬。但并聯(lián)時(shí)，驅(qū)動(dòng)源的輸出電流較大，串聯(lián)時(shí)電流較小。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮L 值與驅(qū)動(dòng)源的輸出電流能力之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)綜合參數(shù)的優(yōu)化。實(shí)際上寄生電感還與管芯的組合裝配結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，由于論文篇幅所限，暫不論述。

表2 串并聯(lián)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of series-parallel expermental

4 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)簡捷外特性測量法針對4 管芯的隧道結(jié)半導(dǎo)體激光器的2 并2 串結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，并綜合考慮到驅(qū)動(dòng)電路在給定體積下的電流提供能力確定采用2 并2 串4 管芯隧道結(jié)半導(dǎo)體激光器組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作了驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了板載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖17 所示。

圖17 2 并2 串4 管芯隧道結(jié)半導(dǎo)體激光器組合結(jié)構(gòu)Fig.17 Array structure of the two pair chips of the tunnel semiconductor in series and parallel

板載結(jié)構(gòu)是將半導(dǎo)體激光器熱沉直接焊裝在驅(qū)動(dòng)電路的印刷電路板上，形成最緊湊裝配結(jié)構(gòu)。盡量減小寄生參數(shù)值。

圖18 給出了2 并2 串4 管芯隧道結(jié)半導(dǎo)體激光器光脈沖波形圖。

圖18 2 并2 串4 管芯隧道結(jié)半導(dǎo)體激光器光脈沖波形圖Fig.18 The figure of the light pulse waveform about the two pair chips of the tunnel semiconductor in series and parallel

采用美國相干公司EPM1000 型脈沖能量計(jì)測得大功率窄脈沖半導(dǎo)體激光光源的峰值輸出功率達(dá)到180 W，光脈沖的上升時(shí)間為3.2 ns，脈沖的寬度為8.3 ns.

5 結(jié)論

簡捷外特性測量法能夠準(zhǔn)確、快捷地提取激光器多管芯組合結(jié)構(gòu)等效電路參數(shù)，解決了大功率窄脈沖激光光源的激光器多管芯組合結(jié)構(gòu)等效電路參數(shù)提取的難題。采用該方法提取的半導(dǎo)體激光器等效電路參數(shù)與國外產(chǎn)品給出的等效電路參數(shù)相吻合。在大量的等效電路參數(shù)數(shù)據(jù)支持下優(yōu)化了多個(gè)管芯的組合方式、組合結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了大功率窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)源電路。使大功率窄脈沖激光光源光脈沖的上升時(shí)間及寬度得到了顯著的改善。

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