基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术-余兆安.pdf

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1、第45卷第2期 红外与激光工程 2016年2月v01452 IIlfjared and Laser Engineemg Feb2016基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术余兆安，姚志宏1，梁圣法1，张锦川2，吕铁良3(1中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京100029；2中国科学院半导体研究所，北京100083；3山东大学(威海)，山东威海264209)摘 要：脉冲量子级联激光器(QCL)因自热效应会导致谱线展宽，故需极短的电流脉冲驱动。理论极限线宽所需的脉宽为515 ns，但由于环路寄生参数的影响，窄脉冲会引起信号过冲或振荡，因此目前商用的OCL驱动器无法满足这个要求。为

2、获得更理想的激光器线宽，在常规脉冲恒流电路的基础上，采用频率补偿的方法来消除过冲和振荡，并设计了一款稳定的纳秒级激光器驱动电路。实验结果显示该驱动装置实现了峰值电流0。2A、脉宽84。200ns、上升时间10 Lo甜v01罗 20trequency，MJHz mge，VM胍：警p“k 200、idtll，ns 采用Tek乜oI血公司的DP070604C 6 GHz带宽示波器和4GHz带宽的三模探头来测量串联电阻两万方数据第2期红外与激光工程、)lnvwirlacn 第45卷端的电压，由于是串联支路，没有分流，采样电阻为贴片电阻，寄生电感可忽略不计，探头直接校准到测试点，寄生特性也可以忽略不计，

3、因此所测试的波形接近真实波形。采用中国科学院半导体研究所研制的中心波长为46“m的量子级联激光器作为负载进行测试。图7为实测峰值达到19A的脉冲电流曲线，上升时间为354ns，下降时间为397ns，过冲1。此外，这些参数也会受到负载电容、引线电感以及测试系统带宽和噪声等因素影响。为提高脉冲质量，连接负载的引线应尽量短以减小寄生特性，负载电容应低于10nF。图7在QCL负载F的单电流脉冲及周期性电流脉冲曲线Rg7 SingIe pIllcurmm curve锄d pefiodic pulcurrent刚船c哪eu瑚derQ吼load将量子级联激光器输出的光送入德国Bnlke公司生产的傅里叶光谱仪

4、V80中进行线宽测试。频谱分辨率设置为仪器的极限线宽008cm当驱动脉宽由100ns减小到10ns时。激光器线宽由035cm一1近似线性递减到012 cm，见图8。从图中可以看出，线宽随驱动器脉冲宽度的减小而下降但当测量的线宽越接近傅里叶变换光谱仪的极限分辨率时下降速度变慢，这应是受到傅里叶变换光谱仪分辨率的影响。脉冲量子级联激光器的真实线宽可能会比此测量数据要窄，但是使用同样条件的光谱仪。线宽随驱动脉宽的变化趋势是正确的。这一现象在参考文献4，17】中均有报道，与笔者的测试结果一致。图8激光器线宽随驱动电流脉冲宽度的曲线Fig8 QCL line谢dtII dependent on pul诵

5、dtlI ofpIllcurI即t driVer4结论文中比较分析了QCL驱动设备中传统的基于运放的恒流技术和硎驱动技术。并在分析二者优缺点基础上，通过理论分析和模型仿真，提出了一种基于频率补偿的窄脉冲驱动方法，实测最短脉宽可达到84ns，上升沿小于4ns，接近傅里叶变换极限线宽【41，而且脉冲电流几乎没有过冲或振荡，具有良好的信号完整性。因此，该窄脉冲驱动电路设计合理，技术指标优越，尤其适应于量子级联激光器性能测试及其便携式应用。参考文献：【1】 K0sler eV A，ysocld G，Bakllirl【ill Y。et a1Application ofqu柚mm cascade lars

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7、b既【b粒kqu强tIlmcaScadel蝴【J】懒f础P曙，1998，23(3)：219221【4】 M锄e JTrace g勰ssing、vitll pulsed，dis砸buted慨曲kqu卸tIlm c域ade l敬r【D】Alba乜：UniVers埘ofJba姐，2009【5】 S卸dip P，0瑚yan K B，McC姗HA spec臼roscopic smdy fbrdetection of carbonInonoxide using IrIidi删tectlniquesfor sin斟e p勰s me勰umment 【c】，11Iird h咖ationalConfe玎ence

8、on 0ptical and Lar Diagnostics，2007：012020万方数据红外与激光工程第2期 wwwirlacn 第45卷【6】 Lu l(ai，Liu Bai”，Bai Y叽glin，et a1High powcr laser mode“ve p0”r supply【J】妞删册dZ4册励咖鲫两g，201241(10)：2680一2684(in Chizlese)卢凯，刘百玉，白永林，等大功率半导体激光器驱动电源的设计【J】红外与激光工程，2012，41(10)：26802684【7】 waIlg JiIIlIuaYHongba0，Liu zixingAnalysis of

9、 l姗eIIIitciI唱circuit winl lIighpower卸d shoftpulSe【J】砸硎积dZ椰盯砌曲l聊如g2010，39(6)：1049一1054(in Cmnese)王金花姚宏宝刘子星高功率窄脉冲激光发射电路分析【J】红外与激光工程，2010，39(6)：104910s4【8】 Yu Zha0锄LV Tieli锄g，Yao动jllong，et a1Model卸dsimul8tiof driving c的uits in pulscd quantllm cascade lasers【J】a吵nw话妇一朋g，20132l(S)：120127(in CIlinese)余兆安，

10、吕铁良，姚志宏，等脉冲量子级联激光器驱动电路建模及仿真【J】光学精密工程2013，2l(增)：120127【9】 Lin M S，Chen C LAn LED driver、itIl puIcurrent driVing眦hrIique【J】臃丁-甩琳PD盯聊倒胁，2012，27(11)：45944601【10】Lun W l(LooK H，SiewCIlong Tan，et a1BileVel cumnt血VingteclIrIiqueforLEDs【刀腮髓m脚PD唧。眈咖，2009，24(12)：2920-2932【ll】 Carter B，B如rwn T RH柚dbook of Oper

11、adonal AmplifierApplicatio璐【M】US：Tex觞In咖ments，2001F瑚c0 s隗sign喇tIl 0p锄“onal AIllpljfiers and AnalogInt唧led CiIcuitS【M】New York：McGrawHill，1988舢pes Lase巧Qu锄mm cascade laSer users m咖al【DB，0L【2015一02一11】http：，帆俐alpcsla巧chLDP一3830 independent curInt limit【DB，OL】【20150110】http：，w、VwnewportcomPulsedLasedDi

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