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最新消息| 一文看懂半導體脈沖激光器發展! | 2022-02-09 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://news.sohu.com/a/517933665_100034932" 原標題：一文看懂半導體脈沖激光器發展！引言半導體激光器具有體積小、結構簡單、功耗低、光電轉換效率高和易于調制等特點，在民用和軍用方面有較好的應用前景[1-5]。目前，半導體激光器在通信、測距、加工和醫療等領域應用廣泛[6]。隨著半導體光電子技術的發展，各行業對半導體激光器的需求愈發強烈，對其性能的要求也越來越高。半導體激光器的驅動源分連續型驅動和脈沖驅動2種模式。連續型驅動模式一般在激光二極管（LD）的閾值條件附近設置直流偏置，調節驅動電流控制其輸出，在此過程中必須為LD增設反饋網絡，通過負反饋調節實時控制驅動電流，確保LD穩定地工作；脈沖驅動模式中的驅動源以特定脈寬、頻率的信號驅動LD，對于脈沖電流紋波要求不高的場景，一般無需增設上述反饋網絡。因此，脈沖驅動模式更具發展潛力。在脈沖驅動模式下，由于驅動過程中只在PN結產生微弱的熱效應，故在半導體激光器輸出功率較低的情況下可以不為其增設溫控系統。與連續驅動模式相比，脈沖驅動模式下的LD能承受的脈沖信號幅值較高，導致LD輸出光束的能量強度較大[1]。因此，研制具有較高技術指標要求（如研制脈沖參數、輸出功率和重復頻率等）的窄脈沖半導體激光器具有重要的意義。本文綜述半導體脈沖激光器的發展與研究現狀，并對半導體激光器性能的提升方式進行介紹。半導體脈沖激光器的發展與研究現狀目前，半導體激光器性能的提升方式主要有2種：一種是優化半導體激光器結構、材料和加工工藝；另一種是提升半導體激光器驅動電源特性[9]。1.1半導體脈沖激光器在新材料、新結構和新工藝技術方面的發展改良激光器與其驅動電路的結構、優化工藝技術和提升半導體材料的性能，可增強半導體激光器的各項性能指標，尤其是新型半導體材料的不斷創新使其性能提升更具發展潛力。改進激光器管芯結構，能有效提高激光器輸出功率。2009年，中國科學院陳彥超等人[11]將驅動電路與激光器管芯集成封裝成整體的激光器模塊，得到了脈寬為7ns、最大光功率為176W的大功率窄脈沖，其多管芯陣列排序示意圖如圖1所示。單管半導體激光器作為窄脈沖激光光源時輸出光功率小，激光器多管芯組合雖能實現大功率輸出，但其結構等效電路的參數提取困難。針對這一問題，2012年，長春理工大學辛德勝等人[12]提出了提取驅動電路參數的一種簡便方法——基于外特性測量法，并應用此方法設計了一種板載結構的半導體激光器驅動電路，得到脈寬為8.3ns、輸出功率為180W的光脈沖。近年來，半導體鎖模激光器在結構方面的研究也取得進展。2012年，STRAINMJ等人[13]提出了一種緊湊的半導體鎖模激光器（DBRMLL），其幾何結構如圖2所示，該結構主要由3個部分組成：可飽和吸收器（SA）、增益（GS）和分布式布喇格反射器（DBR）。采用DBR的頻譜濾波在各種驅動條件下產生Q開關鎖模，表現出了強大的無源開關鎖模能力。鎖模脈沖寬度約為3.5ps，脈沖峰值功率與平均功率比高達121，Q開關在頻率1~4GHz連續可調。2014年，中國科學院與英國鄧迪大學[14]聯合研制了針對760nm波段的第一個半導體鎖模超短脈沖激光器——基于AlGaAs多量子阱結構的多節LD被動鎖模，該激光器產生波段大約為766nm的脈沖，其脈沖持續時間大約低至4ps，在激光腔長度為1.8nm、1.5nm時，其對應的脈沖重復率分別為19.4GHz、23.2GHz。隨著加工技術的發展，工藝精度不斷提高，有利于提升激光器性能。2016年，HEY等人[15]采取0.13μm集成互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝，設計了全集成CMOS驅動電路，用超短電流脈沖直接調制LD的方法來生成皮秒激光脈沖，其模具顯微圖如圖3所示。該CMOS驅動電路由壓控環形振蕩器、壓控延遲線、異或電路和電流源4個子電路組成。其中，振蕩器產生的初始方波與延時方波進行異或，異或電路因此產生超短電流脈沖；再將CMOS芯片封裝后與印制電路板（PCB）上的LD互連，有效降低了寄生參數的影響。此激光源的輸出光脈沖的脈寬為151ps，重復頻率為5.3MHz，峰值功率為6.4mW。2017年，華東師范大學和東京大學[16]采用40nm微電子工藝技術，聯合設計了一種低成本的集成CMOS脈沖發生器，通過外圍電路將CMOS脈沖發生器轉換為最小脈寬為80ps且可調的電動脈沖管，其可調諧輸出電壓為0.9~1.5V，寬調諧范圍可達270ns。根據激光系統的增益開光特性，用此電脈沖直接驅動半導體激光器，在電脈沖寬度調諧到大約為1.5ns時，激光器能產生脈寬為100ps的光脈沖。2016年，HUIKARIJ等人[17]對活性層厚度與約束因子之比daГa約為3μm、條寬腔長為30μm3mm的體量子阱LD進行了測試，該半導體激光器能實現脈沖能量為1nJ量級、脈沖長度為100ps、脈沖幅值為6~8A和持續時間為1ns的電流脈沖。2018年，TAJFARA等人[18]采用160nm的單片集成工藝（BCD）技術，設計了一種高功率、高強度和單芯片集成的LD驅動器，該半導體激光驅動器能產生脈寬小于1ns、重復頻率為40MHz和峰值電流高達20A，且完全可編程的電脈沖；另外，他們還通過嵌入電流數模轉換（DAC）的方式，為LD提供其所需的閾值電流，改善LD的響應時間。2019年，中國科學技術大學的FENGB等人[19]提出了一種采用130nmCMOS技術的可調幅度和脈寬的激光源驅動器，該驅動器能生成可調脈寬為300ps~3.8ns、峰值電流為70mA以及重復頻率為625Mbs的電流脈沖。1.2半導體脈沖激光器在驅動電源性能提升方面的發展提升半導體脈沖激光器驅動電源特性的方法主要有窄脈沖疊加直流偏置、儲能元件的應用、高速開關的級聯或陣列、可編程邏輯器件的應用以及器件的選型與布局創新等方法。1.2.1窄脈沖疊加直流偏置法早期，研究人員通過窄脈沖疊加直流偏置的增益開關方法獲得了超短脈沖。1997年，天津大學的黃超等人[20]通過增益開關的方法產生了超短光脈沖，該系統輸出的光脈沖寬度達到了ps級別，但系統過于復雜，輸出功率較低。2000年，吉林大學的孫偉等人[21]采用窄電流脈沖疊加在直流偏置的增益開關方法使半導體激光器產生皮秒脈沖，通過增大微波功率的方式獲得更窄的脈沖，但功耗較高。對于特定的電脈沖，激光器存在一最佳的直流偏置，若低于此偏置，激光器輸出功率降低、脈寬變寬；若高于此偏置，由于弛豫振蕩的影響，光脈沖會出現系列子脈沖，導致激光器輸出光脈沖失真[21-22]。由此可見，窄脈沖疊加直流偏置法雖然能獲得ps級別的超短脈沖，但需要在最佳偏置電流情況下才能獲得優良特性的光脈沖，有一定的局限性，且功耗高、輸出功率低以及系統復雜等問題限制了其發展。1.2.2儲能元件的應用1992年，重慶大學的劉?等人[23]采用NPN-PNP互補隔離法將場效應管的脈沖觸發信號壓窄，并選取合理的電容容值，根據電容快速充電放電原理，使激光器輸出脈沖光，該驅動電路能得到脈寬為50ns、0~20A連續可調的驅動電流。2011年，蘇州大學的陳祚海等人[24]選用高頻晶體管作為快速開關，采用電容和電感作為儲能電路，電容儲存能量為LD受激輸出光脈沖，其調制頻率為52MHz、脈沖占空比小于12.5%，輸出光功率為15mW。此后，研究人員通過結合直流偏置的方法，對上述技術進行了改進。2011年，中國科學院上海光學精密機械研究所的楊燕等人[25]采用高速CMOS觸發脈沖驅動金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），通過控制MOSFET的導通關斷和電容充電放電產生快速的電壓跳變，LD受激輸出脈沖光，其驅動電路主回路如圖4所示。控制電源V1、電容和限流電阻的值即可控制脈沖的脈寬與峰值電流。驅動電路中電源V2用來提供偏置電流，通過改變偏置電流值達到平滑激光脈沖波形的目的。該驅動電路能得到脈寬為2.2~4.9ns、重復頻率為0~50kHz和峰值電流為0~72A的電脈沖。因此，通過合理地選擇儲能元件，能有效提升半導體激光器驅動電路的輸出功率，但缺點是脈沖寬度無法連續可調，該驅動電路的電源V1需幾百伏，功耗高。1.2.3高速開關的級聯或陣列研究人員采取高速開關級聯或陣列的方法，有效解決了上述儲能元件雖能輸出大功率但脈寬不可調的問題。2005年，天津工業大學的朱娜等人[26]根據晶體管的雪崩效應，通過兩級雪晶體管陣列，獲得了脈寬為7ns、峰值電流為6A的大電流窄脈沖，但此方法的供電電源電壓需達到上百伏，功耗大的缺點限制了其發展應用。在此基礎上，天津工業大學的劉旭升等人[3]對此行了改進，通過采用多個雪崩晶體管級聯的方法，獲得了半峰全寬為1.51ns、峰值電流為12.5A和重復頻率為100kHz的大電流窄脈沖，但供電電源采用400V高壓直流電源，仍然存在功耗大的問題。2008年，中國科學院的張壽棋等人[27]研制了脈寬為10ns、峰值電流為20A和重復頻率為1MHz的連續可調脈沖，該驅動電路通過雙晶體管構成推挽輸出，形成常開常閉門對管驅動高速MOSFET，有效提高了帶負載能力，其供電電源電壓只需30V，解決了大電壓、大功耗的問題。為了獲得更低功耗的驅動電路，2009年，NISSINENJ等人[28]提出了一種CMOS電流脈沖發生器，其電路結構圖如圖5所示，該發生器采用0.35μm的CMOS工藝，由4個平行的n型金屬氧化物半導體晶體管組成，通過縮放驅動緩沖鏈實現快速切換，獲得了脈沖峰值為1A、上升時間小于1ns和脈沖寬度為2.5ns的高速電流脈沖。這些步進式控制信號和簡單的脈沖整型技術的供電電壓低至5V，功耗極低。為了實現脈寬更窄的光脈沖。2010年，中國電子科技集團公司第三十四研究所的辛耀平等人[29]將任意波形發生器作為脈沖信號發生源，電路上應用單極差分放大器、源極跟隨器和高速電流開關，研制了脈寬小于2ns、峰值輸出功率mW級的高速脈沖激光器。其中，高速電流開關由4個雙極型三極管與1個場效應管組成，通過雙極型三極管產生的負電容能近似中和與其級聯的三極管的密勒電容，提高了其頻率特性，極大縮短了開關時間。但是，電路級聯場效應晶體管（FET）數量往往存在限制。2014年，中國科學院西安光學精密機械研究所的林平等人[30]突破了這一技術難題，將33路GaAsFET級聯設計成整形電脈沖產生電路，用電脈沖直接驅動半導體激光器，可產生脈寬為10ns、時域調節精度為330ps的任意形狀整形激光脈沖。同年，為了實現更大電流的輸出，北京大學的陳彥超等人[31]以MOSFET為開關器件，將雪崩晶體管作為驅動器，設計了大電流窄脈沖的半導體激光器驅動電路，該電路通過將多個晶體管構成的脈沖發生單元并聯，滿足了大電流的要求，其中預觸發的設計解決了上述并聯方式帶來的脈寬寬度問題；該驅動電路在供電電壓為195V條件下，能產生脈寬為8.6ns、脈沖幅值為124A的脈沖電流。針對上述大電壓的問題，2019年，中國科學院的WENS等人[32]提出了將雪崩晶體管作為預開關器件的方法，有效提高了輸出功率、減小了脈沖寬度和上升沿，該驅動器實現了小電壓供電、大功率輸出的功能。1.2.4可編程邏輯器件的應用隨著可編程器件的高速發展，由于其具有集成度高、靈活性大的特點，且觸發脈沖具有上升沿快、頻率高和脈寬窄且連續可調等優良性能，使得半導體脈沖激光器更具發展潛力。可編程邏輯器件的應用，有效解決了功耗高的問題。部分可編程邏輯器件應用于半導體脈沖激光器的發展現狀如表1所示。1.2.5器件選型和布局創新隨著光電子器件的飛速發展，對芯片集成度的要求愈來愈高，高性能的器件與布局的創新成為半導體激光器驅動源特性提升的重要技術手段。2010年，天津津航技術物理研究所的王金花等人[39]通過提高電源電壓、PCB合理布局布線、元器件合理選擇以及開發激光器組件等方法，有效提升了激光發射的光脈沖前沿速度，得到了脈寬小于5ns、脈沖前沿小于2ns和輸出功率大于100W的大功率窄脈沖，在激光引信應用中提高了其測距精度與抗云霧干擾能力。2013年，中國工程物理研究院的王衛等人[40]為了穩定驅動砷化鎵光導開關，通過分析MOSFET的導通特性，采用合理的高速MOSFET設計了大功率半導體激光器窄脈沖驅動電路，為激光器提供了脈寬為15ns、抖動均方根小于200ps和輸出功率可達75W的脈沖電流。若通過改進脈沖發生電路，得到優質的初始觸發脈沖，激光器能輸出脈寬更小的光脈沖。同年，林肯實驗室的SIRIANIDF等人[41]研制了瓦特級、納秒脈沖半導體激光器與集成驅動器，將激光器和低電感電容器陣列（LICA）直接焊接到定制的5mm×5mm的BiCMOS驅動器芯片上，其激光驅動器配置如圖6所示。在5ns的窗口中向平板耦合光波導激光器（SCOWL）提供大約為10A的電流，從而產生大于1W的高功率光脈沖。通過光纖布喇格光柵保持SCOWL的穩定，從而實現窄的光譜線寬發射，同時對激光器施加預偏置，達到了抑制法布里-珀羅（F-P）模式激射的目的，并在窄光譜帶寬內產生矩形光脈沖。2015年，北京交通大學光信息科學與技術研究所的李永亮等人[42]以iC-HG為驅動芯片設計了脈沖為980nm激光器的高性能驅動電路，該電路使激光器既能輸出連續光也能輸出脈沖光，脈寬最小為10ns，直流光功率可達180mW，脈沖峰值輸出功率可達160mW，脈寬和激光功率實現了連續可調。2020年，中國電子科技集團公司第十三研究所的張厚博等人[5]研制了一種16線集成半導體窄脈沖激光器模塊，該模塊主要由高密度排列的激光器芯片、集成驅動電路和光電混合集成封裝結構組成。其中，窄脈沖驅動電路采用新型的GaN功率器件。與傳統的MOSFET相比，該器件開關損耗、結電容等寄生參數較小，具有更快的開關速度。由于激光器芯片的高密度排列、集成封裝和高精度貼片工藝的使用，極大程度地減小了模塊的體積，實現了16線單獨控制，得到脈寬為6ns、高功率為70W、功耗低至4W的高性能模塊。16線模塊整體結構圖與光脈沖波形如圖7所示。該模塊可朝著更多線束、更窄脈寬和更高功率的方向發展。2結束語綜上所述，半導體脈沖激光器主要通過優化激光器結構、材料和加工工藝及改進驅動電源特性的2種方式實現性能提升。本文主要對這2種方式的半導體脈沖激光器發展情況進行總結與分析，著重介紹了提升驅動電源特性的5種方法。目前，脈沖寬度在5~10ns的技術相對成熟，ps級脈寬已成為該領域的必然發展趨勢。但是，激光器在追求大功率的同時往往存在功耗高的問題，仍需進一步研究和解決。隨著數字化與半導體光電子技術的發展，各領域對半導體脈沖激光器需求愈來愈大，因此研究大功率、窄脈沖、低功耗和小型化半導體脈沖激光器具有重大意義。以上內容來自光通信技術2021年第10期，江蘇激光聯盟陳長軍轉載返回搜狐，查看更多責任編輯： 關鍵字標籤：AFG-3081 Arbitrary Function Generator Service UnavailableThe server is temporarily unable to service your request due to maintenance downtime or capacity problems. 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