一种兆赫兹级的大电流LD调制方法及电路

摘要

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种兆赫兹级的大电流LD调制方法及电路，其中，电路包括电源、若干个呈并联的无感电容、激光二极管、限流电阻、调制电阻、调整管以及调整管驱动电路；所述电源与若干个呈并联的无感电容的始端连接，若干个呈并联的无感电容的终端与限流电阻一端连接；所述限流电阻另一端与激光二极管的阳极连接，所述激光二极管的阴极分别与调制电阻的一端、调整管的一端连接，所述调制电阻的另一端接地，所述调整管的另一端接地。本发明能够解决现有技术中不能直接提供带直流偏置的大电流高频调制技术方案的问题。

权利要求

1.一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，其特征在于：包括电源、若干个呈并联的无感电容、激光二极管、限流电阻、调制电阻、调整管以及调整管驱动电路；

所述电源与若干个呈并联的无感电容的始端连接，若干个呈并联的无感电容的终端与限流电阻一端连接；

所述限流电阻另一端与激光二极管的阳极连接，所述激光二极管的阴极分别与调制电阻的一端、调整管的一端连接，所述调制电阻的另一端接地，所述调整管的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，其特征在于：所述电源包括恒压源模块和电流传感器，所述电流传感器位于恒压源模块与无感电容之间，所述电流传感器用于监测激光二极管主回路中的电流信号，并在超过电流预设值时断开恒压源模块的供电。

3.根据权利要求1所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，其特征在于：所述调整管驱动电路包括调制信号生成模块和调整管驱动模块，所述调制信号生成模块用于生成调整管的调制信号，并传输至调整管驱动模块，所述调整管驱动模块与调整管连接，所述调整管驱动模块用于根据调制信号控制调整管的运行状态。

4.根据权利要求3所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，其特征在于：所述调整管为GaN类MOS管。

5.根据权利要求4所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，其特征在于：所述限流电阻阻值为0.1Ω‑0.5Ω。

6.一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，其特征在于：应用于权利要求1‑5任一所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，具体包括：S1：根据激光二极管的伏安特性，通过电源给若干个并联的无感电容供电，无感电容依次连接限流电阻、激光二极管和调制电阻，构成偏置电路；

S2：将调整管与激光二极管连接，并与调制电阻并联，构成调制电路；

S3：通过调整管驱动电路控制调整管导通状态，生成激光二极管的偏置电流和调制电流。

7.根据权利要求6所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，其特征在于：所述S1中电源包括恒压源模块和电流传感器，所述电流传感器位于恒压源模块与无感电容之间，所述电流传感器用于监测激光二极管主回路中的电流信号，并在超过电流预设值时断开恒压源模块的供电。

8.根据权利要求6所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，其特征在于：所述调整管驱动电路包括调制信号生成模块和调整管驱动模块，所述调制信号生成模块用于生成调整管的调制信号，并传输至调整管驱动模块，所述调整管驱动模块与调整管连接，所述调整管驱动模块用于根据调制信号控制调整管的运行状态。

9.根据权利要求8所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，其特征在于：所述调整管为GaN类MOS管。

10.根据权利要求9所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，其特征在于：所述限流电阻的阻值为0.1Ω‑0.5Ω。

说明书

一种兆赫兹级的大电流LD调制方法及电路

技术领域

[0001] 本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种兆赫兹级的大电流LD调制方法及电路。

背景技术

[0002] 半导体激光器，又叫激光二极管(LD)，是一种利用半导体材料作为工作材料(能带特性)产生受激辐射的激光器，其具有高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点，广泛应用于国防、科研、医疗以及光通信等领域。在无线激光通信领域中，通常是直接将LD作为泵浦源(信号光源)，由驱动电路驱动的半导体激光器所辐射激光直接作为信号光源，常见的半导体激光器通过谐振腔结构输出高阶横模，使得激光光斑在传播时扩散较快，能量不集中，从而导致无线激光通信距离受限；而另一种半导体激光器‑光泵浦外腔面发射半导体激光器(Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL)，是将传统电激励激光器产生的激光作为光泵浦源，利用外腔输出镜约束激光横向模式，易获得基模激光输出，能显著提高无线激光通信距离。

[0003] 由于VECSEL激光器存在一定损耗，只有泵浦光强大于一定阈值后，VECSEL才会产生激光输出。此外受电路动态性能影响，调制电源的输出频率和电流难以同时提高，因此，需要针对此需求提供一种高频LD的驱动技术方案。

[0004] 目前高频LD驱动电路常见的技术方案包括有：

[0005] (1)储能元件脉冲放电：储能阶段，电源通过限流电阻对电容电感储能充电；驱动阶段，驱动调整管改变电路结构实现换路，用储能元件对LD进行放电，放电峰值电流可超过上百安培；该技术最成熟，常用于早期各类需要脉冲大电流电路，如相机的闪光灯、闪光灯泵浦激光器、机械加工中的火花放电工艺等。

[0006] 技术特点：可实现大电流(百安)，数十兆调制频率；缺点：需要在放电和充电间切换，即只能输出脉冲；脉冲形状由储能元件放电特性决定。

[0007] (2)旁路调整管结构：LD位于恒流驱动的主回路中，在LD两端并联调整管；调制信号控制调整管，调整管断开时，电流流过LD；调整管导通时，电流流过调整管，LD被短接无电流。

[0008] 技术特点：可实现安培级大电流输出，数十兆调制频率；缺点：电流不能过大，易产生振荡；恒流源不好控制；没有偏置电流。

[0009] (3)线性放大结构：采用高频大功率晶体管构造放大电路，直接放大调制信号；典型结构为射频功率放大器。

[0010] 缺点：通常工作频率较高，不能放大直流信号；电路工作在线性放大状态，损耗高，效率低；带低阻负载，需要进行阻抗变换；若要提供直流偏置(频率为零)，需要外加偏置器和恒流电路。

[0011] 综上所述，在现有的技术方案中，现有的高频LD驱动电路的技术方案存在不能直接提供带直流偏置的大电流高频调制技术方案。

发明内容

[0012] 本发明所解决的技术问题在于提供一种兆赫兹级的大电流LD调制方法及电路，以解决现有技术中不能直接提供带直流偏置的大电流高频调制技术方案的问题。

[0013] 本发明提供的基础方案：一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，包括电源、若干个呈并联的无感电容、激光二极管、限流电阻、调制电阻、调整管以及调整管驱动电路；

[0014] 所述电源与若干个呈并联的无感电容的始端连接，若干个呈并联的无感电容的终端与限流电阻一端连接；

[0015] 所述限流电阻另一端与激光二极管的阳极连接，所述激光二极管的阴极分别与调制电阻的一端、调整管的一端连接，所述调制电阻的另一端接地，所述调整管的另一端接地。

[0016] 进一步，所述电源包括恒压源模块和电流传感器，所述电流传感器位于恒压源模块与无感电容之间，所述电流传感器用于监测激光二极管主回路中的电流信号，并在超过电流预设值时断开恒压源模块的供电。

[0017] 进一步，所述调整管驱动电路包括调制信号生成模块和调整管驱动模块，所述调制信号生成模块用于生成调整管的调制信号，并传输至调整管驱动模块，所述调整管驱动模块与调整管连接，所述调整管驱动模块用于根据调制信号控制调整管的运行状态。

[0018] 进一步，所述调整管为GaN类MOS管。

[0019] 进一步，所述限流电阻阻值为0.1Ω‑0.5Ω。

[0020] 一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，应用于权利要求1‑5任一所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，具体包括：

[0021] S1：根据激光二极管的伏安特性，通过电源给若干个并联的无感电容供电，无感电容依次连接限流电阻、激光二极管和调制电阻，构成偏置电路；

[0022] S2：将调整管与激光二极管连接，并与调制电阻并联，构成调制电路；

[0023] S3：通过调整管驱动电路控制调整管导通状态，生成激光二极管的偏置电流和调制电流。

[0024] 进一步，所述S1中电源包括恒压源模块和电流传感器，所述电流传感器位于恒压源模块与无感电容之间，所述电流传感器用于监测激光二极管主回路中的电流信号，并在超过电流预设值时断开恒压源模块的供电。

[0025] 进一步，所述调整管驱动电路包括调制信号生成模块和调整管驱动模块，所述调制信号生成模块用于生成调整管的调制信号，并传输至调整管驱动模块，所述调整管驱动模块与调整管连接，所述调整管驱动模块用于根据调制信号控制调整管的运行状态。

[0026] 进一步，所述调整管为GaN类MOS管。

[0027] 进一步，所述限流电阻的阻值为0.1Ω‑0.5Ω。

[0028] 本发明的有益效果：本发明提出了一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，并提出了一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，为了实现高频的大电流LD调制，首先线路结构的简洁性很重要，此外，还要减少电路之间的寄生电感所带来的振荡，因此，在本发明中，通过恒压源为无感电容充电，并通过电流传感器检测电路主回路的电流是否正常，无感电容的特性使得恒压源与无感电容之间的线路不受限制，即使恒压源与无感电容之间的线路较长，那么产生的寄生电感就越大，而无感电容能够将恒压源带来的寄生电感吸收，因此不会影响与无感电容连接的负载；

[0029] 无感电容的另一端连接限流电阻，限流电阻能够对电路起到稳压调整的作用，限流电阻连接激光二极管，激光二极管连接调制电阻，调整管与调制电阻并联，调整管通过调整管驱动电路控制，当调整管断开时，电流流过调制电阻，实现偏置电路，当调整管导通，直至最大时，与之并联的调制电阻近似短路，此时调整管和调制电阻构成激光二极管的调制电路，此外，调整管驱动电路还可以控制调整管在额定的电压之间进行调节，从而能够获得不同的调制电流，以便对激光器输出激光进行不同幅度的强度调制，此外，使得激光器的输出频率在从零到最大调制频率之间连续可调；而在改变调整管的电压过程中，调整管因其特性散热功耗相对激光二极管和限流电阻来说较低，因此在实际使用过程中，只需对激光二极管和限流电阻预留足够的散热空间即可；因此，对于线路的布线、布局的紧凑，都带来了更多的可能性。

附图说明

[0030] 图1为本发明实施例的电路图；

[0031] 图2为本发明实施例的调整管的输出伏安特性图；

[0032] 图3为本发明实施例的调整管耗散功率随等效电阻变化曲线图；

[0033] 图4为本发明实施例的外腔面半导体激光器的原理图；

[0034] 图5为本发明实施例的流程框图。

具体实施方式

[0035] 下面通过具体实施方式进一步详细说明：

[0036] 在无线激光传感器通信领域中，传统的电路驱动的半导体激光器所辐射激光直接作为信号光源；由半导体激光器谐振腔结构决定，其输出为高阶横模，激光光斑在传播时扩散很快，能量不易集中，导致无线激光通信距离受限。

[0037] 本申请中针对的是光泵浦外腔面发射半导体激光器(Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL)，如图4所示，其是将传统电激励激光器产生的激光作为光泵浦源，利用外腔输出镜约束激光横向模式，易获得基模激光输出，能显著提高无线激光通信距离；由于VECSEL激光器存在一定损耗，只有泵浦光强大于一定阈值后，VECSEL才会产生激光输出。

[0038] 此外受电路动态性能影响，调制电源的输出频率和电流难以同时提高，为获得高频大电流调制，本案采用较大的偏置电流，通过适当减小电流调制深度以获得更高的调制频率。

[0039] 另外在电流调制深度不变时，较大的偏置电流，意味着激光器峰值功率更高，使得无线激光通信距离更远，当传统电激励中含有足够高的偏置电流后，外腔面发射半导体激光器的输出激光强度变化和外激励电信号相关。

[0040] 实施例基本如图1所示：一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，包括：电源、若干个呈并联的无感电容、激光二极管、限流电阻、调制电阻、调整管以及调整管驱动电路；

[0041] 电源与若干个呈并联的无感电容的始端连接，若干个呈并联的无感电容的终端与限流电阻一端连接；在本实施例中，电源包括恒压源模块和电流传感器，电流传感器位于恒压源模块与无感电容之间，电流传感器用于监测激光二极管主回路中的电流信号，并在超过电流预设值时断开恒压源模块的供电，其中，无感电容在本实施例中为18个(图示3个及以上)，电流预设值为3A‑5A，在本实施例的其他实施例中可根据实际应用场景来决定；本实施例中电源中各个模块的作用为：电流传感器监测主回路电流是否正常，若超过预定值则断开恒压源模块供电；恒压源模块为多个并联无感电容充电，并联的无感电容为负载部分提供稳定电压。

[0042] 限流电阻另一端与激光二极管的阳极连接，激光二极管的阴极分别与调制电阻的一端、调整管的一端连接，调制电阻的另一端接地，调整管的另一端接地；调整管驱动电路包括调制信号生成模块和调整管驱动模块，调制信号生成模块用于生成调整管的调制信号，并传输至调整管驱动模块，调整管驱动模块与调整管连接，调整管驱动模块用于根据调制信号控制调整管的运行状态；在本实施例中，调整管为GaN类MOS管，限流电阻的阻值为0.1Ω‑0.5Ω，在本实施例中选取0.15Ω，其目的在于，限流电阻的阻值若小于0.1Ω，则无法阻止振荡的产生，容易导致线路振荡，若限流电阻的阻值大于0.5Ω，则其产生的功耗就越大。

[0043] 根据上述的LD调制电路，其实施的原理在于：通过利用LD的伏安关系的非线性，其在工作电流区间，电压基本保持不变；R1为限流电阻，R2为调制电阻，选用GaN类高速MOS管为调整管。

[0044] 设偏置电流为IB，调制电流为It，LD电压为VD，恒压源供电电压为VCC，则根据电路基本原理有如下关系：

[0045] 偏置时，调整管断开：VCC＝VD+(R1+R2)IB

[0046] 调制时，调整管导通：VCC＝VD+R1(IB+It)

[0047] 在本申请中，要实现大电流，即意味着激光二极管的回路中的等效电阻越小，等效电阻越小，寄生电感效应就越明显，当线路和布局引起的寄生电感足够大时，在激光二极管的输出方波过程中输出端产生的振荡就越大，从而造成频率降低，无法实现高频，同时振荡对负载的冲击较大，那么就容易损坏激光二极管的激光器。

[0048] 为此，本发明的LD调制电路，其通过简洁的电路结构来减小振荡的产生：恒压源与无感电容连接，无感电容的负载端连接限流电阻和激光二极管，激光二极管连接调制电阻，调整管与调制电阻进行并联；能够减少线路中因电器元件过多导致的寄生电感，再通过调整管驱动电路驱动调整管，使其工作在开关状态，实现偏置和调制电路功能。

[0049] 除此之外，为了更好的在LD调制过程中减少寄生电感的产生，对于电路的布局进行考量，而电路的布局需要考虑热功耗的问题，其中，主要产生热功耗的电器元件为：限流电阻、激光二极管、调制电阻和调整管，为此，本发明中通过调整管的热功耗来探究其余电器元件的功耗问题，具体为，根据调整管的电学特性，通过调整驱动电压以改变调整管在主回路中的等效电阻，在实现多种调制深度的同时，计算其功耗；

[0050] LD调制电路的表达式为：

[0051] VCC＝VD+(R1+R2//RDS)(IB+It)

[0052] 其中，VCC表示恒压源模块的供电电压，VD表示LD电压，R1表示限流电阻，R2表示调制电阻，RDS表示调整管等效电阻，IB表示偏置电流，It表示调制电流。

[0053] 如图2所示，为调整管的输出伏安特性图，在本申请中采用的调整管型号为GS61008T，当调整管驱动电路输出电压超过4V时，调整管等效沟道电阻约7毫欧，与之并联的调制电阻R2近似短路，此时获得最大的调制电流；而调整管驱动电路的输出电压在2V至4V之间时，其沟道电阻会在较大范围变化，因而根据调制信号合理控制调整管驱动模块的输出电压幅度，可获得不同的调制电流，进而获得不同调制强度的激光输出。

[0054] 典型的，采用4种不同调制电流可实现四电平脉冲振幅调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM4)，即可获得两倍于原有的通信链路带宽，其在输出四电平脉冲振幅调制过程中，针对其散热问题进行探究，具体的：

[0055] 以恒压电源电压为VCC＝4V，LD电压VD＝2.5V，限流电阻R1和调制电阻R2分别为0.15Ω为例，此时电流对应的偏置电流5A，最大调制电流5A；

[0056] 当电路为偏置状态时，限流电阻对应的热功耗为3.75W；

[0057] 在最大调制电流时，限流电阻最大热功耗为15W，其平均热功耗约为9.375W；

[0058] 此外，调制电阻在偏置时获得最大热功耗为3.75W。

[0059] 通过改变调整管等效电阻进行四电平调制时，调整管存在一定的耗散热功率，如图3所示，其最大值也未超过2W，平均耗散热功率低于1W，因此对实际布线不会产生影响。

[0060] 由此可见，该LD的调制过程中，系统最大的热功耗来源为激光二极管、限流电阻R1和调制电阻R2，因此，在实际电路中需要对这几个电器元件预留足够的散热空间，即可使得电路的电气元件之间的布局更为紧凑，因为电路结构简单，对上述三个电器元件的布局也就能够较为紧凑的进行布局，从而减少寄生电感的影响，提供兆赫兹级大电流的LD调制。

[0061] 因此，本申请的优势在于：

[0062] (1)利用简单成熟可靠的恒压源供电；

[0063] (2)电路结构简洁，有利于电路板布线设计，可有效避免器件过多导致的阻尼振荡，进而可实现兆赫兹级的大电流调制；

[0064] (3)通过调节供电电压以及R1和R2电阻阻值，可灵活调节偏置电流和调制电流。

[0065] (4)调制时，输出频率可从零到最大调制频率连续可调，同时脉宽也可调，为后期无线激光通信系统提供更多的操作方法。

[0066] 如图5所示，在本实施例的另一实施例中，还包括一种兆赫兹级的大电流LD调制方法，应用与上述所述的一种兆赫兹级的大电流LD调制电路，具体包括：

[0067] S1：根据激光二极管的伏安特性，通过电源给若干个并联的无感电容供电，无感电容依次连接限流电阻、激光二极管和调制电阻，构成偏置电路；S1中电源包括恒压源模块和电流传感器，所述电流传感器位于恒压源模块与无感电容之间，所述电流传感器用于监测激光二极管主回路中的电流信号，并在超过电流预设值时断开恒压源模块的供电，限流电阻的阻值为0.1Ω‑0.5Ω。

[0068] S2：将调整管与激光二极管连接，并与调制电阻并联，构成调制电路；

[0069] S3：通过调整管驱动电路控制调整管导通状态，生成激光二极管的偏置电流和调制电流。

[0070] 调整管驱动电路包括调制信号生成模块和调整管驱动模块，所述调制信号生成模块用于生成调整管的调制信号，并传输至调整管驱动模块，所述调整管驱动模块与调整管连接，所述调整管驱动模块用于根据调制信号控制调整管的运行状态；调整管为GaN类MOS管。

[0071] 以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。