摘 要

如今的光纤通信技术应用得非常广泛，在通信领域方面，半导体激光器作为光通信的核心器件，其发展也非常迅速，因而作为驱动激光器的电流源的研究一直受到人们的关注，产生半导体激光器的驱动电源有多种方式，但在不同的电流脉冲驱动下半导体激光器的输出光功率会有很大差别，而且驱动半导体激光器的电流脉冲一般都要求比较窄，这是设计驱动源的难点所在。本文介绍了一种半导体激光器纳秒脉冲电流源的驱动电路。

在结合实际的激光器的工作波长、阈值电流、工作电流等特性参数的情况下，比较了目前主流的一些电路方案后，选定了一种以MOSFET为开关器件的驱动电路，采用的是将脉冲信号整形放大的思想。

为了获得稳定的开关信号，本设计利用FPGA产生的方波信号作为导通信号来改变MOSFET的工作状态，考虑到FPGA产生的信号带负载能力有限，需要将这一稳定信号通过分立元件进行放大整形，以此控制并驱动MOSFET工作，在使用分立元件时，尽可能减少因增加电路模块引起的信号延迟而挑选了反应速度快的芯片。

在经过充分论证开关器件的模型后，得出了要想获得很窄的脉冲就必须要求MOSFET具备很快的导通和关断速度这一必要条件，在设计电路系统时从器件本身的自有参数改进外围电路和型号选择两方面入手，同时结合电路的实际微小电干扰参数，利用Multism14给理论上的电路进行仿真模拟，得到了电路应有的电路参数。

为了很好的保护激光器这种昂贵的器件，从而设计了较好的温控电路使它工作在较稳定的环境中。再通过MOSFET的导通与关断来控制RC充放电回路工作，产生极短的脉冲电流信号，最终设计出了电流峰值可调节的驱动电流源,经过实际测试，其电流峰值大小范围可在0.5A至3A之间任意调节。

关键词：半导体激光器，驱动电流源，MOSFET，模拟仿真。

Abstract

Nowadays the application of optical fiber communication technology is very extensive. In the telecom field, as the semiconductor laser diode is the photo-communication’s central device, whose development is also very fast. So the research of the current source which can drive the laser diode has been paid attention to. There are many methods to produce the driving source of the semiconductor laser, but the output luminous power is very different when the semiconductor laser in different current driving, and commonly the width of the driving current pulse must be narrow. This paper introduced a kind of nanosecond pulse current source driver of the semiconductor laser.

After taking the practical characteristic parameters of the semiconductor laser such as operating wavelength, threshold current, operating current and so on into consideration and compare some present main circuit plans, a driving circuit which is based on the MOSFET as the switch device and adopts the thought by amplifying the current pulse is chosen.

In order to get a stable switching signal, this design uses the square wave which is produced by FPGA as the turn on signal to change the operating conditions of MOSFET.As is concerned about the limited load capacity of the signal which is produced by FPGA, the stable signal needs to be amplified and be shaped by discrete components to control and drive the operating of MOSFET. When using discrete components, for the destination to reduce the delay time of signals because of the increase of circuit modules as much as possible, the chips that are capable of high speed of response are chosen.

After the switch device’s model is demonstrated all around, the necessary conditions that MOSFET must be capable of high turning on and turning off speed. From two aspects of the MOSFET’s inner parameters to improve the outside circuit and model to start with and combine it with the practical electronic interferences, then uses the simulation and imitation of Multism14 for the theoretical circuit, the parameters of the circuit is gotten.

For the destination of protecting the expensive laser diode, then a good temperature controlled circuit was designed to let it operate in a stable condition. Then by using the turning on and turning off operation of MOSFET to control the RC charging-discharging loop to produce an ultra short current pulse, finally a current peak adjustable driver is designed. From the experiment test results, its current peak value can be adjusted from 0.5A to 3A flexibly.

Keywords: semiconductor laser, current driver source, MOSFET, simulation and imitation.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究的历史和现状 1

1.3 课题的主要研究内容 3

第2章 半导体激光器的特性和驱动电源激励方式 4

2.1 半导体激光器工作原理 4

2.2 半导体激光器的主要特性 6

2.3 驱动电源特性 7

第3章 脉冲驱动电源的方案比较分析与确定 9

3.1 目前常见设计方案 9

3.1.1 雪崩晶体管 9

3.1.2 可控硅 10

3.1.3 阶跃恢复二极管 11

3.1.4 功率场效应管MOSFET 12

3.2 功率MOSFET的模型分析 14

第4章 脉冲驱动电源的硬件设计 16

4.1 驱动电源的总体设计思想 16

4.2 FPGA脉冲产生模块 16

4.3 脉冲整形电路和驱动提升电路 17

4.4 LD驱动模块电路 18

4.5 LD温控电路 19

第5章 电路的仿真模拟和实际电路测试 23

5.1 Multism简介 23

5.2 电路仿真 23

5.3 实际电路测试 25

第6章 总结 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

光纤通信技术的迅猛发展得益于它对地球资源的消耗少，还归功于它显著的通讯速度，这两个优点使它受到人们的青睐，从世界上第一道激光问世以来，到第一根光纤的生产，光通信技术在人们的不懈努力之下渐渐趋于成熟。光通信技术的应用领域不仅仅局限在通讯行业，它也渗透进了医疗、军事、航空航天等方面，正日益为人类社会提供便捷。激光的产生需要激光产生器件，目前有固体、液体、气体激光器，不同的激光器输出的光功率不同，被应用在各个领域，如作为切割刀和焊接的激光就需要很大的功率，激光刀被称为最快的刀，能够将目标物在人为控制下切割出不同的形状。自爱因斯坦在二十世纪初提出光子理论来，一直到世界上第一道激光的产生，其间经历了很长一段时间的人类探索历程，不管是固体激光器还是液体、气体、半导体激光器，其原理都离不开原子的受激辐射和相干放大，其中半导体脉冲激光器所提供的高时间分辨力和惊人的功率密度为许多研究领域提供了有利的手段。

半导体激光器又称为激光二极管 (LD)，在现代生活中应用得非常广泛，从它的诞生以来激光器一直在人类的智慧下衍生出各方面的应用，而且它的存在已经有较长的一段历史。LD最早大批量生产并应用于上个世纪九十年代，从那以后，在科学技术的推动下，LD陆续扩展到许多其它应用领域，包括CD扫描驱动器、激光切割以及医疗和军事应用。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结，激励方式有电注入激励、电子束激励和光泵浦激励三种形式，尽管激励方式不同，但其原理都是为了实现粒子数反转分布而对半导体两种不同的区域（N型和P型）提供能量，从而激活物质。在产生的脉冲激光指标上，不同的应用环境下要求各不相同，在进行通讯时就要求光纤传导的激光束有很高的信噪比，而且脉冲激光的脉宽越窄信噪比越高，信号会越强、接收装置受到的干扰越小，然而激光器产生的光脉冲特性在一定程度上取决于脉冲驱动电源的设计，由于本次课题要研究的对象是以电流来驱动激光器进行工作的，在实际产生的电源信号里一般是以电压来作为电源的，这就需要一个电压到电流的转换模块，且驱动的工作时间在纳秒数量级，需要有一个高速导通的具有开关特性的电路作为电源，以此作为激励使激光器工作。

1.2 国内外研究的历史和现状

激光器是利用了电子能级跃迁的原理制成的，产生激光的条件之一是需要一个激励源，当采用光激励和放电激励时，必须为激光器提供配套的供电电源。早期出现的固体激光器的电源供给原理是利用RC充放电回路作为直流电源，它的缺点是电源的重复频率较低而且充电效率也低。后来出现的新型激光器对传统的驱动电源提出了高重复频率、高效率、高可靠性等一系列要求，为了满足这些条件，人们又相继开发了LC恒流充电式电路和LC谐振式充电电路，它们弥补了早期的RC式电路的缺陷，有效地改善了充电效率和稳定性的问题，但它们的制作体积和重量有所增加，为了实现微型化的目标，人们引进了开关电源技术，即利用半导体器件的开关特性作为储能元件的充放电信号，将信号放大后产生输出，由于半导体器件的制作工艺已经很成熟，微型化的目标得以实现。

随着半导体激光器飞速发展，作为驱动激光器工作的重要组成部分之一的驱动源也取得了长足进步，制造工艺水平有了很大提升，集成技术的发展让它们朝着小型化微型化方向迈进，以前的技术缺陷也不断得到改善，目前已经有专门给激光器提供驱动源的仪器出现。