窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路.doc

个人收集整理 勿做商业用途盐城师范学院毕业论文(20112012学年度）物电学院 电子信息工程 专业班级 08(3） 学号 08223129 课题名称窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路 学生姓名 蒋峰 指导教师 沈法华 2012年5月20日 目 录1、绪 论32、工作原理52.1半导体激光器原理52。2 窄线宽原理72。3 可调谐原理92。3。1 基于电流控制技术102.3。2 基于机械控制技术102.3.3 基于温度控制技术113、特性参数113.1 工作波长113.2 光谱宽度123.3 功率特性123。3.1 小功率123.3。2 高功率123.4 频率稳定性134、可调谐半导体激光器的高精密驱动电源与稳频电路设计134。1 半导体激光器电路设计原理与实现134.1。1 半导体激光器驱动方式简介134。1。2 电路设计指标134。1.3 驱动电路设计154。2控温电路的设计与实现164.2.1 基准采样电路164.2。2 差分放大电路164。2.3 自动控制电路164。3 控流电路的设计与实现174.4 微分稳频电路的设计与实现17总 结19致 谢19参考文献20窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路电子工程专业 蒋峰 指 导 教 师 沈法华摘 要: 随着半导体技术的日趋成熟，半导体激光器（LD）以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制等特点，在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。半导体激光器的稳定性取决于驱动电源,电流的起伏会引起光功率的变化，从而影响激光器的性能。同时，半导体激光器可以通过调节温度、电流等实现其波长的可调谐;通过选模技术可以实现窄线宽输出。本文详细阐述了窄线宽可调谐半导体激光器的基本工作原理，分析了其参数特性。根据工作原理和特性要求,对窄线宽可调谐半导体激光器的驱动电路进行了详细的分析设计，理论分析结果表明该电路能够满足设计要求。关键词：窄线宽;半导体激光器；可调谐;稳频1、绪 论自1962年第一支半导体激光管问世以来,半导体激光技术发展迅速，特别是近十年来，在激光冷却和激光精密测量的推动下,半导体激光器得到了很大的发展.常用的材料有砷化镓(GaAs）、硫化镉(CdS）、磷化铟（InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。结构可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作.半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长。因此，品种发展快,应用范围广，目前已超过300种，其应用领域非常广阔。其最主要应用领域是Gb局域网,850nm波长的半导体激光器适用于1Gb局域网，1300nm1550nm波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统.它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）。此外，半导体激光器的应用范围还覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。其在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。再者，半导体激光器还广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术，是大容、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.由此可见，半导体激光器的应用已经涉及到了方方面面，其特点也保证了各项领域都能被较好得使用.近年来，由于半导体激光器应用领域的不断拓展，对其性能要求也越来越高，如今高功率、窄线宽、可调谐的半导体激光器是重要的发展方向。其在差分吸收激光雷达、多普勒激光雷达、荧光探测激光雷达的、光谱仪等等设备中具有重要的应用1。2、工作原理2。1半导体激光器原理半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓)，InAS（砷化铟）,Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs，InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS,CdS,ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器2。在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带,其能带分布如图21所示.能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带.(a) （b） (c）图21 半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体; （b） N型半导体； （c） P型半导体产生激光的必要条件是产生粒子数反转分布和具有光学谐振腔。粒子数反转分布（必要条件）+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。粒子数反转分布可以通过采用泵浦源将基态的电子抽运到激发态来实现。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里珀罗（Fabry Perot， FP）谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光.如图2-2所示，能够在谐振腔内产生稳定振荡的光波长必须满足条件： 或 （2。1）上式为光波产生稳定振荡的相位条件。式中：l为激光波长,n为激活物质的折射率,m=1， 2, 3 称为纵模模数。在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。图2-2 激光稳定工作的条件:合适的谐振腔图23 半导体激光器的工作原理图激光稳定工作的另一个必要条件是光增益等于或大于总损耗.只有当增益等于或大于总损耗时,才能建立起稳定的振荡,这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。如图2.3所示,根据能量守恒定律，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为: （2.2）式中， gth 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率。2。2 窄线宽原理目前半导体激光器普遍采用内腔和外腔两类调谐技术。外腔调谐是较为广泛采用的一种方法,它在现有普通半导体激光器的基础上，通过外腔选模压窄线宽，得到较好的输出特性，且具有灵活可行和调谐效果好的特点3。以前国内外外腔调谐的研究大多集中在光纤通信窗口。即研究13501560nm附近的波长调谐技术，且获得了较理想的结果。常见外腔调谐技术包括两种方式,即强耦合和弱耦合方式。前者指通过对半导体激光器出光端面镀增透（AR）膜等手段，使得外腔镜的反射率大于出光端面的反射率，从而使外腔反馈占主要地位，后者则不对激光器出光端面镀增透膜,使内腔反馈仍占较为主要的地位。两种情况都能有效地压窄激光线宽，而强耦合情形的调谐范围更大，弱耦合情形则更为灵活方便。图2-4外腔调谐的装置结构外腔调谐的装置结构如图2-4所示,半导体激光器的输出光经透镜组准直后获得水平的平行光，入射到光栅外腔上，经光栅分光,将一级衍射反馈回激光器有源区，与有源区内光场相互作用，造成各纵模间的增益差，增益较大、满足激光激发条件的纵模起振激发,而增益较小的模式就被损耗掉.通过改变光栅外腔反馈光的波长，可获得不同波长的激光输出,而实现波长调谐外，由于半导体激光器的谱线宽度满足公式： （2。3）其中，l是激光器腔长。从上式可见，腔长是影响激光线宽的关键因素之一。加外腔相当于较大幅度地增加外腔长度,所以能有效地压窄线宽.而且，外腔反馈加强了受激辐射,抑制自发辐射，这也是压窄激光线宽的一个原因.光栅的零级衍射作为外腔激光输出，可用功率计测量输出激光强度，用光谱仪测量其光谱特性和波长,激光线宽由扫描干涉仪进行测量。其设计图如图2-5所示.图25外腔激光器设计：littrow结构(左)，littmanmetcalf结构(右)2。3 可调谐原理对于半导体激光器,可以通过调节部分参数来实现波长（或者频率）可调谐。可调谐半导体激光器就是可以根据实际要求调谐激光的波长（或者频率），这主要是用于对波长（或者频率)有要求的地方,比如做原子的激光光谱，必须把激光的频率调谐到与原子共振，才能出现光谱.而工业上大多数只对功率有要求的激光器,比如激光切割，不说可调谐4.比较常见的可调谐半导体激光器从实现技术上有：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐,具有ns级调谐速度、较宽的调谐带宽，但输出功率较小。基于电控技术的主要有SGDBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率,从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄,只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS(微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率.基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈)、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构.2.3。1 基于电流控制技术基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化,产生不同的光谱,通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择,从而产生需要的特定波长的激光.一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR（Sampled GratingDistributed Bragg Reflector）结构。该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。其中前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区分别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的周期特性.对于在激活区产生的光谱，分别在前布喇格光栅区和后布喇格光栅区形成频率分布有较小差异的光谱.对于需要的特定波长的激光，可调谐激光器分别对前布喇格光栅和后布喇格光栅施加不同电流，使得在这两个区域产生只有此特定波长重叠其他波长不重叠的光谱，从而使需要的特定波长能够输出。同时该种激光器还包含半导体放大器区,使输出的特定波长的激光光功率达到20mW100mW。2。3。2 基于机械控制技术基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMS-DFB结构。可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMS镜片和其他控制与辅助部分。对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特定波长。通过控制MEMS镜片旋转角度来对需要的特定波长进行选择，从而输出需要的特定波长的光。另一种基于VCSEL结构ML系列的可调谐激光器，其设计是基于光泵浦垂直腔面发射激光器，采用半对称腔技术,利用MEMS实现连续的波长调谐.通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围，同时将热敏电阻和TEC封装在管壳内，可以在宽的温度范围内具有稳定的输出.这种可调谐激光器可以在C波段和L波段提供1020mW的光功率.对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢，一般需要几秒的调谐稳定时间。2。3.3 基于温度控制技术基于温度控制技术主要应用在DFB结构中,其原理在于调整激光腔内温度，从而可以使之发射不同波长的激光.一种基于该原理技术的可调谐激光器的波长调节是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-550C的变化实现的。模块内置有FP标准具和光功率检测器，连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上.模块内有两个独立的TEC,一个用来控制激光器的波长，另一个用来保证模块内的波长锁定器和功率检测探测器恒温工作。模块还内置有SOA来放大输出光功率。这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽,一般只有几个nm,而且调谐时间比较长,一般需要几秒的调谐稳定时间。目前可调谐激光器基本上均采用电流控制技术、温度控制技术或机械控制技术,有的供应商可能会采用这些技术的一种或两种。当然随着技术的发展,也可能会出现其他新的可调谐激光器控制技术5。3、特性参数3.1 工作波长波长特性是半导体激光器中的一种基本特性，其工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动,而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时,就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长6。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。3.2 光谱宽度光谱宽度也是半导体激光器的重要特性参数它与半导体激光器的自身结构相关。因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带,两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光，所以激光器发射光谱具有一定的谱线宽度。光源的谱线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理量。激光器发射光谱的宽度取决于激光的纵模数目。一般可调谐半导体激光器实现了窄线宽,其线宽一般在0。2nm左右.3。3 功率特性输出光功率也是半导体激光器的重要特性.在实际应用中，我们必须提高其工作功率，提高探测的性噪比,同时尽可能减少能量的损耗。新型半导体激光器采用了量子阱(QW)和应变量子阱（SLQW）等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器等最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺,使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长.3。3。1 小功率用于信息技术领域的小功率LD发展极快.例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈（DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长（如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光）LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展.这些器件的发展特征是:单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。3.3.2 高功率1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年,0.1mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%.1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦（LDP）的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。3.4 频率稳定性在很多应用领域，如差分吸收激光雷达、多普勒激光雷达应用中，要求激光器的频率具有很高稳定性,所以，频率稳定性也是半导体激光器的重要特性。半导体激光器采用恒温、防震和密封后，其频率稳定度可以提高一个量级，但再进一步提高，将受温度控制极限的限制。此时，必须采用进一步的稳频措施，控制引起激光频率改变的内在因素，这将在下文中具体阐述6.4、可调谐半导体激光器的高精密驱动电源与稳频电路设计4.1 半导体激光器电路设计原理与实现4。1。1 半导体激光器驱动方式简介半导体激光器的激励方法多采用电流注入形式,当注入电流大于阈值电流Ith时，辐射功率随电流的增加而迅速地增大。因此，可以通过改变半导体激光器的注入电流来调节其输出的光功率。而对半导体激光器进行控制，通常采用自动控制的方法，它包括恒电流控制（ACC），恒功率控制（APC），电压恒定控制（AVC）。在APC工作方式下，采用光电探测器（PD）接收一小部分激光功率并转化为监测电流，该监测电流经过电流/电压转换后，通过APC反馈网络与设定值比较，从而形成闭环负反馈控制。当激光输出功率受温度等因素影响发生变化时，该负反馈可控制光功率使其稳定不变。AVC是特定场合下简单而又有用的模式，当要求LD的驱动电压恒定时,即可以采用此模式。在ACC工作方式中，通过电流采样反馈为电流驱动单元提供有源控制，从而使电流漂移最小且使LD输出稳定性最大，若与温度控制配合使用效果则更好。现今常用的半导体激光设备工作用恒流源，主要是应用了场效应管的导通特性以及晶体管的对称连接镜像恒流原理来实现.要得到稳定的输出，必须使注入电流稳定，即要采用恒流源，因此本设计选用了ACC工作方式。4。1。2电路设计指标对于本设计选用的半导体激光器为重庆华峰光电有限公司生产的红光半导体激光器，具体型号为HLD0650R5E，其输出功率的典型值为5mW.具体参数值如表4-1、额定极限值如表42所示。表4-1 驱动电路LD参数（HLD0650P5）参 数符号测试条件最小值典型值最大值单位波长CW640650660nm工作电流IopCW407585mA工作电压VopCW2。52.8/V表4-2 额定极限值参 数取 值单 位LD反向电压2VPD反向电压25V工作温度40+85焊接条件240/10/S由表可知，工作电压的典型值为2.8V,工作电流的典型值为75mA。由于LD是电流注入驱动，电流稳定性对输出功率的稳定性将产生直接影响，所以一般要求LD用电流源的电流稳定性优于10-3。另外,这种电流源还应具有抗击浪涌击穿、断电保护和过流保护等保护功能,以保证LD安全、可靠的工作。同时,在仔细分析了半导体激光器的工作特性和它在使用过程中对驱动电源提出的具体技术指标后,可设计出电路总体方案并以框图的方式表示出来，如图4-1所示。图41 驱动电源原理框图4.1.3驱动电路设计直流稳压电源的基本设计思路：本课题是设计红光半导体激光器驱动电源，而小功率的半导体的工作电压很小,一般在10V以内,且还需是直流电。而通常市电为220V交流电，所以这就需要对市电进行AC/DC转换，得到合适的驱动电压。为此，设计了一个输出电压恒定的AC/DC稳压电源.整个模块又有四个环节：变压、整流、滤波、稳压。其中变压器是将交流电网电压V1变为合适的交流电压V2。整流电路是将交流电压V2变为脉动的直流电压V3。滤波电路是将脉动直流电压V3转变为平滑的直流电压V4.稳压电路是清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压Vo的稳定。选择的芯片为LM317，LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多，经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。同时由于LM317芯片在使用时输入输出的压差在3V40V的范围内，所以选择输入电压为18V。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还具有内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝等功能。LM317应用于多种场合，包括局部稳压、卡上稳压。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下,还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把LM317烧坏。根据上述原理和设计思路，可以设计得到如图4-2所示直流稳压电源电路原理图。该电路的输出电压为11。9V，满足LD驱动控制部分的供能的要求。图4-2直流稳压电源电路原理图4。2 控温电路的设计与实现半导体激光器的输出频率受温度的影响很大。一方面，温度变化会影响谐振腔的长度，由2.1式可知腔长的变化将改变谐振频率；另一方面，温度变化将使增益曲线发生漂移，从而导致中心频率发生改变.对于典型的AlGaAs半导体激光器,频率与温度的关系可以表示为： （4。1）式中：Dn为频率改变量，Dt为结温改变量，n为发射激光中心频率，a和b分为腔长和折射率温度系数。一般来说Dn=-38GHz/CDt因控温电路设计的最终目的是稳频,笔者力图使得由温度变化引起的频率变化不超过十兆赫兹，以保证激光器的单模工作和很好的稳频效果。所以要求控温电路的温度稳定性达到0.002%/C，这样由温度引起的频率变化为0.000238GHz=7.6MHz。整个控制系统由基准采样电路、差分比较电路、自动控制电路、功率放大和制冷硅调节电路组成,下面将对这几个关键电路作进一步分析。4.2.1 基准采样电路考虑到控温电路要求控到0.01mV，所以选用了稳定度达到106的LM399,其温度适应范围为0-70C，温度系数为106，具有稳定度高和纹波小的特点。4.2。2 差分放大电路差分电路将实际电阻两端电压与代表预置温度的电阻两端电压（以LM399为参考源）相比较并相减，随后进行放大，经过分压后得到偏差信号，输入PID中进行相应控制。4.2。3 自动控制电路自动控制电路采用了PID自动控制系统，其中PI消除调节系统调节误差，它提供调节系统的延迟角;PD提供超前角，增加调节系统的反应速度;PI和PD相互配合达到快速而准确控制的目的.整个温度控制电路如图43所示.另外，在功率放大和制冷硅调节电路中，由于达林顿管具有功率放大倍数高、效率高、基极电流小的特点，故硅调节电路采用它进行功率放大，对制冷硅进行制冷或加热.当前级输出正电压时，电流流入制冷硅(TEC)，对热沉进行加热；反之进行制冷。达林顿对管为TIPl27和TIPl29.测试结果稳定性小于0.001，响应速度在2 min左右，准确性小于0。02C。图4-3 PID自动控制电路4。3 控流电路的设计与实现电流对半导体激光器输出特性的影响很大,对于典型的AlGaAs半导体激光器,调频信号频率小于lMHz时，输出激光的频率随注入电流的变化率约为3GHz/mA；调频信号频率在lMHz3GHz之间时，输出激光频率的变化率约为-300MHz/mA。根据稳频要求，由电流变化引起的激光器输出频率变化应该小于几个MHz。如果电流的纹波小于lmA,这样由电流引起的最大频率变化为lmA3GHz/mA=3MHz。采用串联负反馈电路设计电流源电路，具体测试结果为(采样电阻取25 W)：(1)稳流系数：1.810-3；(2）电流噪声：输出电流100mA,电流信号纹波小于lmV；(3）稳定度:输出电流为100mA,在电流源开始稳定工作后，采样电阻上的电压漂移为12mV，换算成电流的漂移只有600 nA，所以输出电流的稳定度为106。4.4微分稳频电路的设计与实现为了稳定半导体激光的频率，最直接的方法就是把半导体激光的频率锁定在一个稳定的参考源频率上。现在使用最多的参考频率源是原子或分子的跃迁线.通过加调制的方法改变半导体激光器的外腔参数(腔长、光栅转角等)或其工作电流、工作温度,使输出激光的频率受到相应的调制，从而在相应的光谱输出上出现强度变化,然后对光谱强度变化进行一定处理,得到激光频率偏移参考中心频率的信息，再根据此信息由稳频系统向半导体激光器反馈入相应的控制参量，用以把输出光频率控制在参考频率处.根据以上理论分析，可以画出稳频电路原理框图，如图4.4所示。整个稳频电路由几个关键电路组成:带通滤波放大、信号发生器、鉴相器、低通滤波放大、带通滤波整形和信号移相。带通滤波放大是对得到的光电信号进行选频放大.信号发生器提供稳频所需要的调制信号和鉴相参考信号。鉴相器实现参考信号和鉴频信号的相乘运算。低通滤波放大得到输入信号的直流成分，作为误差信号与调制信号相加后一起输出到PZT高压驱动器。带通滤波整形是为了得到谐波抑制比很高的正弦信号。图4-4 半导体激光器稳频系统原理图带通滤波器采用双二次带通滤波器,设计的电路如图4-5所示。其传递函数为： （4。2)式中：G=R2/R1；B=1/R2C；w0=1/(R3R4)0.5C。该带通滤波器Q值可以达到100以上，同时具有良好的稳定性。增益由调节，带宽B即Q值由调节，中心频率w0由调节.图45双二次带通滤波器电路图此外，低通滤波器采用双二次低通滤波器，信号移相电路用全通滤波器实现，信号发生器则根据具体的情况，选择不同的基频,谐波抑制比一般达到五六十分贝以上。鉴相器采用经典的AD630。整的半导体激光稳频系统如图4-6所示，半导体激光器稳频系统由五大模块组成：可调谐半导体激光器、精密电流控制、精密温度控制、PZT外腔驱动器以及稳频电路系统(伺服环路).图46 半导体激光器的稳频系统原理图总 结本文介绍了半导体激光器发展动态和广泛的应用前景，详细阐述了窄线宽可调谐半导体激光器的工作原理，认真分析了半导体激光器的特性参数。在此基础上，根据实际要求，详细设计了一套可调谐半导体激光器的驱动电路，包括直接驱动电源、控温电路、控流电路以及稳频电路。理论分析表明所设计电路能够满足设计的指标要求.致 谢光阴如箭，日月如梭，转眼我的学业生涯即将结束.而本次毕业论文设计的完成也就成了我的告别之礼，但对于其厚薄还祈望各位老师及同学予以批评和指正.当然论文能够得以顺利完成，首先我要感谢我的指导老师沈法华教师,沈老师从论文的选题、文章结构、逻辑组织到具体内容的修改，都提出了大量宝贵的意见，使我获益匪浅。谨在此向沈老师表示我最诚挚的谢意！几年的师生情、同学谊仍历历在目。感谢各位盐城师范学院老师的悉心教导。我还要感谢各位同学,几年来同你们在学习和生活上的互助、交流及讨论，不仅开阔了我的视野，更加深了我们之间的情谊。另外,我尤其要感谢我的家人，是他们的支持和默默的奉献使我少了后顾之忧.参考文献1 张月清半导体激光器进展科学出版社,2002年2 江剑平半导体激光器北京：电了工业出版社，2000年3 黄德修半导体激光器及其应用北京：国防工业出版社，1999年4 叶良修半导体物理学北京:高等教育出版社，1998年5 刘芸，焦明星半导体激光器用电流源的设计J应用光学，2005，26(3)：9-156 巫中伟窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术D南京理工大学物理电子学，2007年Designment of Driver Circuit for Narrow Bandwidth and Tunable Semiconductor Laser Abstract: With the increasing maturity of the semiconductor technology, semiconductor laserwith its conversion efficiency high， small volume， light weight， high reliability， can directly modulation and other characteristics, in the scientific research， industry, military， medical care and other areas to be more widely used。 The stability of the semiconductor laser power depends on the drive， the current rise and fall can cause light power change， which affects the laser performance。 To ensure a safe and reliable semiconductor laser work, this paper analyzes the principle of semiconductor laser power supply work, determined the drive power of the main steps of technical implementation plan。 Semiconductor lasers， as a kind of precision measuring instruments by adjusting the temperature， current， realize its wavelength frequency can be tuned. At the same time， to the frequency pressure narrow, control the frequency stability and bandwidth， its blessing improve accuracy。文档为个人收集整理,来源于网络个人收集整理，勿做商业用途This paper introduces the working principle of semiconductor lasers， analyzes the characteristic parameters。 According to the principle and characteristics of the circuit requirements of detailed design。 The simulation results show that meet the design requirements.Keywords: narrow bandwidth； Semiconductor lasers; Can be tuned； Frequency stability18