利用激光二极管进行光输出功率的建模方法

2.2激光二极管光学模型

激光二极管的光输出功率变化如图1所示的Popt/Ild图和表达式（3）所示。这是一个基于两条直线的简单模型，其中当激光二极管处的电流低于阈值电流（Ith，电流激光效应和发射光开始）时，光输出功率（Popt）为0，如果更高，Popt随着电流的增加而线性增加，关系式为SE=∆Popt/∆Id（W/a），称为斜率效率（SE）或微分效率（ηD）。

在图1中还显示了斜率效率（SE）如何取决于温度。其值随着温度的升高而线性下降。这种线性下降是一种假设，基于[11]等中高输出激光二极管规范。假设SE（T）值为SE1（温度T1时的SE）加上温度增量（T-T1）乘以SE与温度∆SE/∆T（5）的下降比。Ith根据理论表达式（4）随温度呈指数增加。Ith（T）和SE（T）行为都已通过在8 W、808 nm单发射极激光二极管（WSLX808008）的气候室中的测量得到证实，该二极管与安装在激光条中的二极管类型相同。实测图表如图2所示。基于此，光输出功率模型及其随温度的变化可以基于以下表达式来编写，其中Ith（T1）=Ith1，Ith（T2）=Ith2，SE（T1）=SE1，SE（T2）=SE2。

2.3 Pspice中的光输出功率建模方案。

光输出功率的Pspice建模基于图3所示的拟议模型模式。该模型使用两个共同阳极配置的二极管，激光二极管阳极和光电二极管阴极的共同引脚。从串联电压源获得的通过激光二极管I（Vld）的电流用作电压控制电压源（Epopt）的控制输入。正是在该源的传递函数中，光学输出功率模型表达式及其随温度的变化被引入为：

Epopt popt 0 VALUE｛limit（（SE1+（Tvar-T1）·（（SE2-SE1）/（T2-T1））·（I（Vld）-（Ith1·exp（（Tvar-T1）/To））），0，max）｝（9）第二电压控制电流源（Gpd）用于将光输出功率V（popt）线性转换为光电二极管的电流。此转换率对应于所用光电二极管的灵敏度。

3.模型参数测量和Pspice模型程序

3.1电气模型参数Is、Rs测量和计算

在直流模式下测量激光条形二极管器件在25℃下的Ild/Vld关系图，如图4所示。使用其值（即20A/2.2V和10A/1.88V）和方程（1），计算出Is＝2E-26和Rs＝3E-2。Pspice标称温度为27℃[5]。使用（2），计算出Is（27℃）=2.93857E-26。将这些值引入电Pspice模型，并将模拟结果（图5）与25℃下的测量值进行比较，证实Pspice模式使用了表达式（1）和（2），计算参数是正确的。

3.2光学输出功率测量设置和校准。Popt/Vpd与Ild

激光二极管的光学输出功率测量设置（图6）允许稳定的测量，避免了激光束方向性造成的任何影响。它包括一个光积分球、一个光电二极管（Thorlabs PDA100A-EC）、一个用于控制温度漂移的光谱仪，用于监测发射的光谱，以及一个由LabView控制的数据采集卡，用于光电二极管电压（Vpd）和激光二极管电流（Ild）测量，这是要测量的关系。光电二极管处的电压需要转换为光功率。该校准（Popt/Vpd）是使用热光功率计进行的。Vpd和Popt与直流Ild的关系以及用于校准的值如图7所示。此设置允许获得具有短上升时间电流斜率的Popt/Ild关系。

3.3光输出功率模型参数测量。Ith（T），SE（T）

需要根据表达式（7）和（8）测量两个不同温度下的Ith和SE值。利用所提出的测量装置，在直流模式下获得了激光条形二极管在15℃和25℃下的Popt/Ild关系。图8显示了15℃和25℃下的Popt/Ild图以及每个温度下的Ith和SE相关值。

3.4激光条形二极管的Pspice程序及仿真结果

利用15℃和25℃下的SE和Ith值，计算出To=129.63 K（8），最终将在模型中引入的表达式（7）为：Popt（T）=1.5591+（T-15）*（-0.00796））*（Id-（6.45372*exp（（（T-15）/129.63））。Pspice模型程序和10至40℃、每5℃的模拟结果如图9和10所示。

4. 使用短上升时间电流斜率的表征系统

仅用几个µs的激光二极管电流斜率获得Popt/Ild响应曲线以及Ith和SE参数，避免了p-n结温度升高和测量中的相关误差。Monocrom的DAE-20050激光驱动器用于控制产生20µs斜率的激光条二极管电流，以及用于Vpd和Ild数据采集的高速采集卡，即10 Ms/s的NI PCI-6115，每个通道12位分辨率和外部同步。Wavesspectrum的WSLX808008单发射极激光二极管器件也是如此。显示了激光条（图12）和单发射极（图13）二极管的示波器波形（图11）和Popt/Ild响应曲线。单发射器的结果与制造商的设备测试报告相匹配（Ith=1.5 A，25℃），验证了表征系统。但是，在激光条形二极管的情况下，由于对20µs上升电流斜率的圆形响应，无法获得Ith和SE参数。

5. 结论

提出了一种包括激光二极管温度依赖性的光输出功率模型。数学模型中使用的关于光功率斜率效率随温度变化的假设和阈值电流依赖于温度的现有理论，都已在气候室中的测量结果中得到证实。另一个贡献是提出了用于光学输出功率建模的Pspice模式，包括其温度依赖性。在一个40W、808nm的激光条形二极管上实现了建模方法和相关的Pspice程序，并在器件的工作温度范围内获得了仿真结果。此外，已经证明了表征系统的可行性，以获得激光二极管光学输出功率响应与短上升时间电流斜率的关系，从而避免在测量模型所需的温度依赖性参数时产生任何可能的加热效应。该表征系统已经用单发射体8W激光二极管进行了验证。在需要进一步研究的短上升时间电流斜率下，在40W激光条形二极管响应曲线的情况下观察到意外行为。