一种半导体激光器窄脉冲驱动电路及其工作方法与流程

本发明涉及一种半导体激光器窄脉冲驱动电路及其工作方法，属于半导体激光器的技术领域。

背景技术：

近年来，半导体激光器窄脉冲驱动电路以结构紧凑、稳定性高、脉冲宽度窄、重复频率高、脉冲宽度和重复频率可调等特点，广泛应用于光通信、单光子探测、光纤放大器种子源等领域。无论是在光通信、单光子探测，还是光纤放大器种子源领域，脉冲激光的平滑波形、稳定的中心波长、高输出功率、窄脉冲宽度等性能，都依赖于半导体激光器发射的激光脉冲质量，而半导体激光器发射的光脉冲是由半导体激光器驱动电路产生的电脉冲直接调制得到的，即脉冲电源的质量直接决定着激光脉冲质量的好坏；因此，半导体激光器脉冲驱动电路设计的好坏在相关领域中具有决定性的作用。

中国专利文件CN101895058A，公开了一种用于半导体激光器的高速窄脉冲调制驱动电源，该电源采用高速MOSFET作开关，通过改变驱动电源中的电源电压、电阻和电容，使被驱动的半导体激光器输出所需要的频率高、前沿快、脉宽窄、脉冲峰值可控、波形平滑的激光脉冲。中国专利文件CN103227413A，公开了一种半导体激光器驱动电路，该电路通过脉冲整形电路进一步压缩窄脉冲信号的宽度，通过功率放大电路提高窄脉冲信号的功率，并通过充放电的方式产生占空比可调的方波，最终获得脉冲宽度最窄为20ns和重复频率范围为100Hz-100KHz的光信号。以上两个专利都直接将窄脉冲信号驱动场效应管的栅极，但是由于MOSFET存在着寄生参数，这会加大信号的上升和下降时间，使信号的脉冲宽度变宽，况且通过对电容充放电的方式来获得高峰值窄脉冲信号需要提供很高的电压，这需要添加脉冲整形电路模块或者升压模块提高电压，以便快速对电容充放电，这样会加大系统的复杂度；所以，通过以上专利的方法无法获得整体结构简单、紧凑以及集成度高的半导体激光器驱动电路，也无法实现亚纳秒级脉冲宽度的光脉冲信号输出。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器窄脉冲驱动电路。

本发明还提供一种上述半导体激光器窄脉冲驱动电路的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种半导体激光器窄脉冲驱动电路，包括外部电源接口电路、窄脉冲产生电路和MOSFET脉冲驱动电路；外部电源接口电路分别为窄脉冲产生电路和MOSFET脉冲驱动电路供电。

外部电源接口电路，用于与外部电源输入端连接，引入外部电源；窄脉冲产生电路，用于产生所需窄脉冲信号，控制MOSFET驱动电路中的MOSFET开关；MOSFET脉冲驱动电路，用于驱动激光器，提供半导体激光器的工作电压和工作电流，驱动激光器产生所需光脉冲信号。

优选的，所述窄脉冲产生电路包括CPLD控制芯片U6、与门芯片U7、晶振时钟U8、延时芯片U9、延时芯片U10和电平转换芯片U11；所述MOSFET脉冲驱动电路包括MOSFET驱动芯片U4；

进一步优选的，晶振时钟U8的2号引脚连接CPLD控制芯片U6的12号引脚，晶振时钟U8的1号引脚接+3.3V电源，晶振时钟U8的1号引脚还通过电容C13接地，晶振时钟U8的4号引脚接地；

电平转换芯片U11的1、3号引脚接地，电平转换芯片U11的2号引脚接+3.3V电源，电平转换芯片U11的4号引脚连接CPLD控制芯片U6的26号引脚；电平转换芯片U11的10、13、18号引脚并联后接+3.3V电源；电平转换芯片U11的10、13、18号引脚并联后分别通过电容C14、C15、C16、C17接地；电平转换芯片U11的19号引脚连接延时芯片U10的5号引脚；电平转换芯片U11的20号引脚连接延时芯片U10的4号引脚；电平转换芯片U11的19、20号引脚分别通过电阻R14、电阻R13接+1.3V电源；电平转换芯片U11的11号引脚连接延时芯片U9的5号引脚；电平转换芯片U11的12号引脚连接延时芯片U9的4号引脚，电平转换芯片U11的11、12号引脚分别通过电阻R15、电阻R16接+1.3V电源；

延时芯片U10的1、2、23、25、26、27、29、30、31、32号引脚分别连接CPLD控制芯片U6的38、37、50、49、48、47、42、41、40、39号引脚；延时芯片U10的3、9、10、11、12、16、24、28号引脚接地；延时芯片U10的8号引脚通过电阻R12与延时芯片U10的9号引脚连接；延时芯片U10的13、18、19、22号引脚连接+3.3V电源；延时芯片U10的20号引脚连接与门芯片U7的2号引脚；延时芯片U10的21号引脚连接与门芯片U7的1号引脚；延时芯片U10的20、21号引脚分别通过电阻R8、电阻R10接+1.3V电源；

延时芯片U9的8号引脚通过电阻R11连接延时芯片U9的9号引脚；延时芯片U9的9、10、12、16、24、28号引脚接地；延时芯片U9的11、13、18、19、22号引脚连接+3.3V电源；延时芯片U9的20号引脚连接与门芯片U7的3号引脚；延时芯片U9的21号引脚连接与门芯片U7的4号引脚；延时芯片U9的20、21号引脚分别通过电阻R7、电阻R9接+1.3V电源；

与门芯片U7的5号引脚接地；与门芯片U7的6号引脚连接MOSFET驱动芯片U4的14、16、20号引脚并联后的端口；与门芯片U7的7号引脚连接MOSFET驱动芯片15、17、21号引脚并联后的端口；与门芯片的7、6号引脚分别通过电阻R5、电阻R6接+1.3V电源；与门芯片U7的8号引脚连接+3.3V电源。

MOSFET驱动芯片U4的4、8、10、12、24、26、28、29号引脚接地；MOSFET驱动芯片U4的18、19号引脚连接+5V电源；MOSFET驱动芯片U4的1、2、3、5、6、7号引脚并联后通过电阻R3与可调电阻R2的可调脚连接，可调电阻R2的固定阻值端分别连接+5V电源和接地；MOSFET驱动芯片U4的1、2、3、5、6、7号引脚并联后还通过电容C7接地；MOSFET驱动芯片U4的15、17、21号引脚并联后与电阻R4的一端连接，MOSFET驱动芯片U4的14、16、20号引脚并联后与电阻R4的另一端连接；电容C1与电阻R1串联后分别与电容C2、稳压二极管D1和激光器D2并联形成并联电路，MOSFET驱动芯片U4的9、11、13、23、25、27号引脚并联后的端口通过所述并联电路连接+VLD电源。将稳定的电压连接MOSFET驱动芯片U4的CLX端控制流经半导体激光器的电流。

优选的，所述外部电源接口电路包括四个接口U1、U2、U3和U5；U1、U2、U3和U5分别引入外部的+1.3V、+3.3V、+5V、+VLD电源；引入的+1.3V电源经并联后的电容C18、C19后接地，引入的+3.3V电源经并联后的电容C10、C11、C12后接地，引入的+5V电源经并联后的电容C8、C9后接地，引入的+VLD电源经并联后的电容C3、C4、C5、C6后接地。其中，+VLD电源的电压根据激光器的工作电压来决定，是本领域技术人员所熟知的。

外部电源接口电路，用于与外部电源输入端连接，引入外部电源，为整个电路提供所需要的稳定电压；窄脉冲产生电路，用于产生脉冲宽度和重复频率可调的触发信号。

优选的，MOSFET驱动芯片U4的LDKX输出端连接半导体激光器的阴极，半导体激光器的阳极连接+VLD电源；MOSFET驱动芯片U4的CLX端连接稳定的电压。+VLD电源为半导体激光器提供所需的工作电压；稳定的电压，为半导体激光器提供所需的工作电流。

一种上述半导体激光器窄脉冲驱动电路的工作方法，包括步骤如下：

1)CPLD控制芯片U6产生激励信号，将CPLD控制芯片U6产生的激励信号分成两路，其中一路激励信号经延时芯片U9，但不延时直接到达与门芯片U7，另一路激励信号经过延时芯片U10并延时再进入与门芯片U7，与门芯片U7输入的两路信号进行与运算后输出窄脉冲触发信号；

2)窄脉冲产生电路产生的窄脉冲触发信号用于触发MOSFET驱动芯片U4的开关；当窄脉冲触发信号为低电平时，MOSFET驱动芯片U4通路关闭，半导体激光器不工作；当窄脉冲触发信号为高电平时，MOSFET驱动芯片U4通路导通，半导体激光器正常工作。脉冲宽度和重复频率可调的窄脉冲触发信号触发MOSFET驱动芯片U4的开关，使得半导体激光器产生参数可调的光脉冲信号。

优选的，CPLD控制芯片U6根据外部晶振时钟分频提供所需激励信号。

优选的，触发信号连接MOSFET驱动芯片U4的ENX输入端，用于触发MOSFET驱动芯片U4的开关。

通过控制窄脉冲产生电路所产生触发信号的脉冲宽度和重复频率，半导体激光器可获得脉冲宽度和重复频率可调的光脉冲信号；窄脉冲产生电路主要采用延时芯片和与门芯片实现。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述半导体激光器窄脉冲驱动电路，通过控制窄脉冲产生电路触发信号的脉冲宽度和重复频率，半导体激光器可获得脉冲宽度和重复频率连续可调的光脉冲信号；窄脉冲产生电路产生的触发信号直接驱动MOSFET驱动芯片场效应管的漏极开关，其场效应管的栅极连接稳定的电压，这样可以避免直接用脉冲信号驱动场效应管栅极时信号上升时间和下降时间过大的问题；况且通过控制MOSFET驱动芯片CLX端的电压和半导体激光器的阳极电压，可以驱动工作电压0-12V和工作电流0-3A的不同型号的半导体激光器；通过此方法，最终可获得脉冲宽度为538ps-10ns并连续可调的光脉冲信号；

2.本发明所述半导体激光器窄脉冲驱动电路，是一种结构简单、反应速度快、脉冲宽度窄、脉冲宽度和重复频率可调、驱动电流大、可控性强的半导体激光器窄脉冲驱动电路。

附图说明

图1为本发明所述半导体激光器窄脉冲驱动电路的结构示意图；

图2为本发明所述外部电源接口U1的电路结构图；

图3为本发明所述外部电源接口U2的电路结构图；

图4为本发明所述外部电源接口U3的电路结构图；

图5为本发明所述外部电源接口U5的电路结构图；

图6为CPLD控制芯片U6的电路结构图；

图7为电平转换芯片U11的电路图；

图8为延时芯片U9的电路图；

图9为门芯片U7的电路图；

图10为延时芯片U10的电路图；

图11为MOSFET脉冲驱动电路的电路图；

图12为通过本发明所述半导体激光器窄脉冲驱动电路产生的最窄538ps光脉冲信号图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示。

一种半导体激光器窄脉冲驱动电路，包括外部电源接口电路、窄脉冲产生电路和MOSFET脉冲驱动电路；外部电源接口电路分别为窄脉冲产生电路和MOSFET脉冲驱动电路供电。

外部电源接口电路，用于与外部电源输入端连接，引入外部电源；窄脉冲产生电路，用于产生所需窄脉冲信号，控制MOSFET驱动电路中的MOSFET开关；MOSFET脉冲驱动电路，用于驱动激光器，提供半导体激光器的工作电压和工作电流，驱动激光器产生所需光脉冲信号。

实施例2

如实施例1所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路，所不同的是，所述窄脉冲产生电路包括CPLD控制芯片U6、与门芯片U7、晶振时钟U8、延时芯片U9、延时芯片U10和电平转换芯片U11；所述MOSFET脉冲驱动电路包括MOSFET驱动芯片U4；

实施例3

如图6-11所示。

如实施例2所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路，所不同的是，晶振时钟U8的2号引脚连接CPLD控制芯片U6的12号引脚，晶振时钟U8的1号引脚接+3.3V电源，晶振时钟U8的1号引脚还通过电容C13接地，晶振时钟U8的4号引脚接地；

电平转换芯片U11的1、3号引脚接地，电平转换芯片U11的2号引脚接+3.3V电源，电平转换芯片U11的4号引脚连接CPLD控制芯片U6的26号引脚；电平转换芯片U11的10、13、18号引脚并联后接+3.3V电源；电平转换芯片U11的10、13、18号引脚并联后分别通过电容C14、C15、C16、C17接地；电平转换芯片U11的19号引脚连接延时芯片U10的5号引脚；电平转换芯片U11的20号引脚连接延时芯片U10的4号引脚；电平转换芯片U11的19、20号引脚分别通过电阻R14、电阻R13接+1.3V电源；电平转换芯片U11的11号引脚连接延时芯片U9的5号引脚；电平转换芯片U11的12号引脚连接延时芯片U9的4号引脚，电平转换芯片U11的11、12号引脚分别通过电阻R15、电阻R16接+1.3V电源；

延时芯片U10的1、2、23、25、26、27、29、30、31、32号引脚分别连接CPLD控制芯片U6的38、37、50、49、48、47、42、41、40、39号引脚；延时芯片U10的3、9、10、11、12、16、24、28号引脚接地；延时芯片U10的8号引脚通过电阻R12与延时芯片U10的9号引脚连接；延时芯片U10的13、18、19、22号引脚连接+3.3V电源；延时芯片U10的20号引脚连接与门芯片U7的2号引脚；延时芯片U10的21号引脚连接与门芯片U7的1号引脚；延时芯片U10的20、21号引脚分别通过电阻R8、电阻R10接+1.3V电源；

延时芯片U9的8号引脚通过电阻R11连接延时芯片U9的9号引脚；延时芯片U9的9、10、12、16、24、28号引脚接地；延时芯片U9的11、13、18、19、22号引脚连接+3.3V电源；延时芯片U9的20号引脚连接与门芯片U7的3号引脚；延时芯片U9的21号引脚连接与门芯片U7的4号引脚；延时芯片U9的20、21号引脚分别通过电阻R7、电阻R9接+1.3V电源；

与门芯片U7的5号引脚接地；与门芯片U7的6号引脚连接MOSFET驱动芯片U4的14、16、20号引脚并联后的端口；与门芯片U7的7号引脚连接MOSFET驱动芯片15、17、21号引脚并联后的端口；与门芯片的7、6号引脚分别通过电阻R5、电阻R6接+1.3V电源；与门芯片U7的8号引脚连接+3.3V电源。

MOSFET驱动芯片U4的4、8、10、12、24、26、28、29号引脚接地；MOSFET驱动芯片U4的18、19号引脚连接+5V电源；MOSFET驱动芯片U4的1、2、3、5、6、7号引脚并联后通过电阻R3与可调电阻R2的可调脚连接，可调电阻R2的固定阻值端分别连接+5V电源和接地；MOSFET驱动芯片U4的1、2、3、5、6、7号引脚并联后还通过电容C7接地；MOSFET驱动芯片U4的15、17、21号引脚并联后与电阻R4的一端连接，MOSFET驱动芯片U4的14、16、20号引脚并联后与电阻R4的另一端连接；电容C1与电阻R1串联后分别与电容C2、稳压二极管D1和激光器D2并联形成并联电路，MOSFET驱动芯片U4的9、11、13、23、25、27号引脚并联后的端口通过所述并联电路连接+VLD电源。将稳定的电压连接MOSFET驱动芯片U4的CLX端控制流经半导体激光器的电流。

实施例4

如图2-5所示。

如实施例1所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路，所不同的是，所述外部电源接口电路包括四个接口U1、U2、U3和U5；U1、U2、U3和U5分别引入外部的+1.3V、+3.3V、+5V、+VLD电源；引入的+1.3V电源经并联后的电容C18、C19后接地，引入的+3.3V电源经并联后的电容C10、C11、C12后接地，引入的+5V电源经并联后的电容C8、C9后接地，引入的+VLD电源经并联后的电容C3、C4、C5、C6后接地。其中，+VLD电源的电压根据激光器的工作电压来决定，是本领域技术人员所熟知的。

外部电源接口电路，用于与外部电源输入端连接，引入外部电源，为整个电路提供所需要的稳定电压；窄脉冲产生电路，用于产生脉冲宽度和重复频率可调的触发信号。

实施例5

如实施例1所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路，所不同的是，MOSFET驱动芯片U4的LDKX输出端连接半导体激光器的阴极，半导体激光器的阳极连接+VLD电源；MOSFET驱动芯片U4的CLX端连接稳定的电压。

实施例6

一种如实施例1-5所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路的工作方法，包括步骤如下：

1)CPLD控制芯片U6产生激励信号，将CPLD控制芯片U6产生的激励信号分成两路，其中一路激励信号经延时芯片U9，但不延时直接到达与门芯片U7，另一路激励信号经过延时芯片U10并延时再进入与门芯片U7，与门芯片U7输入的两路信号进行与运算后输出窄脉冲触发信号；

2)窄脉冲产生电路产生的窄脉冲触发信号用于触发MOSFET驱动芯片U4的开关；当窄脉冲触发信号为低电平时，MOSFET驱动芯片U4通路关闭，半导体激光器不工作；当窄脉冲触发信号为高电平时，MOSFET驱动芯片U4通路导通，半导体激光器正常工作。脉冲宽度和重复频率可调的窄脉冲触发信号触发MOSFET驱动芯片U4的开关，使得半导体激光器产生参数可调的光脉冲信号。

实施例7

如实施例5所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路的工作方法，所不同的是，CPLD控制芯片U6根据外部晶振时钟分频提供所需激励信号。

实施例8

如实施例5所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路的工作方法，所不同的是，触发信号连接MOSFET驱动芯片U4的ENX输入端，用于触发MOSFET驱动芯片U4的开关。

利用本发明所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路，最终可获得脉冲宽度为538ps-10ns并连续可调的光脉冲信号，如图12所示为通过实施例所述的半导体激光器窄脉冲驱动电路及其工作方法产生的最窄538ps光脉冲信号图。