一种高稳定度直流半导体激光器驱动电源

介绍了一种使用FPGA控制的高稳定度半导体激光器驱动电源的设计,该电源基于Howland电路原理,采用FPGA控制的方法,实现了0~500 mA输出电流控制;输出电流在300 mA时,达到了0.003%的电流稳定度效果;在驱动蝶形封装的1550 nm半导体激光器,输入电流为40 mA时,输出光功率为7.49 mW,且光功率稳定度达到0.33%,对提高半导体激光器输出光功率稳定性具有重要意义。

高功率蓝光半导体激光加工光源

针对目前铜、金等金属材料加工的实际应用需求,开展了连续输出功率500 W的光纤耦合输出蓝光半导体激光加工光源研究。基于平面窗口TO封装的蓝光半导体激光单管器件,设计采用长后工作距的快轴准直镜和慢轴准直镜分别准直,获得低发散角、高光束质量的单元准直光束;结合二维空间合束、偏振合束和光纤耦合,将144个蓝光单管器件耦合进200μm/NA 0.22光纤,通过ZEMAX软件对半导体激光光路进行光线追踪模拟;并从实验上实现,3 A电流驱动下,200μm/NA 0.22光纤输出连续功率523 W,电光转换效率29%。该激光光源具有直接加工铜、金等材料的能力。

半导体激光器侧向模式控制技术的研究进展

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、激光雷达、空间通讯及国防等领域具有重大需求,但传统器件面临发散角大、光束质量差、亮度低的难题,限制了其直接应用。宽区半导体激光器具有输出功率和转换效率高的优点,但其侧向模式受多种物理效应的影响,高电流下激射模式数很大,导致远场宽度随电流增大迅速展宽,光束质量非常差,成为制约半导体激光亮度提高的关键瓶颈难题。因此,需要对半导体激光器的侧向模式进行控制。本文首先从半导体激光器的侧向模式影响机制出发,分析了其侧向模式特性及光场分布与器件结构的关联关系;接着,介绍了目前主要的侧向模式控制技术,通过抑制高阶模式及侧向远场展宽,实现光束质量的改善及激光亮度的提升。采用先进的侧向模式控制技术,可从芯片层次发展新型的高亮度半导体激光器,有利于拓展半导体激光器应用领域及降低应用成本,具有重要的研究意义。

带宽超30 GHz的850 nm方形横向耦合腔VCSEL

如今,人们对研究耦合腔面发射激光器结构的兴趣逐渐增加。这种结构通过向主腔施加调制电的同时向每个反馈腔施加直流电来实现带宽提升。然而,单独驱动主腔对器件性能的影响尚未得到深入研究。为了更全面地了解耦合腔激光器,我们设计并制备了边长为30μm×30μm的方形横向耦合腔VCSEL,并研究了在方形横向耦合腔中单独驱动主腔时器件性能的变化。室温下,-3 dB带宽达30.1 GHz,在非归零调制下,在背对背传输速率40 Gbit/s时获得清晰的眼图,相对强度噪声值为-160 dB/Hz。证明了反馈腔在不加驱动的条件下仍会对主腔的性能提供正向作用。设计的TCC-VCSEL器件只需要一个电源驱动,使其适用于高密度集成,为封装集成应用提供了新的思路。

封装方式对垂直腔面发射激光器热特性的影响及优化

垂直腔面发射激光器(VCSEL)易于片上集成,是激光雷达、安防照明等系统中的关键光电子器件。但VCSEL器件内部严重的自发热现象会影响器件的输出功率、高速特性和稳定性等,因此VCSEL热管理技术极具重要性,采用优化的封装方式能够有效增加VCSEL的热耗散,是改善VCSEL热性能的重要方法。本文基于有限元(Finite-element method,FEM)计算模型,对不同封装方式和器件表面采用覆盖铜薄层的VCSEL热特性进行数值分析。仿真结果表明,相较于顶出光封装方式,衬底出光(完全刻蚀上下DBR)的倒装焊封装能够有效降低有源区温度,下降超56%。随着器件台面直径逐渐增大,采用顶出光封装方式的器件温度和热阻显著下降,温度下降约50℃,热阻下降超3.25 K/mW;而完全刻蚀上下DBR结构且采用倒装焊封装方式和仅刻蚀PDBR结构且倒装焊封装方式的器件温度和热阻则均呈缓慢上升趋势,器件温度上升约2℃,热阻上升约0.15 K/mW。在器件台面、侧壁及衬底上表面覆盖一层铜可有效降低有源区温度和改善热阻,当覆铜层厚度为3μm时,有源区温度下降43%,热阻下降1.9 K/mW。本文分析了封装方式对VCSEL热特性的影响并提出相应的优化方案,对VCSEL的有效散热封装具有指导意义。

基于Zynq的TDLAS激光器温度控制系统研究

针对使用TDLAS技术检测CO_(2)气体,本文设计了基于Zynq的激光器温控系统。系统选用XILINX-7000系列XC7Z020芯片作为主控单元,利用其独特的PS(Processing System)和PL(Programmable Logic)架构,使用PS端的FPU(floating point unit)进行浮点数据运算,通过Block RAM共享片内数据缓存,使得PL端可以直接获取PS端数据并进行高速PID运算。主控单元通过驱动AD7124-4芯片获得激光器的实时运行温度,将实际温度与目标温度进行高速PID运算后得到TEC驱动信号,改变TEC芯片LT8722的输出电压值,实现对激光器温度的动态调节。经过实际测试,该系统可以稳定、高速的对激光器进行温度控制,控温精度可达到±0.01℃。

基于NRZ调制的40 Gbit/s无误码高速850 nm VCSEL设计与制备

850 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)是短距离光互连的核心光源。随着对数据中心流量的需求增加,实现不归零(NRZ)调制高速无误码传输是目前的研究热点。本文设计制备了基于λ/2短腔和六层氧化限制层的高速850 nm VCSEL,室温下最高-3 dB带宽达到23.8 GHz。NRZ调制50 Gbit/s(1 m)和40 Gbit/s(100 m)速率下获得清晰的眼图。在未使用预加重、均衡和前向纠错的条件下,通过NRZ调制在1 m和100 m下无误码传输速率分别为40Gbit/s和30 Gbit/s。

80 Gb/s高速PAM4调制850 nm垂直腔面发射激光器

展示了高速直接调制850 nm氧化物限制垂直腔面发射激光器(VCSEL)的结果。优化设计应变InGaAs/AlGaAs量子阱以实现高微分增益,通过表面刻蚀来调节光子寿命实现响应平坦化。研制的氧化物孔径约7μm的VCSEL具有平坦的频率响应,3 dB调制带宽为24 GHz,相对噪声强度值-155 dB/Hz,未采用任何预加重和均衡技术情况下PAM4调制数据传输速率达80 Gb/s。

宽调谐窄线宽外腔半导体激光器研究进展

外腔型半导体激光器具有低噪声、高边模抑制比、高温度稳定性、结构简单、成本低等优势,已成为实现宽调谐和窄线宽特性的优选方案,被广泛应用于光通信、激光雷达、环境监测、光谱分析、光学相干断层扫描等前沿领域.本文详细介绍了宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器的技术方案和发展现状.按照不同的结构分类,深入分析其结构、工作原理及性能特点,讨论近年来国际前沿研究方案的结构特点、关键技术、光学性能和应用领域.最后,对宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器面临的挑战和潜在的发展前景作出分析和展望.

基于ART-Kriging的TDLAS燃烧二维场检测技术

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术由于其灵活和高效的特性成为当前燃烧场研究的主要方法之一。传统的成像算法采用修正型代数迭代法(ART)对二维场进行求解,然而有限数量的探测光束使得ART算法的求解精度受限,难以满足实际应用需求。对此,本文在ART算法的基础上,提出一种ART-Kriging燃烧场二维建模算法,有效地解决了TDLAS-ART技术在燃烧场监控时精度较差的问题。通过实验对该算法进行了验证后,结果表明,本算法在温度场的求解上较ART算法分辨精度有显著提升,与热电偶实测温度结果误差小于8%,结果表明了算法的有效性。

用于SS-OCT的扫频光源控制系统研制

针对SS-OCT系统中对扫频光源多路同步驱动的控制需求,研制了一种基于FPGA作为主控单元的扫频光源控制系统。系统采用Xilinx公司XC7A100T芯片进行主控模块的设计,采用5个带缓冲反馈的增强型Howland电流源集成的方式进行激光器驱动模块设计,采用ADN8834芯片控制TEC的方式进行激光器温控模块设计,采用上位机软件进行人机交互。最后通过波长输出自动测试实验制作“波长-电流”查询表;通过调用“波长-电流”查询表进行自动连续线性输出实验,系统展现出在激光器全波长范围内具备1 nm控制精度和任意波长范围具备0.01 nm控制精度的控制效果,在SS-OCT的扫频光源集成控制领域具有借鉴意义。

面向OCT应用的快速宽调谐扫频光源的研究进展

光学相干层析成像(OCT)是一种广泛应用于眼科疾病诊断及其他测量和探测等领域的新型成像技术。其中,扫频方案(SS-OCT)作为OCT的一种主要技术路径,因具有成像速度快、深度深、分辨精度高等优势,成为了近年来OCT领域的研究重点。由于SS-OCT的性能主要由快速扫频光源的性能决定,所以对扫频光源的研究和开发至关重要。主要总结扫频光源的研究进展,从技术手段、设计思路、性能指标等方面出发,对扫频光源的研究进展和领域前沿的研究现状进行较为详细的介绍和总结。