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; 梁圣法; 张锦川; 吕铁良

doi:10.3788/IRLA201645.0206002

基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0206002

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

基金项目:

中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室课题

详细信息

作者简介:
余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

通讯作者: 吕铁良(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事气体传感器、系统集成、测控技术方面的研究。Email:TL_L@wh.sdu.edu.cn

中图分类号: TP271.5

A fast driving technique for narrow pulsed quantum cascade lasers with frequency compensation

1.
Key Laboratory of Microelectronic Device &Integrated Technology,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;
2.
Institute of Semiconductor of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;
3.
Shandong University at Weihai,Weihai 264209,China

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5~15 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QCL驱动器无法满足这个要求。为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0~2 A、脉宽8.4~200 ns、上升时间4 ns、过冲1%的脉冲电流输出。使用中国科学院半导体研究所研制的波长4.6m激光器和傅里叶变换光谱仪进行测试,当驱动脉宽由100 ns减小到10 ns时,激光器线宽由0.35 cm-1线性递减到0.12 cm-1。综合验证表明,所设计的驱动装置实现了稳定的窄脉冲电流输出,尤其适用于量子级联激光器的窄线宽驱动及应用。
- 量子级联激光器 /
- 线宽 /
- 脉冲驱动电路 /
- LED驱动
Abstract: The line width of pulsed quantum cascade lasers(QCL) increases with the device heating up during the driving pulse, so QCL drivers need to generate ultra-short current pulse. Generally, pulses of 5 ns to 15 ns durations can reach the Fourier transform limit. However, due to the existence of parasitic parameters, narrow pulses will lead to overshoot or oscillation. Therefore, the current commercial QCL drivers can not meet this requirement. To obtain narrower line width of QCLs, a frequency compensation method based on conventional pulse constant current circuit was proposed in this work to eliminate overshoot and oscillation. And a stable pulse laser driving circuit was also designed which can output 0-2 A pulse current, with 8.4-200 ns pulse width, 4 ns rising time, and 1% overshoot. Function test was carried out with a QCL with 4.6m center wavelength made from Institute of Semiconductor of Chinese Academy of Sciences, and a Fourier transform infrared spectroscopy. The laser line width decreased almost linearly from 0.35 cm-1 to 0.12 cm-1, when the driving pulse width decreased from 100 ns to 10 ns. Experimental results show that the driver is able to output stable narrow pulses, which is suitable for narrow line width driving of QCLs and their applications.
- quantum cascade laser(QCL) /
- line width /
- pulse driving circuit /
- LED driver

[1]
[2]	Kosterev A, Wysocki G, Bakhirkin Y, et al. Application of quantum cascade lasers to trace gas analysis[J]. Applied Physics B-Lasers and Optics, 2008, 90(2):165-176.
[3]	Ren W, Farooq A, Davidson D F, et al. CO concentration and temperature sensor for combustion gases using quantum-cascade laser absorption near 4.7m[J]. Applied Physics B-Lasers and Optics, 2012, 107(3):849-860.
[4]
[5]	Namjou K, Cai S, Whittaker E A. Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser[J]. Optics Letters, 1998, 23(3):219-221.
[6]
[7]
[8]	Manne J. Trace gas sensing with pulsed,distributed feedback quantum cascade laser[D]. Alberta:University of Alberta, 2009.
[9]	Sandip P, Ozanyan K B, McCann H. A spectroscopic study for detection of carbon-monoxide using mid-infrared techniques for single-pass measurement[C]//Third International Conference on Optical and Laser Diagnostics, 2007:012020.
[10]
[11]
[12]	Lu Kai, Liu Baiyu, Bai Yonglin, et al. High power laser diode drive power supply[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(10):2680-2684.(in Chinese)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):2680-2684.
[13]
[14]	Wang Jinhua, Yao Hongbao, Liu Zixing. Analysis of laser emitting circuit with high-power and short-pulse[J]. Infrared and Laser Engineering, 2010, 39(6):1049-1054.(in Chinese)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):1049-1054.
[15]	Yu Zhaoan, Lv Tieliang, Yao Zhihong, et al. Model and simulation of driving circuits in pulsed quantum cascade lasers[J]. Opt Precision Eng, 2013, 21(S):120-127.(in Chinese)余兆安, 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, 21(增):120-127.
[16]
[17]
[18]	Lin M S, Chen C L. An LED driver with pulse current driving technique[J]. IEEE Trans Power Electron, 2012, 27(11):4594-4601.
[19]	Lun W K, LooK H, Siew-Chong Tan, et al. Bilevel current driving technique for LEDs[J]. IEEE Trans Power Electron, 2009, 24(12):2920-2932.
[20]
[21]
[22]	Carter B, Brown T R. Handbook of Operational Amplifier Applications[M]. US:Texas Instruments, 2001.
[23]	Franco S. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits[M]. New York:McGraw-Hill, 1988.
[24]
[25]
[26]
[27]	Zhang Xingliang, Guo Lihong, Zhang Chuansheng, et al. Design of high-voltage pulse trigger system for CO2 laser[J]. Chinese Optics, 2012, 5(4):416-422.(in Chinese)张兴亮, 郭立红, 张传胜,等. CO2激光器高压脉冲触发系统的设计[J]. 中国光学, 2012, 5(4):416-422.
[28]
[29]
[日] Michio Okamura. OP Amplifier Circuit Design[M]. Translated by Wang Ling, Xu Yazhen, Li Wuping. Beijing:Science Press, 2004.(in Chinese)[日]冈村迪夫. OP放大电路设计[M]. 王玲,徐雅珍,李武平,译. 北京:科学出版社, 2004.
[31]	Lytkine A, Manne J, Jager W, et al. Characterization of a 10.3m pulsed DFB quantum cascade laser[J]. Spectrochimica Acta Part A, 2006, 63(5):947-951.

[1]	赵琳, 张晓东, 雷李华, 袁群, 李锁印, 梁法国, 吴爱华. 复合型高深宽比沟槽标准样板 . 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220646-1-20220646-9. doi: 10.3788/IRLA20220646
[2]	周平, 吴永前, 张蓉竹. 一种可降低Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器衍射损耗的结构设计 . 红外与激光工程, 2023, 52(1): 20220206-1-20220206-7. doi: 10.3788/IRLA20220206
[3]	廉玉东, 胡祺, 解璐洋, 靳鹏, 杜奋娇, 王雨雷, 吕志伟. 介质FC-770受激布里渊散射脉冲压缩Stokes线宽特性研究（特邀） . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230402-1-20230402-6. doi: 10.3788/IRLA20230402
[4]	杨涛, 李武森, 陈文建. 新型小功率半导体激光器驱动及温控电路设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20210764-1-20210764-8. doi: 10.3788/IRLA20210764
[5]	杨仕轩, 赵柏秦, 王立晶, 王宁. 采用GaN HEMT的可调窄脉冲激光器驱动电路 . 红外与激光工程, 2022, 51(10): 20220036-1-20220036-8. doi: 10.3788/IRLA20220036
[6]	朱纯凡, 王贤耿, 汪祥, 王瑞军. 中红外量子级联激光器的光子集成（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20220197-1-20220197-7. doi: 10.3788/IRLA20220197
[7]	庞磊, 程洋, 赵武, 谭少阳, 郭银涛, 李波, 王俊, 周大勇. 基于MOCVD生长的4.6 μm中红外量子级联激光器 . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210980-1-20210980-6. doi: 10.3788/IRLA20210980
[8]	王珂, 蔡军, 丁宇, 胡启立, 张乐. 中红外量子级联激光器偏振合束实验研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(8): 20210679-1-20210679-5. doi: 10.3788/IRLA20210679
[9]	周平, 吴永前, 张蓉竹. 准直透镜失调对Littman-Metcalf光栅外腔激光器线宽的影响 . 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210168-1-20210168-8. doi: 10.3788/IRLA20210168
[10]	李海星, 隋修宝, 姚哲毅, 陈钱, 顾国华. 辐射定标光源多路LED恒流驱动设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20210902-1-20210902-8. doi: 10.3788/IRLA20210902
[11]	王立晶, 赵柏秦, 杨仕轩. 大电流窄脉冲激光器驱动芯片设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20210034-1-20210034-6. doi: 10.3788/IRLA20210034
[12]	吴涛, 庞涛, 汤玉泉, 孙鹏帅, 张志荣, 徐启铭. 半导体激光器驱动电路设计及环路噪声抑制分析 . 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20190386-1-20190386-10. doi: 10.3788/IRLA20190386
[13]	冉建, 曹飞, 姜俊, 张兴. 大电流、高稳定脉冲激光器驱动电路设计与数学分析 . 红外与激光工程, 2020, 49(S1): 20200184-20200184. doi: 10.3788/IRLA20200184
[14]	冯力天, 赵培娥, 史晓丁, 靳国华, 杨泽后, 周鼎富, 侯天晋. 光源线宽对相干激光测风雷达探测性能的影响分析 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 406005-0406005(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0406005
[15]	陈杉杉, 张合, 徐孝彬. 激光引信窄脉冲光源驱动电路设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(S1): 16-22. doi: 10.3788/IRLA201847.S106004
[16]	白晓磊, 盛泉, 张海伟, 付士杰, 史伟, 姚建铨. 单频EYDFA中种子光功率和增益光纤温度对输出线宽的影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1005004-1005004(6). doi: 10.3788/IRLA201847.1005004
[17]	孟冬冬, 张鸿博, 李明山, 林蔚然, 沈兆国, 张杰, 樊仲维. 定向红外对抗系统中的激光器技术 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105009-1105009(10). doi: 10.3788/IRLA201847.1105009
[18]	赵越, 张锦川, 刘传威, 王利军, 刘俊岐, 刘峰奇. 中远红外量子级联激光器研究进展(特邀) . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1003001-1003001(10). doi: 10.3788/IRLA201847.1003001
[19]	李涛, 祝连庆, 刘锋, 张荫民. 基于LDMOS的可调窄脉冲半导体激光器驱动源研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 105003-0105003(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0105003
[20]	袁其平, 吴丽娜, 童峥嵘, 曹晔, 张卫华. 基于单边带调制的前馈技术压缩半导体激光器线宽 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1699-1703.

点击查看大图

计量

文章访问数: 588
HTML全文浏览量: 130
PDF下载量: 203
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0206002

作者简介:
余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

通讯作者: 吕铁良(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事气体传感器、系统集成、测控技术方面的研究。Email:TL_L@wh.sdu.edu.cn

A fast driving technique for narrow pulsed quantum cascade lasers with frequency compensation

计量

基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0206002

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

作者简介:
余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

通讯作者: 吕铁良(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事气体传感器、系统集成、测控技术方面的研究。Email:TL_L@wh.sdu.edu.cn

English Abstract

A fast driving technique for narrow pulsed quantum cascade lasers with frequency compensation

1. Key Laboratory of Microelectronic Device &Integrated Technology,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;

2. Institute of Semiconductor of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;

3. Shandong University at Weihai,Weihai 264209,China

全文HTML

目录

留言板

基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0206002

作者简介: 余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

通讯作者: 吕铁良(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事气体传感器、系统集成、测控技术方面的研究。Email:TL_L@wh.sdu.edu.cn

A fast driving technique for narrow pulsed quantum cascade lasers with frequency compensation

计量

出版历程

基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0206002

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

作者简介: 余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

通讯作者: 吕铁良(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事气体传感器、系统集成、测控技术方面的研究。Email:TL_L@wh.sdu.edu.cn

English Abstract

A fast driving technique for narrow pulsed quantum cascade lasers with frequency compensation

1. Key Laboratory of Microelectronic Device &Integrated Technology,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2. Institute of Semiconductor of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China; 3. Shandong University at Weihai,Weihai 264209,China

全文HTML

目录

作者简介:
余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

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

作者简介:
余兆安(1982-),男,助理研究员,主要从事气体传感器、半导体器件测量方法方面的研究。Email:yuzhaoan@ime.ac.cn

1. Key Laboratory of Microelectronic Device &Integrated Technology,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;

2. Institute of Semiconductor of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;

3. Shandong University at Weihai,Weihai 264209,China