Betrieb von kantenemittierenden gepulsten Laserdioden mit kurzen Pulsen
Viele bestehende und neu entstehende Anwendungen für kantenemittierende gepulste Laserdioden (im Folgenden PLDs genannt) erfordern den Betrieb der Geräte mit schmalen Pulsbreiten. Diese Bedingungen können für die Zertifizierung augensicherer Systeme oder für die Präzision von Entfernungsmesssystemen erforderlich sein.
Kurze Pulse ermöglichen auch einen zuverlässigen Betrieb der Geräte mit höherer Spitzenleistung. Bei der Erzeugung kurzer Pulse mit PLDs gibt es mehrere Herausforderungen, die im Folgenden erörtert werden.
Elektrische Eigenschaften von PLDs
Grundlagen
PLDs sind stromgesteuerte Bauelemente, die Strahlung durch die Umwandlung von Elektronen in Photonen emittieren. Die durch den elektrischen Strom bereitgestellten Elektronen werden über Leiterbahnen, die direkt mit dem Halbleiter verbunden sind, in das Bauelement eingespeist. Sobald in Durchlassrichtung genügend Elektronen zugeführt werden, wird die Laserschwelle erreicht, und die emittierten Photonen stehen in direktem und linearem Verhältnis zur Anzahl der eingespeisten Elektronen.
Im Fall eines PLD kann die Schwelle bei der Systemauslegung vernachlässigt werden, da der Betriebspunkt des Bauelements in der Regel deutlich oberhalb der Schwelle liegt. Der Spannungsabfall in Durchlassrichtung über dem Bauelement weist oberhalb der Schwelle nur eine moderate Steigung in Abhängigkeit vom Eingangsstrom auf.
Moderne Quantenfilm‑PLDs wandeln Elektronen sehr effizient in optische Leistung um – typischerweise etwa 1 W/A bei Emittern mit einer einzelnen Übergangsschicht und 3,2 W/A bei Geräten mit drei Übergangsschichten.
Hinweise zum Schaltungsdesign
Ansteuern von PLDs mit kurzen Impulsen
Das Schalten der für PLDs erforderlichen hohen Ströme ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung der Ansteuerelektronik. Die Induktivität im Stromkreis stellt dabei ein wesentliches Hindernis für das Erreichen kurzer Pulse dar. Mit der Grundformel
V = L · (di/dt)
lässt sich effektiv abschätzen, welche Spannung erforderlich ist, um einen gewünschten Strom zu erzielen. Wie aus der Formel ersichtlich ist, sind Strom, Zeit und Induktivität (L) allesamt entscheidende Faktoren für die notwendige Spannung (V), um ausreichend Strom zur Erfüllung spezifischer Systemanforderungen bereitzustellen. So entspricht beispielsweise ein 30‑A‑Puls mit einer Anstiegszeit von 1 ns einem Spannungsabfall von 30 V pro nH Induktivität im Stromkreis.
Parasitäre Induktivitäten sind typischerweise mit den stromführenden Leitern in einem Stromkreis (Loop) verbunden. Je länger diese Leiter sind, desto höher ist die Induktivität, die sie in den Loop einbringen, und desto anspruchsvoller wird das Schaltungsdesign. Die effektivste Methode zur Reduzierung der Induktivität besteht darin, die Komponenten innerhalb des Loops so nah wie möglich zueinander zu platzieren. Abbildung 1 zeigt einen typischen Loop, wie er in PLD‑Treiberschaltungen für hohe Pulsströme vorkommt. Dabei speichert der Kondensator (C) die Energie für jeden Puls, der Transistor (Q) fungiert als Hochgeschwindigkeitsschalter, die PLD ist die kantenemittierende Laserdiodenquelle, HV ist die Ladespannung zum Wiederaufladen von (C) zwischen den Pulsen, der Widerstand (R) dient der Strombegrenzung während des Ladevorgangs, und TRIG ist das Triggersignal zum Einschalten des Schalters. Der Wert von (R) bestimmt die Impulswiederholfrequenz, die die Schaltung bei voller Leistung liefern kann.
Kondensator
entscheidend für die Leistung der PLD
Ein weiteres wichtiges Element, das bei der Auslegung von PLD‑Treibern berücksichtigt werden muss und ebenfalls zur benötigten Spannung zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses beiträgt, ist der Widerstand jedes einzelnen Bauteils im Loop. Diese Widerstandswerte addieren sich und reduzieren effektiv den im Loop fließenden Spitzenstrom sowie das zeitliche Ansprechverhalten der Schaltung. Eine sorgfältige Auswahl von Komponenten mit möglichst geringem Serienwiderstand ist daher entscheidend. Dies gilt ebenso für die auf Leiterplatten oder keramischen Hybridschaltungen verwendeten leitfähigen Materialien.
Der Kondensator im Loop ist für die Leistungsfähigkeit der PLD von entscheidender Bedeutung. Wird der Transistor eingeschaltet, kann der Loop näherungsweise als einfacher RC‑Schaltkreis betrachtet werden. Die Zeitkonstante, die die Pulsdauer bestimmt, lässt sich mit τ = RloopC berechnen. Der Loopstrom, der durch die Entladung des Kondensators bereitgestellt wird, kann abgeschätzt werden als
Ein größerer Kondensator erzeugt einen breiteren Impuls mit höherem Spitzenstrom, was zu stärkeren optischen Impulsen führt.
Abbildung 2 zeigt die Spitzenleistung in Abhängigkeit von der Hochspannung (HV) für verschiedene Kondensatorwerte. Die Spitzenleistung bei 80 V steigt beispielsweise von 40 W auf 100 W, wenn die Kapazität von 330 pF auf 2 nF erhöht wird.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Impulsbreite und die Anstiegszeit in Abhängigkeit von der Hochspannung für verschiedene Kondensatorwerte.
Es ist deutlich zu erkennen, dass eine höhere Kapazität zu breiteren optischen Impulsen führt.
Der Transistor, der als Schalter fungiert, muss eine hohe Spannung vorhalten, um den Kondensator aufzuladen. Die Auswahl des Transistors ist entscheidend, um die gewünschten Anforderungen des PLD zu erfüllen. Der Transistor muss klein sein, um die parasitäre Induktivität zu verringern.
Ein niedriger Serienwiderstand und eine geringe Gate-Kapazität sind ebenfalls wichtig, um die optische Leistung und die Reaktionszeit zu erhöhen. Ein niedriger Serienwiderstand hilft auch beim Wärmemanagement. Wenn ein Transistor hohe Spannungen und Ströme aushalten kann, kann der Kondensator mit mehr Elektronen geladen werden, was zu einem höheren Schleifenstrom führt.
Fazit
Es dürfte nun deutlich geworden sein, dass zur Erzeugung kurzer Stromimpulse für die Ansteuerung von PLDs entweder eine „Brute-Force“-Methode oder eine ausgeklügelte Schaltungsauslegung sowie eine sorgfältige Auswahl der Komponenten erforderlich sind. Die „Brute-Force“-Methode ist nicht immer praktikabel und kann zu unerwünschtem Pulsüberschwingen und Nachschwingeffekten führen, die für PLDs nachteilig sein können.
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