CN1114790A - 高功率、高脉冲重复频率的小型脉冲激光二极管驱动器 - Google Patents

Abstract

一种高功率脉冲激光二极管驱动器，通过提供低阻抗不均匀条线结构的能量存贮电容器来保持高效、质轻和结构紧凑。其包括控制单元、电功率调节和脉冲充电单元、能量存贮单元、产生低功率激光的触发光源和驱动单元、将电容充电电能转换成大电流脉冲的光激励半导体开关单元、以把大电流脉冲转换成待输出的高功率脉冲的高功率激光器阵列。能量存贮单元包括极低阻抗的不均匀条线结构的能量存贮电容器。

Description

高功率、高脉冲重复频率的小型脉冲 激光二极管驱动器

本发明涉及激光二极管驱动器，具体地说涉及高功率高脉冲重复频率的脉冲激光二极管驱动器。

一般而论，激光驱动器主要分为气体激光器、固态激光器、和半导体激光器几类。气体激光器和固态激光器虽然能产生高输出功率，但庞大笨重、且成本高。再有，这些激光器在效率方面存在着缺陷。另一方面，半导体激光器体积小、重量轻、成本低、且效率高。由于半导体激光器具有这样一优点，所以近来利用半导体激光器呈逐渐增长的趋势。

常规的高功率脉冲激光驱动器的电路阻抗极高。由于在驱动电路(高阻抗)和激光器阵列(极低的阻抗)之间存在极严重的阻抗失配，所以电能没被用来操作激光器阵列，大部分电能而是以热的形式损失掉。但要使高功率半导体激光器工作，就应该给半导体激光器提供高过阈值的电流。因此，必须通过提高脉冲偏置电压来补偿以热的形式损失掉的能量。

因此，传统的高功率脉冲激光器必须被设计成具有很高的功率容量。这就要求有更高功率的半导体开关。

在常规的高功率脉冲激光器中，随着能量损失的增加，半导体开关所需的功率容量急剧陡峭地增加。因此，诸如输出激光脉冲的上升和下降时间、脉冲宽度、和脉冲重复频率(PRF)之类的激光驱动器的性能迅速变坏，同时还急剧增加了驱动器的尺寸和重量。

半导体激光二极管工作中的一个最重要的参数是提供的电流电平。在小电流电平时，即低于阈值的电流电平，激光二极管产生某种自发发射，而没有激光器输出(激光)。随着电流电平的增大，二极管激光器通过一个阈值，在这里激光二极管介质中的粒子变得反转，激光作用开始。

因此，低于阈值电流时，发射极少的激光，激光发射效率极低。一旦电流电平超过阈值，光输出急剧增加。

通过在一单块基片上制作大量的激光二极管，从而得到高功率激光二极管，称之为激光二极管条或激光器阵列。激光输出功率值正比于激光器阵列中的激光二极管数目。这种制作技术的明显好处是生产成本低、可批量生产、微型化、和高可靠性。缺点是通路器件电阻极低(比1欧姆小得多)。

因为激光器阵列是通过并联连接大量正向偏置的P—N结器件(即激光二极管)制作出来的，所以激光器阵列的通路电阻随着阵列中激光二极管数目的增多而下降。一般而言，高功率激光器阵列的通路电阻范围是从几个欧姆到小于0.01欧姆。同时，随着激光器阵列的输出功率值的增加(阵列中激光二极管数目增多)，这些激光器的电流电平阈值也随之急剧上升。

对脉冲的高功率激光器的运行进行调制的方案是一种直接调制，其中的激光是通过控制流入激光器阵列中的电流流动进行调制的。为使高功率、高PRF的脉冲激光器工作，必须通过激光驱动器产生高PRF的极大电流脉冲，并且将该脉冲传送到阻抗极低的负载(激光器阵列)上。

常规的高功率脉冲激光驱动器的性能主要取决于高功率半导体开关的性能，这些开关例如是可控硅整流管(SCR)、场效应功率晶体管(功率FET)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、以及双极型功率晶体管。

常规的高功率脉冲激光驱动器具有极高的电路阻抗，这种驱动器使用了电路布局技术，使高压电容器脉冲偏置，然后使电能通过接通功率半导体开关放电。由于在驱动电路(高阻抗)和激光器阵列(极低阻抗)之间存在严重的阻抗失配，所以电能没被用来操作激光器阵列，而是大部分电能以热的形式损失掉。产生的热量如此之大，使得必须安装风扇排除来自驱动器的热量。另外，(因为操作激光器阵列需要有一定的电流电平)，必须通过提高偏置电压来补偿损失的能量。

随着常规激光驱动器的功率处理性能的增加，激光驱动器的其它性能(例如：上升和下降时间、输出激光脉冲的脉冲宽度PRF)也随之迅速恶化，同时还急剧增加了驱动器的尺寸和重量。

因此，和本发明的激光器阵列相比，常规的高功率脉冲驱动器笨重、庞大、并且它们的诸如上升时间、下降时间、和PRF之类的性能也严重受限。

除峰值激光输出功率性能外，脉冲激光驱动器的其它重要参数是调制速度(高PRF时)、脉冲宽度、效率、重量、和紧凑性。在高PRF时能产生具有窄脉冲宽度的高峰值功率光脉冲同时还能保持高效率、轻重量、和小型化的脉冲激光驱动器是难以得到的。

因此，本发明的目的在于提供一种高功率脉冲激光二极管驱动器，通过设置低阻抗的不均匀条线结构的能量存贮电容器使该驱动器能保持高效率、轻重量、和小型化。

按照本发明，通过提供一种半导体激光驱动器来实现这一目的，该驱动器包括：控制输入驱动信号的控制装置，接收在所说控制装置中控制的所说驱动信号并由此产生电能的电功率调节和脉冲充电装置，接收来自所说电功率调节和脉冲充电装置的所说电能并且存贮接收到的电能的能量存贮装置，在电能已存入能量存贮装置时产生低功率激光的触发光源和驱动装置，将电容充电电能转换成大电流脉冲的光激励半导体开关装置，以及把得自所说光激励半导体开关装置的所说大电流脉冲转换成待输出的高功率光脉冲的高功率激光器阵列，其中所说能量存贮装置包括阻抗极低的能量存贮电容器。

从下述参照附图对实施例进行的描述将会清楚本发明的其它目的和方面，其中：

图1是按本发明的一种激光二极管驱动器的方块图；

图2a和2b分别是一个平面图和一个剖面图，表示具有扇形不均匀条线结构的一个能量存贮容器；

图3a和3b分别是一个平面图和剖面图，表示具有同心条形状的不均匀条线结构的能量存贮电容器；

图4是一个方块图，表示本发明的能量存贮电容器和一个激光器阵列之间的相互作用过程；并且，

图5a至5c是曲线图，分别表示该驱动器的能量流动顺序。

图1是按本发明的高功率、高PRF、小型脉冲激光二极管驱动器的方块图。该脉冲激光二极管驱动器包括：控制单元100、电功率调节和脉冲充电单元200、能量存贮单元300、触发光源及驱动单元400、光激励半导体开关单元500、以及高功率激光器阵列600。

控制单元100控制由输入级输入的信号并且将被控信号送到电功率调节和脉冲充电单元200。控制单元100还给触发光源及驱动单元400施加一个信号。

电功率调节和脉冲充电单元200通过来自控制单元100的信号对得自交流电网或电池的原始电能进行调节，并将某些能量送到能量存贮单元300。电功率调节和脉冲充电单元200还将某些能量送到触发光源及驱动单元400。

能量存贮单元300包括具有不均匀的条线结构的低阻抗电容器，存贮得自电功率调节和脉冲充电单元200的能量。

触发光源及驱动单元400包括一个触发光源，该激发光源用于输出低功率(或中等功率)的激光，并在能量存贮单元300完成能量贮存时并且在收到控制单元100输出的控制信号时被驱动。

光激励半导体开关单元500是多种类型光激励开关、例如闸流管、p—i—n开关、大型GaAs开关、大型Si开关、大型InP开关、等等。开关单元500通过得自触发光源及驱动单元400的激光被接通，把电容充电的静电能够转换成大电流脉冲。

因为触发光源及驱动单元400的光输出到光激励半导体开关单元500内，所以将电容充电的静电能转换成大电流脉冲形式。然后，高功率激光器阵列600就产生了高功率的光脉冲。

这里所建议的高功率脉冲驱动器电路采用了全新的电路元件和完全不同的操作原理。不利用高压电容器和高功率半导体开关调制激光器阵列，而是使用不均匀的条线结构当作能量存贮电容器，从而使设计灵活、电路效率提高、重量减轻、并且结构紧凑。特别是，借助于这种条线结构，使设计具有极小电路阻抗的能量存贮电容器变得极其容易。通过使用激光二极管触发的半导体开关，就会很容易地克服对功率半导体开关的重要限制，例如缓慢的上升和下降时间、小的PRF、以及宽的脉冲宽度。低阻抗能量存贮电容器和低功率(或中等功率)的激光二极管触发的半导体开关的成功的结合，将能得到一种小型脉冲激光二极管驱动器，它能产生高PRF、窄脉冲宽度、高峰值功率的光脉冲。

能量存贮单元300由不均匀阻抗条线结构制成，例如扇形条线结构或同心条线结构，分别如图2a、2b以及3a、3b所示。条线的电容和特性阻抗由下式给出：C＝ε_oε_rA/t，法拉(F)

其中：C是电容，A是电容器的电极面积，ε_o是自由空间的介电常数，t是电介质厚度，ε_r是绝缘介质的介电常数，Z_o是条线的特性阻抗，，并且W是条线的电极宽度。

利用不均匀条线结构的几何图形可设计出阻抗极低的能量存贮电容器。

当电能从低阻抗电容器转移到高功率激光器阵列时，大多数的能量用于使激光器阵列运转。因此，低阻抗电容器极大地降低了能量自电容器至激光器阵列传输期间的能量损失。

能量存贮单元300的主要功能是临时以静电能的形式保存电能。但在能量阻塞开关接通时，与该阻塞开关相接触区域的能量存贮电容器的边界条件就要发生从打开到关闭状态的变化。边界条件一旦变化，存贮在电容器中的静电能就要变为行波，并且开始通过开关向负载流动。

具体而论，当如图4所示将能量存贮电容器连到匹配负载阻抗上时，能量存贮电容器的作用就像一条传输线一样。于是就产生了具有陡峭的上升时间和下降时间的电流脉冲，这和具有RC时间常数衰减曲线的放电波形完全不同。这些脉冲的脉冲宽度大约是能量存贮电容器的双向波的渡越时间。电流脉的幅度大于从均匀阻抗的条线获得的电流幅度，这是因为增益因子和阻抗变换相关。所得电流幅度由下式给出：

I＝{(g/(R_on＋R_m)]×V{(R_on＋R_m)/(Z_in＋R_on＋R_m)}，安培(A)

其中：g是由不均匀条线结构的内、外特性阻抗间的阻抗变换产生的增益因子(系数值g的范围大于1但小于2)；R_m是匹配的外部阻抗，其中包括激光器阵列的通路阻抗；V是脉冲偏置电压；Z_in是条线的内部特性阻抗；并且，R_on是半导体开关的通路阻抗。在理想的匹配阻抗情况下，即R_on可忽略且Z_in和R_m相同，所得的电流脉冲变为下式：

                  I＝(g/R_m)×(V/2)，安培(A)除增益因子g外，这和完全确定的匹配的均匀条线大致相同。增益因子g给出了电路效率的附加的改进。因此，使用不均匀的低阻抗条线结构作为能量存贮电容器能产生极高的电路效率。

向启动动作程序的控制单元100不断发生下一步操作指令，由此使驱动器的动作开始。首先，启动电功率调节和脉冲充电单元200。通过启动了的电功率调节和脉冲充电单元200调节来自交流电网或电池的原始能量，并且用该原始能量对能量存贮单元300的电容器进行脉冲充电。在电容器的脉冲偏置电压达到峰值电压时，通过来自控制单元100的控制信号来启动触发光源及驱动单元400。

触发光源及驱动单元400以极高的PRF产生快上升时间的光脉冲并将该光脉冲送到光激励半导体开关单元500。

来自触发光源及驱动单元400的所得光脉冲耦合到光纤引线、通过光纤引线传输，并用于激励半导体开关单元500。

之后，该触发光穿过该半导体开关的有效区。该触发光一旦穿入半导体开关的有效区内，就能够产生数目足够多的由光致电子—空穴对，使开关的状态由完全断开(不导通)变化到完全闭合(导通)。

当开关接通时，存贮在能量存贮单元300的电容器中的静电能就以窄电流脉冲的形式放电。因为这些超过阈值的电流脉冲流向激光器阵列600，所以就产生了具有快速上升和下降时间的高功率激光脉冲。

在图5a、5b和5c中给出了这种驱动器的能量流动的图解顺序。当半导体开关被触发时，所得的光脉冲的形状和驱动电流脉冲的形状极为相似，只是输出激光脉冲的上升时间比驱动电流脉冲的上升时间更快些。但所得到的电流脉冲的脉冲宽度却是由触发光脉冲的脉冲宽度和在能量存贮电容器中的波的渡越时间决定的。

在阻抗匹配良好的情况下，输出激光脉冲的脉冲宽度大约是能量存贮电容器中双向波的渡越时间，并由下述给出：

在阻抗严重失配的情况下，输出激光脉冲的脉冲宽度就和触发光脉冲的脉冲宽度非常相似。其主要原因是由阻抗严重失配引起的行波的多次反射而造成的。

对于功率半导体开关来说，随着功率半导体开关的功率处理能力的增加，开关的上升时间和下降时间都要随之变慢，并且开关的接通时间也随之增长。因而，功率半导体开关的PRF性能要随着这些开关的功率处理能力的缓慢高而迅速下降。

不通过高功率半导体开关产生电流脉冲，而是通过产生来自低功率(或中等功率)的激光器二极管的快上升时间的光脉冲、并将该光脉冲用作触发光。就使半导体激光驱动器能产生具有快速上升时间的大电流脉冲。

因此，按不均匀的条线结构的几何图形可设计出具有极低阻抗的小型能量存贮电容器。这种低阻抗电容器极大地降低了在能量从电容器向激光器阵列传输期间的能量损失。

和常规的高功率脉冲激光驱动器不同，极为有效的本发明的最终得到的脉冲驱动器根本不需要高功率的电源和排热风扇。

从以上描述清晰可见，本发明提供了一种高功率的脉冲激光驱动器，该驱动器包括一种阻抗低的不均匀条线结构的能量存贮电容器。因此，能够大大地降低激光器阵列的电能损失，同时又能保持高效率、轻重量、和结构紧凑。

虽然为了进行说明公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员应该认识到，在不偏离所附权利要求书公开的本发明的范围和构思的条件下，各种各样的改进、增加、和替换全都是可能的。

Claims (2)

1.一种半导体激光驱动器，包括：

控制装置，用于控制输入驱动信号；

电功率调节和脉冲充电装置，用于接收在所说控制装置中控制的所说驱动信号并因此而产生电能量；

能量存贮装置，用于接收来自所说电功率调节和脉冲充电装置的所说电能并存贮接收到的电能；

触发光源及驱动装置，用于在电能已经存入能量存贮装置时产生低功率激光；

光激励半导体开关装置，用于把电容充电电能转换成大电流脉冲；以及

高功率激光器阵列，用于把得自所说光激励半导体开关装置的所说大电流脉冲转换成高功率光脉冲以备输出；

其中，所说能量存贮装置由极低阻抗的能量存贮容器组成。

2.一种如权利要求1所述的半导体激光驱动器，其中所说能量存贮电容器具有一种不均匀阻抗条线结构。

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