一种基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置的制作方法

本发明涉及量子密钥分发领域，涉及一种基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，可应用于激光测量、量子信息等领域。

背景技术：

1、半导体激光器是以半导体材料为增益介质，通过自激振荡产生激光的器件。

2、对于半导体激光器，其增益介质为半导体结，激励源为电注入式激励、光子激励或电子束激励等。激励源使得大量载流子跃迁至高能级从而产生粒子数反转，载流子通过自发辐射复合产生光子，光子通过谐振腔不断诱发受激辐射从而产生激光。由于半导体激光器调制具备速度快，可靠性高，体积小的优点，往往是量子密钥分发(quantum keydistribution，qkd)的首选光源。

3、qkd系统中产生激光脉冲的方式有两种：一种是利用强度调制器等器件对连续光进行斩波，从连续光中截取脉冲，这种方式被称为间接调制或者外调制；另一种方式是通过改变激光器的注入电流，通过电流脉冲得到光脉冲，这种方式被称为直接调制或者内调制。采用间接调制产成的激光脉冲之间相位相互关联，需要进行相位随机化处理，采用直接调制产生的激光脉冲则可以做到天然的相位随机，qkd系统中一般采用直接调制的方法产生激光脉冲。

4、增益开关技术属于直接调制方法，增益开关技术的工作方式是给激光器施加一个高速的电脉冲，激光器的载流子浓度会急剧上升超过阈值，引起强烈的发光，载流子被快速消耗，进而导致光强下降，载流子又再次积累，如此反复直到光强稳定。在第一个光脉冲产生之后及时关闭电信号，避免载流子的二次积累，则可以形成一个超短的脉冲尖峰。

5、在一定范围内电激励信号的幅度越大对应输出的激光脉冲功率越高，同时激光脉冲的宽度也越窄，光脉冲时域特性更好。并且电激励信号的宽度越小，半导体激光器的增益区将更不容易出现饱和现象，从而抑制激光脉冲的拖尾产生。常见半导体激光器的发光阈值电流在几十ma水平，需要脉冲幅度至少约2v以上的电激励信号作为增益开关控制信号。当电激励信号宽度越小时，必须要求电激励信号幅度更大，才能保证激光器正常发光。

6、现有的激光器驱动电路装置最大输出幅度约2v左右，驱动能力有限，难以输出更高幅度的电激励信号，无法提升激光脉冲的时域参数性能。此外，驱动电路中放大器的增益会随着环境温度发生变化，输出信号幅度随之改变，使得激光器输出光强发生漂移。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是实现一种半导体激光器驱动装置，以解决现有激光器驱动装置输出信号幅度不足，激光脉冲功率不高、时域特性不好的问题，装置中的幅度监测电路同时也解决了激光器输出光功率随温度漂移的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，输入信号由前级放大电路din+、din-端口输入，所述前级放大电路输出端连接后级放大电路的输入端，所述后级放大电路的输出端连接激光器，射频信号幅度检测电路的输出端连接前级放大电路控制端，采集端连接前级放大电路的输出端。

3、所述前级放大电路包括激光器驱动芯片u1，激光器窄脉冲触发信号从激光器驱动芯片u1的din+、din-差分端口输入，所述激光器驱动芯片u1的输出端mod+与宽带射频放大器u2，所述激光器驱动芯片u1的另一个输出端mod-经电阻r5与射频检波器u3相连。

4、所述激光器驱动芯片u1包括幅度均衡电路、前置放大电路和信号驱动电路，所述幅度均衡电路的输入端连接din+、din-差分端口，并分别经电阻r1、r2连接vcc，所述幅度均衡电路的输出端连接前置放大电路的输入端，所述前置放大电路的输出端连接信号驱动电路的输入端，所述信号驱动电路的输出端为mod+和mod-。

5、所述信号驱动电路设有两个三极管，两个三极管的基极连接前置放大电路的输出端，射极经二极管接地，集电极分别连接mod+和mod-，并分别通过电阻r3、电阻r4连接vcc。

6、所述激光器驱动芯片u1为逻辑驱动芯片，所述激光器驱动芯片u1的输入、输出阻抗均为50ω阻抗，所述电阻r1、r2、r3、r4、r5的阻值均为50欧姆。

7、所述后级放大电路由包括串联的宽带射频放大器u2和电容c1，以及一端接电源、另一端连接宽带射频放大器u2和电容c1之间的电感l1，所述宽带射频放大器u2输出的射频输出信号通过电容c1输出至激光器。

8、所述射频信号幅度检测电路包括射频检波器u3、电阻r5和控制器u4。

9、所述控制器u4的dac1端连接激光器驱动芯片u1的modset端，所述控制器u4的dac2端连接激光器驱动芯片u1的eqset端，所述激光器驱动芯片u1的输出信号由电阻r5耦合到射频检波器u3输入端，所述射频检波器u3的输出端连接控制器u4的adc端口。

10、所述控制器为具有模数转换、数模转换功能的模块，采用mcu、dsp或fpga。

11、本发明激光器驱动芯片与宽带射频放大器的组合具有带宽宽、增益大、驱动能力强的特点，解决了现有激光器驱动装置因驱动信号幅度不足所导致的激光脉冲功率不高、时域特性不好的问题。该装置可适用于不同触发频率、不同功率、不同宽度的激光器驱动场合。同时，该装置采用两种不同的放大器级联输出，前级的激光器驱动芯片具备幅度均衡功能，可以补偿激光器窄脉冲驱动信号在印制电路板、同轴电缆等介质中传输所造成高频分量的损耗，提高了信号完整性。

技术特征：

1.一种基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：输入信号由前级放大电路din+、din-端口输入，所述前级放大电路输出端连接后级放大电路的输入端，所述后级放大电路的输出端连接激光器，射频信号幅度检测电路的输出端连接前级放大电路控制端，采集端连接前级放大电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述前级放大电路包括激光器驱动芯片u1，激光器窄脉冲触发信号从激光器驱动芯片u1的din+、din-差分端口输入，所述激光器驱动芯片u1的输出端mod+与宽带射频放大器u2，所述激光器驱动芯片u1的另一个输出端mod-经电阻r5与射频检波器u3相连。

3.根据权利要求2所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述激光器驱动芯片u1包括幅度均衡电路、前置放大电路和信号驱动电路，所述幅度均衡电路的输入端连接din+、din-差分端口，并分别经电阻r1、r2连接vcc，所述幅度均衡电路的输出端连接前置放大电路的输入端，所述前置放大电路的输出端连接信号驱动电路的输入端，所述信号驱动电路的输出端为mod+和mod-。

4.根据权利要求3所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述信号驱动电路设有两个三极管，两个三极管的基极连接前置放大电路的输出端，射极经二极管接地，集电极分别连接mod+和mod-，并分别通过电阻r3、电阻r4连接vcc。

5.根据权利要求4所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述激光器驱动芯片u1为逻辑驱动芯片，所述激光器驱动芯片u1的输入、输出阻抗均为50ω阻抗，所述电阻r1、r2、r3、r4、r5的阻值均为50欧姆。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述后级放大电路由包括串联的宽带射频放大器u2和电容c1，以及一端接电源、另一端连接宽带射频放大器u2和电容c1之间的电感l1，所述宽带射频放大器u2输出的射频输出信号通过电容c1输出至激光器。

7.根据权利要求6所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述射频信号幅度检测电路包括射频检波器u3、电阻r5和控制器u4。

8.根据权利要求7所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述控制器u4的dac1端连接激光器驱动芯片u1的modset端，所述控制器u4的dac2端连接激光器驱动芯片u1的eqset端，所述激光器驱动芯片u1的输出信号由电阻r5耦合到射频检波器u3输入端，所述射频检波器u3的输出端连接控制器u4的adc端口。

9.根据权利要求7所述的基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，其特征在于：所述控制器为具有模数转换、数模转换功能的模块，采用mcu、dsp或fpga。

技术总结
本发明揭示了一种基于增益开关技术的半导体激光器驱动装置，输入信号由前级放大电路DIN+、DIN‑端口输入，所述前级放大电路输出端连接后级放大电路的输入端，所述后级放大电路的输出端连接激光器，射频信号幅度检测电路的输出端连接前级放大电路控制端，采集端连接前级放大电路的输出端。本发明在驱动电路装置中增加了幅度检测功能，可以实时调整驱动电路的增益，抵消因温度漂移而造成的幅度变化，稳定激光器的输出功率。

技术研发人员：徐立坤,黄观金,叶萌,邵志成,王苗庚,龚卿,周华旭,蓝炜莹,张振南
受保护的技术使用者：南方电网调峰调频发电有限公司信息通信分公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16