筱晓小课堂 | 半导体激光器电流调制有什么用？

2024-07-05 13:25:34 232阅读次数

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半导体激光器是一种十分实用的激光器，它主要通过向P-N结注入电流，使电子和空穴在有源层内复合，产生光子。当注入的电流达到一定的阀值时，这些光子在谐振腔内通过反射镜反复振荡，克服腔内损耗，形成光振荡并放大，最终输出稳定的激光。我们称这种注入能量的方式为电泵浦。

那么，通过控制泵浦电流，我们可以控制激光的什么参数？

一般来说，注入电流越大，输出的激光功率也就越大，不考虑激光跳模、电流过大等特殊情况。通过测试激光器在不同工作电流下的光功率，我们可以绘制出该激光器输出光功率随电流变化的曲线，叫做功率-电流曲线，也叫P-I曲线。所以，通过控制电流，是可以控制激光功率的。

另外，每一支半导体激光器的P-I曲线也都会有所不同，哪怕是同一批次的光芯片，也会因为后期的封装工艺，出现细微的差别。所以，每一支半导体激光器在出厂前，都会单独出一份测试报告记录其性能。同时，我们在使用不同的半导体激光器前，都应该仔细研究一遍测试报告，根据上面提供的出厂P-I曲线，制定自己需要注入的电流I(t)来调制光功率。

例

我们使用LD-PD的一款1550nm DFB半导体激光器的测试数据进行分析。这是该激光器的P-I-V测试曲线：

所谓P-I-V曲线，就是在P-I曲线（绿色）的基础上，测试了V-I曲线（红色）。我们这篇文章只关注P-I曲线。

首先关注它的阈值电流点，也就是生成激光所需的最小电流值Ith。由图中可以看出，Ith大约是在90mA左右，激光功率开始上升，ΔP/ΔI在往后很大范围都保持为一个稳定的值。继续增加电流，在1000mA左右，我们可以观察到曲线表现出非线性，ΔP/ΔI开始变小。最后，增加到最大电流1500mA，这个时候，光功率达到最大值180mW左右。

分析完P-I曲线后，我们可以配置对应的电流信号来达到对光功率的控制。如果需要将光功率调制为脉冲型，那就注入脉冲电流，如果需要光功率产生一个正弦曲线的变化，就输入含cos(t)的电流。

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如何在生成符合我们需求的电流信号I(t)？

这个可以使用专门的半导体激光器驱动来实现。比如这款筱晓光子的低噪声mini驱动，在它的input口连接信号发生器，输入电压信号V(t),由它控制的半导体激光器就会注入对应的电流满足以下关系：

Ioffset是驱动可以另外指定设置的电流值，作为偏置电流进行叠加，k2是驱动内置的转换系数。最后，整理公式我们发现：

这样，通过电流调制技术，以激光为载波，我们就把信号发生器上的任意波形V(t)，调制到了光功率上。

但是，任意波形V(t)是错误的，因为我们仍需讨论调制带宽的问题。事实上，k1和k2都是频率相关的函数。输入的V(t)频率不同，k1和k2的值都不同。一般，它们在频域上都表现为一个低通函数形状。总之，在器件的响应带宽内，系数是固定的。我们在使用过程中，输入的V(t)如果有高频成分超过了器件的响应带宽，那么对应的高频成分会损耗，都是正常的现象。

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