沖擊電流驅動下半導體激光器的快速響應研究

鄧 麗,張 濤,許 博,李亭亭

(四川大學制造科學與工程學院,四川 成都 610065)

1 引 言

半導體激光器作為一種精密的光電器件,對電流變化的承受能力較差,過大的電流變化會影響半導體激光器的性能,情況嚴重時直接損壞半導體激光器,所以半導體激光器工作時需要穩(wěn)定的驅動電流。另一方面,半導體激光器長時間工作時的發(fā)熱也會降低其性能[1]。利用激光脈沖進行測距時,當脈沖寬度一定時,脈沖的上升沿越寬,使有效脈沖所占比例越小,則引入的時間誤差就會越大,測距誤差也會隨著增大。為保證半導體激光器輸出穩(wěn)定可靠,需要盡可能減小半導體激光器發(fā)射脈沖的上升時間。因此需要尋找合適的電流驅動半導體激光器產(chǎn)生脈沖光信號,減少激光脈沖信號的上升時間,加快半導體激光器的響應時間。王守武[2]根據(jù)脈沖作用期間載流子的速率方程推導了雙異質結激光器電光延遲時間與注入脈沖電流幅度和上升前沿的關系表達式,并得到雙異質結激光器的電光延遲時間隨注入脈沖電流的幅度增加而縮短的結論。然而他并沒有分析半導體激光器輸出激光脈沖信號的上升時間與輸入電流直接的關系,也沒有提到如何通過控制半導體激光器驅動電流來減少上升時間,提高半導體激光器的響應時間。段慧[3]建立了基于速率方程的激光器的SIMULINK模型,數(shù)值模擬分析了分布反饋激光器載流子、光子的輸出響應和小信號調(diào)制特性等。本文以半導體激光器的單模速率方程為建?；A,提出了一種通過在脈沖發(fā)光電流的前段加入合適寬度與高度的沖擊電流來減少半導體激光器輸出激光脈沖的上升時間,利用SIMULINK對該方法進行仿真驗證成功后,并將該方法用于PLTB450B半導體激光器中,所得到的實驗結果與仿真結果一致。

2 半導體激光器單模速率方程的分析及仿真

2.1 半導體激光器單模速率方程

半導體激光器內(nèi)部工作原理:給半導體激光器加上一個大于閾值電流的脈沖電流,隨著脈沖電流的注入,有源區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)逐漸上升,但光子數(shù)幾乎保持不變。當有源區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)達到激光器受激輻射的閾值載流子數(shù)時,有源區(qū)內(nèi)的載流子開始發(fā)生受激輻射產(chǎn)生光子,此時光子和載流子數(shù)量都呈現(xiàn)上升模式,但載流子增長速率較之前降低。經(jīng)過一段時間后,由注入電流產(chǎn)生的載流子數(shù)和受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)達到最終的平衡狀態(tài)。注入的脈沖電流的大小不影響平衡時的載流子的數(shù)量,但能決定平衡時的光子數(shù)量,注入的脈沖電流越大,平衡狀態(tài)下產(chǎn)生的光子數(shù)越多。

半導體激光器有源區(qū)內(nèi)的光子與電子之間的相互作用可以一組速率方程來描述,半導體激光器電光特性的單模速率方程的一般形式為:

(1)

(2)

其中,N表示半導體激光器有源區(qū)載流子密度;S表示半導體激光器有源區(qū)光子密度;I是注入電流;q是電子電荷;V是有源區(qū)體積;τn是載流子壽命;τp是光子壽命;g0是光增益常數(shù);Nt是透明載流子密度;Γ是光限制因子;β是自發(fā)輻射系數(shù)。

公式(1)左邊表示載流子變化速率,右邊第一項表示由注入電流引起的載流子增加的速率,第二項表示由于自發(fā)輻射引起的載流子減少的速率,第三項表示由于受激輻射引起的載流子減少的速率。公式(2)左邊表示光子變化速率,右邊第一項表示由于受激輻射引起的光子增加的速率,第二項表示由于光子損耗引起的光子減少的速率,第三項表示由于自發(fā)輻射引起的光子數(shù)增加的速率。

2.2 半導體激光器單模速率方程仿真

根據(jù)半導體激光器的單模速率方程,利用MATLAB仿真系統(tǒng)中的可視化仿真工具Simulink實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。該模型各個模塊的功能與半導體激光器單模速率方程的每一項相對應,其中包括自發(fā)輻射、受激輻射以及損耗等,通過增益、加減、微分、求倒以及乘積等模塊建立該模型,并在光子數(shù)終端連接示波器,快速方便地得到不同仿真條件下的瞬態(tài)響應。

采用半導體激光器典型參數(shù)[4]對單模速率方程進行建模仿真:有源區(qū)體積V為9.0×10-11cm-3,載流子壽命τn為3.0×10-9s,光子壽命τp為1.0×1012s,光增益常數(shù)g0為3.0×106cm-3/s,透明載流子密度Nt為1.2×1018cm-3,光限制因子Γ為0.44,自發(fā)輻射系數(shù)β為4.0×104。建立如圖1所示的simulink仿真模型,注入電流從20 mA增大到100 mA,得到的光子密度隨時間變化的波形如圖2所示。

根據(jù)不同注入電流情況下光子密度隨時間變化的波形,求出不同注入電流情況下平衡時的光子密度、上升時間,見表1。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知光子密度隨著注入電流的增加線性上升,上升時間也隨注入電流增加,但當注入電流增加到一定程度之后,上升時間幾乎保持不變。再根據(jù)表1中平衡時的光子密度和上升時間計算出光子受激輻射的平均速率,并繪制出如圖3所示的光子受激輻射平均速率與注入電流的關系,可直觀觀察到,給半導體激光器注入大于閾值電流的脈沖電流,光子受激輻射平均速率隨注入脈沖電流的增加而增大。

圖1 半導體激光器單模速率方程仿真模型

圖2 不同注入電流情況下光子密度隨時間變化的波形

注入電流I/A平衡時的光子密度S/cm-3上升時間tr/s光子受激輻射平均速率v/(cm-3·s-1)0．030．5636×10150．6181×10-90．9118×10240．040．8376×10150．6295×10-91．3305×10240．051．1113×10150．6344×10-91．7517×10240．061．3849×10150．6413×10-92．1595×10240．071．6584×10150．6471×10-92．5628×10240．081．9319×10150．6488×10-92．9776×10240．092．2055×10150．6469×10-93．4093×10240．102．4787×10150．6496×10-93．8157×1024

圖3 光子受激輻射平均速率與注入電流的關系

3 沖擊電流驅動下半導體激光器的快速響應研究

不同脈沖電流注入情況下,半導體激光器內(nèi)部有源區(qū)載流子的產(chǎn)生速率和光子受激輻射速率是不同的。閾值以上的注入脈沖電流越大,半導體內(nèi)部有源區(qū)載流子的產(chǎn)生速率越快,從而光子受激輻射速率也越快。但對于一固定輸出功率的激光器,其正常脈沖發(fā)光電流是固定的,可以考慮在正常脈沖發(fā)光電流的前端加入一個合適寬度和高度的沖擊電流,從而加快半導體激光器內(nèi)部有源區(qū)光子受激輻射速率,減少上升時間,以實現(xiàn)快速響應。

將寬度為12 ns,幅值為0.06 A的脈沖電流與寬度為3 ns,幅值為0.1 A的脈沖的脈沖電流疊加在一起,驅動上述的半導體激光器,并與直接用寬度為12 ns,幅值為0.06 A的脈沖電流驅動半導體激光器對比,通過建模仿真得到如圖4所示的不同注入電流情況下半導體激光器的響應波形。

圖4 不同注入電流情況下半導體激光器的響應

通過圖4所示波形,計算出兩種電流條件下驅動半導體激光器平衡時的光子密度、上升時間和光子受激輻射平均復合速率,見表2。

表2 兩種電流條件下的仿真結果

通過表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),給驅動半導體激光器的正常發(fā)光脈沖電流前段加入一個合適高度與寬度的沖擊電流,半導體激光器平衡時的光子密度保持不變,但是上升時間顯著減少。因此可以加入沖擊電流的方法來增加有源區(qū)內(nèi)光子受激輻射平均復合速率,加快半導體激光器的響應。

4 實驗驗證

選用歐司朗公司型號為PLTB450B的半導體激光器進行實驗驗證。該半導體激光器的閾值電流為0.2 A,工作電流為1.2 A。

實驗所用的電路結構[6-7]為基于運算放大器的電流負反饋結構。運算放大器、三極管、采樣電阻組成電流反饋放大器,其工作原理為,控制器控制DA轉換器產(chǎn)生一個脈沖電壓激勵信號,進而控制運算放大器和三極管產(chǎn)生一個脈沖電流驅動半導體激光器。圖5為電路結構原理圖。

圖5 電路結構原理圖

圖6中通道1為注入的脈沖電流的波形,通道3為脈沖激光波形,通道4為電流同步信號波形。由圖6可以看出脈沖電流驅動激光器產(chǎn)生的激光波形的上升非常緩慢,差不多6 μs。

圖7中通道1為注入的帶有沖擊電流的脈沖電流波形,通道3為脈沖激光波形,通道4為電流同步信號波形。脈沖電流由沖擊電流和脈沖發(fā)光電流兩部分組成,圖7中的通道1的較高脈沖部分為沖擊電流,幅度較低的脈沖部分為脈沖發(fā)光電流。由控制器控制DA產(chǎn)生一個沖擊電壓,該電壓控制后端的電流反饋放大器產(chǎn)生持續(xù)時間為800 ns沖擊電流,電流高度為正常脈沖發(fā)光電流的2.2倍,在800 ns后,將沖擊電壓的幅度降至正常脈沖發(fā)光控制電壓的幅度,控制后端的電流反饋放大器產(chǎn)生正常脈沖電流。應用該方法后可以發(fā)現(xiàn),激光器發(fā)光的上升沿明顯變快。

圖6 正常脈沖發(fā)光電流激勵產(chǎn)生的激光波形

圖7 帶沖擊電流的脈沖電流激勵產(chǎn)生的激光波形

5 結 論

本文基于半導體激光器的單模速率方程建模仿真,分析了半導體激光器平衡時的光子密度、上升時間和光子受激輻射平均速率的關系,提出了給半導體激光器正常脈沖發(fā)光脈沖電流前段加入一個合適高度與寬度的沖擊電流來提高半導體激光器內(nèi)部有源區(qū)內(nèi)光子受激輻射速率,從而減少了半導體激光器的上升時間,加快了半導體激光器的響應速率。本文的研究結果對半導體激光器測距中減小測量誤差具有重要的意義。

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