книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.3.4. Схема генератора накачки лазера ИЛПН-108 со стабилизацией

Введение оптической обратной связи несколько усложняет генератор накачки. Однако формирование сигнала рассогласования в, соответствии с уровнем излучаемой мощности позволяет ослабить влияние таких дестаби­ лизирующих факторов, как кратковременное изменение питающих напряжений, изменение параметров элементов в процессе эксплуатации и т.д.

Следует отметить, что высокая стабильность излучаемой мощности в ши­ роком интервале изменения дестабилизирующих факторов может быть получена при соответствующем коэффициенте запаса мощности, определяемом дина­ мическим диапазоном изменения р0 при разомкнутой цепи обратной связи и

отсутствии терморегулировки.

В генераторе накачки излучателя ИЛПН-102 [98] для поддержания постоянной мощности излучения часть его отводится с помощью светоделительной пластины на фотодиод VDlt включенный в цепь обратной связи. Уровень мощности уста­ навливается резистором R2 (рис. 3.4,6). Для модуляции излучения на лазер можно

Подавать модулирующее напряжение (через ДОцепь). При частоте модуляции

171

/ м = 200-1000 Мгц для ослабления влияния эквивалентного реактивного conpo-fc тивления излучателя параллельно ему следует включать шунтирующий резистор*'

3.2. РЕГУЛИРОВКА ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРА НАКАЧКИ ПО АПРИОРНОЙ

3) изменением энергии накопительного конденсатора в зависимости от изменения дестабилизирующих факторов путем управления напряжением заряда или длительности заряжаемого импульса.

Примером второго варианта регулировки амплитуды накачки с учетом температурной зависимости порогового тока и мощности излучения является генератор, показанный на рис. 3.2, при отключенной цепи оптической обратной связи [110]. Подбирая соотношение активного сопротивления дросселя L x и

терморезисторов Яб-Я 9, можно реализовать оптимальное согласование закона изменения тока накачки с ватт-амперной характеристикой ПКГ в широком диапазоне температуры (рис. 3.5).

Рис.3.5. Зависимость амплитуды импульсов тока в нагрузке при изменении температуры окружающей среды: сопротивление дросселя Lx при Т = 20 °С 850 Ом и) и 500 Ом (?); 1,3 - терморезисторы отключены

Рис.3.6. Эпюры напряжений и токов при регулировке длительности заряд­ ного импульса: и1 - форма сигнала задающего генератора; и2 - напряжение на накопительной емкости; и3 - сигнал на управляющем электроде тиристора

Наиболее широко применяется третий вариант регулировки, использующий изменение длительности, зарядного импульса В основе данного способа регулировки амплитуды тока генератора положена зависимость ее от величину энергии, запасаемой накопительным конденсатором; изменение этой энергии при фиксированном напряжении питания осуществляется за счет изменения времени заряда этого конденсатора [111,112].

172

Процесс регулировки тока при импульсном питании тиристора показан на рис. 3.6. Основу генератора составляет устройство (рис. 2.3), в котором между задающим блокинг-генератором и импульсным усилителем введен ждущий мультивибратор с регулируемой длительностью импульсов в интервале тем­ ператур (рис. 3.7). Различные комбинации элементов делителя Я7- Я 10 позволяют получить требуемые законы регулирования длительности выходных импульсов и, следовательно, тока накачки ОКГ. Трансформатор Т2 соответствует трансфор­ матору Т2 (рис. 2.66). Зависимость амплитуды импульсов тока (при Ян = 0,4 Ом)

от температуры показана на рис. 3.8. Частота повторения импульсов составляет 5 кГц. Автоматическая регулировака тока разряда накопительной емкости ^практически не сказывается на длительности импульсов накачки лазера

(т= 100 нс).

Рис.3.7. Приницпиальная схема задающего генератора с автоматической регулировкой длительности импульса: VD1 , VD2 - Д818Е; VD3-V D S - 2Д509А; VTi -V T 4 - 2Т603Б

173

Надежная работа оптических систем связи, локации и т.д. предполагает стабилизацию как мощности излучаемых импульсов, так и чувствительности фотоприемного устройства В большинстве случаев режим работы фотодётектора регулируется по уровню ее дробовых шумов. Схема автоматической регулировки усиления фотоэлектронного умножителя ФЭУ-83, обеспечивающая постоянство уровня дробового шума в диапазоне изменения фоновой засветки 45 дБ, описана в работе [113].

Малогабаритные импульсные приемные устройства, состоящие из лавинного фотодиода (ЛФД) и широкополосного усилителя, -также должны иметь систему автоматической регулировки напряжения обратного смещения, оптимизирующую обнаружительную способность ФПУ. Коэффициент лавинного умножения М

германиевого ЛФД, обеспечивающий максимальное отношение сигнал-шум, зависит от соотношения шумов фотодиода и усилителя, а также от длительности принимаемого импульсах, мощности фона и температуры [116]

т.е. равна удвоенному значению дисперсии напряжения теплового шума нагрузки детектора и шума усилителя. На указанном признаке основан принцип системы автоматического смещения рабочей точки германиевого фотодиода ЛФД-2А (рис. 3.9). Широкополосный импульсный усилитель состоит из двух идентичных каскадов ОЭ-ОЭ У Х, У 2 каскада с ОЭ У3 и каскада ОЭ-ОК. Каскады У х, У2 охвачены

отрицательной обратной связью по напряжению. Для увеличения коэффициента усиления ФПУ в цепи частотно-зависимой отрицательной обратной связи кас­ кадов У2, У3 устанавливает емкость 39 и 82 пФ соответственно, чтр незначи­ тельно сужает полосу пропускания тракта (до 70 МГц). При коэффициенте пе­ редачи усилителя 86 дБ среднеквадратическое значение шума на выходе составляет около 1,5 В. Положительные шумовые выбросы выше порогового уровня схемы DDX с частотой, соответствующей дисперсии напряжения шумов,

после нормировки по длительности поступают на пиковый детектор VD2. Вы­ ходное напряжение детектора управляет транзистором VTSI который включен в цепь регулирования стабилизатора напряжения DAX. Изменение средней

частоты повторения нормированных импульсов (на выходе пикового детектора) от 0,47 до 3,85 кГц приводит к уменьшению напряжения на ЛФД от 24,3 до 23,0 В.

Для расширения полосы пропускания ФПУ можно использовать усилитель с обратной связью по току [117]. Особенностью кремниевых ЛФД является больший коэффициент умножения фототока (J4> 50) при напряжении смещения 50-90 В, а также менее резкая зависимость уровня дробового шума от М

174

Условием оптимального режима работы ЛФД является превышение дис­ персии его напряжения шума над дисперсией шумов нагрузки и усилителя в 4 раза, т.е. схема автоматической регулировки напряжения на фотодиоде при воздействии дестабилизирующих факторов должна обеспечивать неизменный уровень шума на выходе приемного тракта

о д + с^2 + о * = 5 (о т2 + о у2) .

На рис. 3.10 показана схема атоматической регулировки напряжения смещения кремниевого фотодиода ЛФД-11, которая работает по отрицательным шумовым импульсам. Схемы стабилизации питания ЛФД позволяют поддерживать оптимальное напряжение с точностью 0,01-0,1 В.

Как было показано в гл. 1, квантовал эффективность полупроводниковых лазеров и светодиодов существенно зависит от уровня инжекции. Световая характеристика указанных излучателей имеет значительную нелинейность в области малых токов накачки. В измерительных системах оптического диапазона частот необходима линейная зависимость мощности излучения от амплитуды запускающих импульсов напряжения, например, при введении автоматических регулировок или при управлении от ЭВМ. Кроме того, линеаризация амплитудной

175

характеристики излучателя предотвращает искажейие формы сигнала модуляции. В этом случае нелинейная амплитудная характеристика генератора накачки должна быть согласована с ватт-амперной характеристикой излучателя как обратная функция

h £н

иш V

Рис.3.11. Схема питания светодиода с линеаризацией динамической харак­

теристики: V T .-V i; - 2Т301Г: VT5-VT7 - 2Т312Б; VTb> VT9 - 1Т320А; VTB- КТ801Б; VDX, VDS - Д813; VD2, VD6 , VD8 - Д814А; VD3, VD7 - no

три диода Д220; VD9 - ЗЛЮЗА

В работе [114] с использованием графического метода расчета разработано устройство питания импульсного светодиода с широким динамическим диапа­ зоном (рис. 3.11). Схема накачки состоит из двух усилительных каскадов с коррекцией амплитудной характеристики (VT2, VT4), эмиттерных повторителей (УТХ, VTn) и инвертора (УГ3). Линейные каскады на транзисторах VTSi VTB имеют динамическую нагрузку (УГб, VT9 соответственно), которая в первом случае

повышает усиление, а во втором - предотвращает влияние значительного тока покоя транзистора VTB на светодиод VD9. Амплитудная характеристика кор­

ректирующего усилителя является обратной функцией экспериментально снятой амплитудной характеристики системы линейный усилитель-светодиод

1

к м

* л - с д М •

176

Рис.3.12. Изменение коэффициента пре­ образования входное напряжение - мощность излучения в динамическом диапазоне напряжения на входе

Требуемая форма зависимости К к (U) обеспечивается за счет корректирующих

элементов в коллекторной цепи (VD3 и VZ>7) и нелинейной обратной связи по току (VD2,V D 4 H VD6,V D b).

В результате этого динамическая характеристика всего устройства со светодиодом отличается от линейной на 30% в диапазоне изменения входного сигнала от 1,3 мВ до 1,3 В (рис. 3.12). Излучаемая мощность меняется при этом от 15-10"6 до 15-10**3 Вт. При изменении входного сигнала на 46 дБ нестабильность коэффициента передачи не превышает 3% . Указанные на схеме транзисторы и светодиод обеспечивают ширину полосы пропускания не менее 1 МГц.

Реализация возможностей подобных генераторов накачки требует созда'Нил фотоприемных устройств с широким динамическим диапазоном при наличии интенсивной фоновой засветки. Увеличение диапазона линейности световой характеристики ФЭУ может достигаться з& счет его стробирования импульсами со скважностью 10-80 [115]. При этом возрастает порог насыщения ФЭУ, огра­ ничивающий суммарную мощность сигнала и фона, и динамический диапазон выходного напряжения расширяется до 68 дБ.

3.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

При очевидных достоинствах полупроводниковых лазеров (малые размеры, высокий КПД) они имеют сравнительно большую нестабильность длины волны излучения х: для ПКГ с двойным гетеропереходом на основе GaAsAl она состав-

Рис.3.13.Функциональная схема устройства стабилизации длины волны ПКГ

Рис.3.14. Принципиальная схема стабилизаций тока накачки: VDt —КС215Ж; VDj - КД512А; VD3-VD, - КД105Б; VD6 - КС191Ф; VTX - КТ816Г; VT2 - КП907А;DDX-КРЮОбВШ.-Ш! - КР140УД7;DA2 - ИЛПН-205 (207,210)

Рис.3.15. Принципиальная схема стабилизации температуры:DA.-DA*, DAt - К544УД2А; DA4 - К544СА2; DAS —КР590КН2; VD,, VD, - КД512А: VT, - КТ815Г; VT2- КТ814Г; VT3 - КТ817Г; VT4 - КТ816Г

ляет примерно 0,25 нм/град. Ток накачки значительно влияет на основные параметры инжекционных лазеров - мощность, частоту, диаграмму направ­ ленности и волновой фронт излучения [118], т.е. для стабилизации величины X

необходимо учитывать и компенсировать изменения температуры окружающей среды и тока накачки. Так, согласно [119] относительная нестабильность длины волны Лк/Х = 10-6 может быть получена при неизменном токе накачки и точности

стабилизации температуры ±0,001 °С.

178

Устройство, стабилизирующее ток и температуру лазера непрерывного режима работы [120], содержит, таймер 1, источник опорного напряжения 2,

источник тока 3, ПКГ с микрохолодйльником 4, генератор гармонических ко­ лебаний 5, мост переменного тока б, усилитель 7, демодулятор 8 и корректи­ рующий усилитель 9 (рис. 3.13). Таймер DD1 (рис. 3.14) обеспечивает задержку подачи напряжения питания на источник стабильного тока DAX до выхода микро­

холодильника на заданный температурный режим.

Стабилизация температуры производится по сигналу ошибки, формируемому мостом переменного тока, образованным трансформатором т1г эталонным резистором RBтипа СП5-20ТБ и терморезистором типа ММТ-6 Д7, установленным в

зависимости от направления тока. Погрешность стабилизации температуры, определяемая изменением сопротивлений термистора и опорного резистора, а также дрейфом операционного усилителя, не превышает 1,002 °С. Погрешность стабилизации тока за счет применения прецизионного стабилитрона, малого дрейфа ОУ и опорного резистора не превышает 0,086%. Данная схема обеспе­ чивает воспроизводимость длины волны не хуже 10~* при изменении темпера­ туры окружающей среды на ±10 °С.

Твердотельные электронные микрохолодильники (ТЭМО), применяемые для стабилизации параметров инжекционных лазеров, содержат набор после­ довательно соединенных чередующихся полупроводниковых р- и л-элементов, помещенных в корпус с металлизированной поверхностью, на которую легко­ плавким припоем, например ПОИ-50, припаивается кристалл лазера [99, 100]. В качестве полупроводникового материала ТЭМО применяют соединения теллура, висмута, сурьмы, селена и др. В зависимости от направления тока через набор элементов в местах их соединения за смет эффекта Пельтье тепло либо погло­ щается (к л-элементу приложено положительное напряжение), либо выделяется (при обратном включении).

Таким образом, на одной рабочей поверхности ТЭМО поглощается мощность Р13 а на противоположной - выделяется мощностьР2 = Р 1 +Р3, где Р3 - мощность,

потребляемая от источника питания. Для увеличения теплового потока микро­ охладители объединяют в каскадную термоэлектрическую батарею (ТЭБ), в которой очередная более теплая ступень имеет большие размеры, а ток, пропускаемый через ТЭМО, одинаков. Основные параметры серийно выпускаемых термоэлектронных приборов приведены в табл. 3.2.

В излучателе ИЛПН-103 используются две последовательно соединенные термоэлектрические батареи М10-9 и М10-5, а в приборе ИЛПН-207 - термобатарея ТЭБ-023. Мощность, потребляемая термоэлектрической батареей указанных излучателей, резко возрастает при снижении и увеличении температуры корпуса (рис. 3.16). Для отвода тепла термобатарея припаивается к корпусу лазера, который устанавливается на внешнем теплоотводе.

180