壓控電流源電路及其方法、半導體激光器及其偏置電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了壓控電流源電路及其方法、半導體激光器及其偏置電源。壓控電流源電路包括電阻R1～R6、電壓保持芯片U1、三極管Q1、運算放大器U2A與U2B。U1的控制腳經R1作為壓控電流源電路的輸入端，U1的輸入腳經R2作為壓控電流源電路的輸入端。U1的輸出腳經R3連接U2A的反相端。U2A的同相端經R5接地，其輸出端連接U2B的同相端且還經R4連接其的反相端。U2B的反相端連接Q1的發(fā)射極，其輸出端連接Q1的基極。Q1的發(fā)射極經R6連接下拉電源，其集電極為壓控電流源電路的輸出端。本發(fā)明還公開該電路的壓控方法、具有該電路的半導體激光器偏置電源、設置有該半導體激光器偏置電源的半導體激光器。
【專利說明】
壓控電流源電路及其方法、半導體激光器及其偏置電源
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種電流源電路，尤其設及一種壓控電流源電路、該壓控電流源電路 的壓控方法、具有該壓控電流源電路的半導體激光器偏置電源、設置有該半導體激光器偏 置電源的半導體激光器。
【背景技術】
[0002] 現有的半導體激光器的偏置電路一般是用運算放大器和=極管級聯的恒流源電 路，如需改變直流偏置負極的電流，則需要改變=極管發(fā)射極的取樣電阻的大小，使用可調 電阻或更換電阻。運樣的實現方式功能單一，調試不便，調節(jié)精度差，可調范圍依賴于取樣 電阻。

【發(fā)明內容】

[0003] 為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種壓控電流源電路、該壓控電流源電路的壓 控方法、具有該壓控電流源電路的半導體激光器偏置電源、設置有該半導體激光器偏置電 源的半導體激光器，該壓控電流源電路能使半導體激光器偏置電源的電流具有精密可調、 紋波小、穩(wěn)定可靠的特點。
[0004] 本發(fā)明的解決方案是:一種壓控電流源電路，其包括：
[0005] 電阻Rl，其一端作為該壓控電流源電路的輸入端Load Bias;
[0006] 電阻R2,其一端作為該壓控電流源電路的輸入端Trig L
[0007] 電壓保持忍片Ul，其具有控制腳互巧、輸入腳Vin、輸出腳Vout;控制腳互巧連接電 阻Rl的另一端，輸入腳Vin連接電阻R2的另一端；
[000引電阻R3,其一端連接輸出腳Vout;
[0009] 運算放大器U2A，其反相端連接電阻R3的另一端；
[0010] 電阻R4,其一端連接運算放大器U2A的反相端，其另一端連接運算放大器U2A的輸 出端；
[0011] 電阻R5，其一端連接運算放大器U2A的同相端，其另一端接地；
[0012] 運算放大器U2B，其與運算放大器U2A形成兩級運算放大器的主電路;運算放大器 U2B的同相端連接運算放大器U2A的輸出端；
[0013] S極管Ql，其基極連接運算放大器U2B的輸出端，其發(fā)射極連接運算放大器U2B的 反相端，其集電極作為該壓控電流源電路的輸出端；
[0014] 電阻R6,其一端連接=極管Ql的發(fā)射極，其另一端連接下拉電源。
[0015] 作為上述方案的進一步改進，該下拉電源為-5V電源。
[0016] 作為上述方案的進一步改進，該壓控電流源電路還包括磁珠 BP1、電容Cl;電壓保 持忍片Ul的電源腳Vcc-方面經由磁珠 BPl連接+3.3V電源，另一方面經由電容Cl接地。
[0017] 作為上述方案的進一步改進，該壓控電流源電路還包括電容C2、電容C3;運算放大 器U2A的其中一個電源端一方面連接巧V電源，另一方面經由電容C2接地;運算放大器U2A的 其中另一個電源端一方面連接-5V電源，另一方面經由電容C3接地。
[0018] 進一步地，運算放大器肥B的兩個電源端的連接方式和運算放大器U2A的兩個電源 端的連接方式相同。
[0019] 本發(fā)明還提供上述任意壓控電流源電路的壓控方法，該壓控方法包括:將控制腳 另巧I的電平拉高，使電壓保持忍片Ul的輸出腳Vout的輸出電壓處于保持狀態(tài)，與輸入腳Vin 的當前輸入電壓無關;將控制腳立巧的電平拉低，通過輸入端化ig L設置電壓保持忍片Ul 的輸出腳Vout的輸出電壓的數值。
[0020] 本發(fā)明還提供一種半導體激光器偏置電源，其用于調整半導體激光器的直流偏置 負極的電流;該半導體激光器偏置電源包括上述任意壓控電流源電路，該壓控電流源電路 的=極管Ql的集電極連接該直流偏置負極。
[0021] 作為上述方案的進一步改進，該半導體激光器偏置電源還包括FPGA電路、數模轉 換電路;該FPGA電路的FPGA忍片作為主控忍片，將一個目標電壓值發(fā)送給該數模轉換電路 經過模數轉換后，再傳輸至該壓控電流源電路，該壓控電流源電路將輸出穩(wěn)定且可調的電 流加至該直流偏置負極。
[0022] 作為上述方案的進一步改進，該壓控電流源電路的輸入端Load Bias連接該FPGA 忍片的I/O端口，該壓控電流源電路的輸入端化ig L連接該數模轉換電路的輸出端。
[0023] 本發(fā)明還提供一種半導體激光器，其直流偏置負極設置有半導體激光器偏置電 源;該半導體激光器偏置電源為上述任意半導體激光器偏置電源，該半導體激光器偏置電 源的壓控電流源電路的=極管Ql的集電極連接該直流偏置負極。
[0024] 本發(fā)明的壓控電流源電路能使半導體激光器偏置電源的電流具有精密可調、紋波 小、穩(wěn)定可靠的特點，還能使變換半導體激光器的應用時，無需更改電路，通過FPGA控制數 模轉換忍片的輸入電壓即可實現。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明半導體激光器發(fā)窄脈沖光的示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明半導體激光器發(fā)連續(xù)光的示意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明半導體激光器的半導體激光器偏置電源的示意圖。
[0028] 圖4是圖3中半導體激光器偏置電源的壓控電流源電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0030] 隨著激光技術的應用趨于成熟，小型的半導體激光器已廣泛應用于信息通訊、醫(yī) 療衛(wèi)生、軍事技術等諸多領域。小型半導體激光器也稱二極管激光器，具有體積小、質量輕、 效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。與低功率半導體激光器配套使用的偏置電源對半導體激光器產 生的光信號質量具有顯著影響，針對不同的應用場合，偏置電源需要具有電流精密可調的 功能。
[0031] 本發(fā)明的半導體激光器具體可W是一種分布式反饋特定波長激光器，作為產生弱 相干光脈沖的光源，廣泛應用于量子通信領域。
[0032] 偏置電源本質上是一種壓控電流源，因為根據半導體激光器的發(fā)光原理，流過激 光二極管的電流對激光器發(fā)光有直接影響。在偏置電源提供接近OmA直流偏置電流作用下， 射頻調制信號才能驅動半導體激光器產生理想的光脈沖信號；同時，當偏置電源單獨作用 于半導體激光器時，激光器發(fā)出連續(xù)光，偏置電源的電流越大，連續(xù)光的光功率越大，且基 本呈線性關系。
[0033] 皮秒脈沖激光器可產生IGHzW上重復頻率、超窄脈沖寬度(脈寬典型值為50ps)的 脈沖光，廣泛應用于量子密鑰分發(fā)(QKD)、單光子探測器測試和激光雷達等諸多場合。
[0034] 請一并參閱圖1及圖2,本發(fā)明的半導體激光器1的直流偏置負極設置有半導體激 光器偏置電源2。本實施例的半導體激光器具體可W是一種分布式反饋特定波長激光器，該 偏置電源可滿足此種半導體激光器在不同應用場合的需求。
[0035] 請結合圖3,半導體激光器偏置電源2包括FPGA電路21、數模轉換電路22、壓控電流 源電路23"FPGA電路21的FPGA忍片作為主控忍片，將一個目標電壓值發(fā)送給該數模轉換電 路22經過模數轉換后，再傳輸至該壓控電流源電路23,該壓控電流源電路23將輸出穩(wěn)定且 可調的電流加至該直流偏置負極，壓控電流源電路23輸出的電流精密可調，電流紋波小于 0.1mA。數模轉換電路22可為12位的高精度DAC忍片。
[0036] 如圖1所示，方波信號作為輸入觸發(fā)，經過調制信號電路3,輸出窄脈沖至半導體激 光器1的射頻負極，偏置電源電路即半導體激光器偏置電源2提供低至0.5mA的偏置電流至 直流偏置負極，W獲得具有理想消光比的窄脈沖光。
[0037] 如圖2所示，當沒有方波信號觸發(fā)，調制信號電路3沒有輸出，只有偏置電源作用于 半導體激光器1時，半導體激光器1發(fā)出穩(wěn)定的連續(xù)光，且連續(xù)光的發(fā)光功率可通過FPGA電 路21設置的電壓調節(jié)。FPGA電路21設置偏置電源的電壓，具有掉電保存的功能。變換半導體 激光器1的應用時，無需更改電路，通過FPGA電路21控制數模轉換電路22的輸入電壓即可實 現。
[0038] 如圖4所示，壓控電流源電路23包括電阻Rl、電阻R2、電壓保持忍片Ul、電阻R3、運 算放大器U2A、電阻R4、電阻R5、運算放大器U2B、S極管Q1、電阻R6、磁珠 BP1、電容C1、電容 C2、電容C3。運算放大器U2A與運算放大器雌B形成兩級運算放大器的主電路，運算放大器 U2B的兩個電源端的連接方式和運算放大器U2A的兩個電源端的連接方式可相同。
[0039] 電壓保持忍片Ul，其具有控制腳盈目了、輸入腳Vin、輸出腳Vout。電阻Rl的一端作為 該壓控電流源電路的輸入端Load Bias，電阻Rl的另一端連接控制腳這哥。電阻R2的一端作 為該壓控電流源電路的輸入端化ig L，電阻R2的另一端連接輸入腳Vin。電阻R3的一端連接 輸出腳Vout,電阻R3的另一端連接運算放大器U2A的反相端。電阻R4的一端連接運算放大器 U2A的反相端，電阻R4的另一端連接運算放大器U2A的輸出端。S極管Ql的基極連接運算放 大器U2B的輸出端，其發(fā)射極連接運算放大器U2B的反相端，其集電極作為該壓控電流源電 路的輸出端。電阻R6的一端連接=極管Ql的發(fā)射極，電阻R6的另一端連接下拉電源，在本實 施例中，下拉電源為-5V電源。
[0040] 電壓保持忍片Ul的電源腳Vcc的連接方式并不局限于本實施例中的描述方式：電 壓保持忍片Ul的電源腳Vcc-方面可經由磁珠 BPl連接+3.3V電源，另一方面可經由電容Cl 接地。運算放大器U2A的兩個電源端的連接方式并不局限于本實施例的描述方式:運算放大 器U2A的其中一個電源端一方面連接巧V電源，另一方面經由電容C2接地;運算放大器U2A的 其中另一個電源端一方面連接-5V電源，另一方面經由電容C3接地。只要能滿足電壓保持忍 片Ul、運算放大器U2A、運算放大器U2B在本發(fā)明中的功能，運些連接方式并沒有特殊要求。
[0041] 壓控電流源電路的壓控方法可穩(wěn)定、可調整半導體激光器1的直流偏置負極的電 流。穩(wěn)定半導體激光器1的直流偏置負極的電流:將控制腳及巧的電平拉高；調整半導體激 光器1的直流偏置負極的電流:將控制腳互巧的電平拉低，通過輸入端化ig L設置電壓保持 忍片Ul的輸出腳Vout的輸出電壓的數值。
[0042] 穩(wěn)定半導體激光器1的直流偏置負極的電流:將控制腳互巧J的電平拉高，輸出腳 Vout的輸出電壓處于保持狀態(tài)，與輸入腳Vin的當前輸入電壓無關，此時改變輸入端Trig L 的輸出電壓對電壓保持忍片Ul的輸出腳Vout的輸出電壓沒有影響，電壓保持忍片Ul內部具 有邸PROM，輸出腳Vout的輸出電壓值掉電保存。
[0043] 調整半導體激光器1的直流偏置負極的電流:將控制腳瓦巧的電平拉低，設電壓保 持忍片Ul的輸出腳Vout的輸出電壓為VI，則經運算放大器U2A的反向放大輸出的電壓為V2， 由于運算放大器的輸出電壓不會超過其電源電壓，則當-
;當 -
時，V2的實際輸出為-4.95V。經過運算放大器U2B的電壓跟隨作用，其反相端 的輸入電壓為V3,且V3 = V2,則=極管Ql的發(fā)射極電流Ie,
，使=極管Ql工作于放 大區(qū)或飽和區(qū)，=極管Ql的集電極電流為Ic,
，即為流入半導體激光器直流 偏置負極的電流。
[0044] 綜上所述，壓控電流源電路23主要由電壓保持忍片U1、兩級運算放大器和=極管 Ql級聯組成。DAC忍片即數模轉換電路22輸出的電壓作為電壓保持忍片Ul的輸入，電壓保持 忍片Ul輸出經過兩級運算放大器的反相放大與電壓跟隨后，電壓傳輸至=極管Ql的發(fā)射 極，=極管Ql的集電極輸出電流至半導體激光器的直流偏置負極。具體來說，DAC忍片輸出 腳經過壓控電流源電路23的輸入端化ig L，即經過電阻R2接至電壓保持忍片Ul的輸入腳 Vin,電壓保持忍片Ul的電源腳Vcc經過磁珠 BPl接入3.3V電源，并與地間通過電容Cl進行連 接，電壓保持忍片Ul的GND腳接地，電壓保持忍片Ul的ADJ腳（即控制腳盈日I)為控制輸入 腳，電阻Rl的一端與ADJ腳連接，電阻Rl的另一端(輸入端Load Bias)連接到FPGA忍片的1/ 0端口。FPGA忍片通過相應管腳將ADJ腳電平拉低，則電壓保持忍片Ul的Vout腳（即輸出腳 Vout)輸出電壓等于輸入腳Vin的輸入電壓，目陽PGA忍片輸入至數模轉換忍片即數模轉換電 路22的電壓值。
[0045] FPGA忍片通過相應管腳將A;反T腳電平拉高，輸出腳Vout輸出電壓處于保持狀態(tài)， 與Vin腳當前輸入電壓無關，此時改變DAC忍片的輸出電壓對電壓保持忍片Ul的Vout腳輸出 電壓沒有影響。電壓保持忍片Ul內部具有EEPROM，Vout腳的輸出電壓值可W掉電保存。電壓 保持忍片Ul的Vout腳輸出電壓范圍是O~3V，通過電阻R3連接至運算放大器U2A的2腳，電阻 R4的一端與運算放大器U2A的2腳連接，另一端與運算放大器U2A的1腳連接。運算放大器U2A 和為軌到軌運算放大器忍片的兩路，其中運算放大器U2A的作用是反相放大，運算放大 器U2B作為電壓跟隨器使用。軌到軌運算放大器忍片的8腳和4腳為電源腳，軌到軌運算放大 器忍片的8腳供巧V電壓，且通過電容C2與地連接，軌到軌運算放大器忍片的4腳供-5V電壓， 通過電容C3與地連接。軌到軌運算放大器忍片的3腳通過電阻R5連接至地。軌到軌運算放大 器忍片的5腳與軌到軌運算放大器忍片的1腳直連，6腳連接至NPN型S極管Ql的發(fā)射極，電 阻R6-端接-5V電源，另一端接S極管Ql的發(fā)射極，軌到軌運算放大器忍片的7腳接S極管 Ql的基極，S極管Ql的集電極接至半導體激光器U3的2腳直流偏置負極DC-，U3的1腳LD+接 地。設電壓保持忍片Ul的Vout腳輸出電壓VI，則經反向放大從運算放大器U2A的1腳輸出的 電壓為V2,由于運算放大器的輸出電壓不會超過其電源電壓，則當-
時，
'時，V2的實際輸出為-4.95V。經過運算放大器U2B的電壓跟隨 作用，U2B的6腳輸入電壓為V3，且V3 = V2，則=極管Q1的發(fā)射極電流Ie
。使=極 管Ql工作于放大區(qū)或飽和區(qū)，=極管Ql的集電極電流為Ic:
，即為流出半導 體激光器直流偏置負極的電流。
[0046] 接下去，具體舉個詳細例子。本發(fā)明應用于皮秒脈沖激光器的偏置電源電路，使得 皮秒脈沖激光器在具備發(fā)高速窄脈沖光功能的同時，還具備發(fā)功率可調的連續(xù)光的功能。
[0047] (1)當需要皮秒脈沖激光器發(fā)高速窄脈沖光，應用于量子密鑰分發(fā)(QKD)、單光子 探測器測試等場合時，先通過FPGA將ADJ腳電平拉低至0V，并設置電壓數值VI，先經過DA轉 換再經過電壓保持忍片輸出的電壓即VI，使-
如前所述，則運算放大器U2B的6 腳輸入電壓V3,即=極管Ql的發(fā)射極電壓為-4.95V;再通過FPGA將左氏T腳電平拉高至3V，使 S極管Ql的發(fā)射極電壓保持在-4.95V。此時S極管Ql工作于放大區(qū)，若R6為100歐姆，則發(fā)
射極電流Ie巧 流出激光器直流偏置負極的電流即=極管Ql的集電 y' 極電流Ic為Ic - Ie = O.5mA。此時，在激光器的射頻負極輸入高速脈沖驅動信號，則激光器可 產生高速窄脈沖光(脈寬為50ps左右）。
[004引（2)當需要皮秒脈沖激光器作為連續(xù)光的光源時，激光器射頻負極不加驅動信號， 通過FPGA將A丘J腳電平拉低至0V，并設置電壓數值VI，先經過DA轉換再經過電壓保持忍片輸 出的電壓即VI，使-
，如前所述，流出半導體激光器直流偏置負極的電流等于=極
管Ql的集電極電流Ic,使=極管Ql工作于放大區(qū)或飽和區(qū)，貝U G. 若R6為100歐姆，要使=極管Ql工作于放大區(qū)或飽和區(qū)，且滿足Ic-Ie的關系，則V3含-IV，得
從而Ig的可調范圍是0.5mA~40mA。Ig的值越大，半導體 激光器輸出的連續(xù)光的光功率P越大，且當Ic>14mA時，Ic與光功率P(單化mW)呈線性關系。 因而，可W通過FPGA設置Vl的數值調節(jié)半導體激光器輸出連續(xù)光的光功率的大小，最大輸 出光功率可達到3mW。
[0049] 本發(fā)明具有W下幾方面的優(yōu)點。
[0050] 1.采用高精度模數轉換忍片，提高壓控電流源輸入精度;運算放大器與=極管構 成負反饋，保證壓控電流源的輸出電流穩(wěn)定，精度高，減小電流紋波。
[0051] 2.電壓保持忍片能保持輸入電壓穩(wěn)定，抑制DAC溫漂帶來的輸出電流的變化，避免 DAC的一次性操作對激光器輸入電流造成影響。電壓保持忍片內部具有邸PR0M，無需用外置 EEPROM中存取電壓值，實現掉電保存所設置的電壓。
[0052] 3.無需調整電路，通過FPGA控制輸入到DAC忍片的電壓，改變直流偏置負極的電流 大小，可實現半導體激光器的不同應用。
[0053] 4.采用基于FPGA的硬件實現方案，節(jié)省資源，簡化外部電路，提高系統執(zhí)行的效 率。
[0054] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種壓控電流源電路，其特征在于:其包括： 電阻Rl，其一端作為該壓控電流源電路的輸入端Load Bias; 電阻R2,其一端作為該壓控電流源電路的輸入端Trig L; 電壓保持芯片Ul，其具有控制腳胃、輸入腳Vin、輸出腳Vout;控制腳_連接電阻Rl 的另一端，輸入腳Vin連接電阻R2的另一端； 電阻R3，其一端連接輸出腳Vout; 運算放大器U2A，其反相端連接電阻R3的另一端； 電阻R4，其一端連接運算放大器U2A的反相端，其另一端連接運算放大器U2A的輸出端； 電阻R5，其一端連接運算放大器U2A的同相端，其另一端接地； 運算放大器U2B，其與運算放大器U2A形成兩級運算放大器的主電路;運算放大器U2B的 同相端連接運算放大器U2A的輸出端； 三極管Ql，其基極連接運算放大器U2B的輸出端，其發(fā)射極連接運算放大器U2B的反相 端，其集電極作為該壓控電流源電路的輸出端； 電阻R6，其一端連接三極管Ql的發(fā)射極，其另一端連接下拉電源。2. 如權利要求1所述的壓控電流源電路，其特征在于:該下拉電源為-5V電源。3. 如權利要求1所述的壓控電流源電路，其特征在于：該壓控電流源電路還包括磁珠 BPl、電容Cl;電壓保持芯片Ul的電源腳Vcc-方面經由磁珠 BPl連接+3.3V電源，另一方面經 由電容Cl接地。4. 如權利要求1所述的壓控電流源電路，其特征在于：該壓控電流源電路還包括電容 C2、電容C3;運算放大器U2A的其中一個電源端一方面連接+5V電源，另一方面經由電容C2接 地;運算放大器U2A的其中另一個電源端一方面連接-5V電源，另一方面經由電容C3接地。5. 如權利要求1至4中任意一項所述的壓控電流源電路，其特征在于:運算放大器U2B的 兩個電源端的連接方式和運算放大器U2A的兩個電源端的連接方式相同。6. -種如權利要求1至5中任意一項所述的壓控電流源電路的壓控方法，其特征在于： 該壓控方法包括： 將控制腳瓦??的電平拉高，使電壓保持芯片Ul的輸出腳Vout的輸出電壓處于保持狀態(tài)， 與輸入腳Vin的當前輸入電壓無關； 將控制腳胃的電平拉低，通過輸入端Trig L設置電壓保持芯片Ul的輸出腳Vout的輸 出電壓的數值。7. -種半導體激光器偏置電源，其用于調整半導體激光器的直流偏置負極的電流;其 特征在于:該半導體激光器偏置電源包括如權利要求1至5中任意一項所述的壓控電流源電 路，該壓控電流源電路的三極管Ql的集電極連接該直流偏置負極。8. 如權利要求7所述的半導體激光器偏置電源，其特征在于:該半導體激光器偏置電源 還包括FPGA電路、數模轉換電路;該FPGA電路的FPGA芯片作為主控芯片，將一個目標電壓值 發(fā)送給該數模轉換電路經過模數轉換后，再傳輸至該壓控電流源電路，該壓控電流源電路 將輸出穩(wěn)定且可調的電流加至該直流偏置負極。9. 如權利要求8所述的半導體激光器偏置電源，其特征在于:該壓控電流源電路的輸入 端Load Bias連接該FPGA芯片的I/O端口，該壓控電流源電路的輸入端Trig L連接該數模轉 換電路的輸出端。10. -種半導體激光器，其直流偏置負極設置有半導體激光器偏置電源；其特征在于： 該半導體激光器偏置電源為如權利要求7至9中任意一項所述的半導體激光器偏置電源，該 半導體激光器偏置電源的壓控電流源電路的三極管Ql的集電極連接該直流偏置負極。
【文檔編號】G05F1/56GK106020305SQ201610304474
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】劉建宏, 姚海濤, 代云啟, 王凱迪
【申請人】科大國盾量子技術股份有限公司