Fonctionnement des diodes laser pulsées à émission par le bord avec des impulsions courtes
De nombreuses applications existantes et émergentes pour les diodes laser pulsées à émission latérale (ci-après dénommées simplement PLD) requièrent un fonctionnement des dispositifs avec des largeurs d'impulsion étroites. Ces conditions peuvent être nécessaires pour garantir la certification de systèmes sans danger pour les yeux ou la précision des systèmes de mesure de la distance.
Les impulsions courtes permettent également un fonctionnement fiable des dispositifs avec une puissance de crête plus élevée. La génération d'impulsions courtes à l'aide de PLD pose de nombreux problèmes qui seront abordés ci-dessous.
Caractéristiques électriques des PLD
Principes fondamentaux
Les PLD sont des dispositifs commandés en courant qui émettent un rayonnement par conversion d’électrons en photons. Les électrons fournis par le courant électrique sont injectés dans le dispositif via des conducteurs connectés directement au semi‑conducteur. Lorsque suffisamment d’électrons sont appliqués en polarisation directe, le seuil laser est atteint et les photons émis sont en proportion directe et linéaire avec le nombre d’électrons injectés.
Dans le cas d’un PLD, ce seuil peut être négligé lors de la conception du système, car le point de fonctionnement du dispositif se situe généralement bien au‑delà du seuil. La chute de tension directe aux bornes du dispositif ne présente qu’une pente modérée en fonction du courant d’entrée au‑dessus du seuil.
Les PLD modernes à puits quantiques convertissent les électrons en puissance optique avec un rendement très élevé, typiquement 1 W/A pour des émetteurs à jonction simple et 3,2 W/A pour des dispositifs à triple jonction.
Considérations relatives à la conception des circuits
Commande de circuits intégrés programmables (PLD) à l'aide d'impulsions courtes
La commutation des courants élevés requis pour les PLD constitue l’un des principaux défis lors de la conception de l’électronique de commande. L’inductance du circuit représente un obstacle majeur à l’obtention d’impulsions courtes. La formule de base
V = L · (di/dt)
peut être utilisée pour estimer efficacement la tension nécessaire afin d’atteindre un courant donné. Comme le montre cette formule, le courant, le temps et l’inductance (L) sont tous des facteurs déterminants pour la tension (V) requise pour fournir un courant suffisant répondant aux exigences spécifiques du système. Par exemple, une impulsion de 30 A avec un temps de montée de 1 ns correspond à une chute de tension de 30 V par nH d’inductance dans le circuit.
L’inductance parasite est généralement associée aux conducteurs parcourus par le courant dans un circuit (boucle). Plus ces conducteurs sont longs, plus l’inductance qu’ils introduisent dans la boucle est élevée, ce qui complique d’autant la conception. Le moyen le plus efficace de maîtriser l’inductance consiste à placer les composants de la boucle aussi près que possible les uns des autres. La figure 1 illustre une boucle typique rencontrée dans les conceptions de drivers PLD à courant de crête élevé. Le condensateur (C) stocke l’énergie de chaque impulsion, le transistor (Q) agit comme un commutateur haute vitesse, la PLD est la diode laser à émission latérale, HV est la tension de charge utilisée pour recharger (C) entre les impulsions, la résistance (R) sert à limiter le courant lors du cycle de recharge, et TRIG est le signal de déclenchement utilisé pour activer le commutateur. La valeur de (R) détermine la fréquence de répétition des impulsions que le circuit peut fournir à pleine puissance.
Condensateur
décisif pour les performances du PLD
Un autre élément important à prendre en compte lors de la conception de drivers pour PLD, qui contribue également à la tension nécessaire pour obtenir le résultat souhaité, est la résistance de chaque composant dans la boucle. Ces valeurs de résistance s’additionnent et réduisent effectivement le courant de crête circulant dans la boucle, tout en influençant la réponse temporelle du circuit. Une sélection rigoureuse de composants présentant la résistance série la plus faible possible est donc indispensable. Cela vaut également pour les matériaux conducteurs utilisés sur les circuits imprimés ou les circuits hybrides en céramique.
Le condensateur dans la boucle est essentiel aux performances de la PLD. Lorsque le transistor est commuté, la boucle peut être considérée comme un simple circuit RC. La constante de temps, qui détermine la durée de l’impulsion, peut être calculée à partir de τ = RloopC. Le courant dans la boucle, fourni par la décharge du condensateur, peut être estimé comme suit
Un condensateur plus grand génère une impulsion plus large avec un courant de crête plus élevé, ce qui se traduit par des impulsions optiques plus puissantes.
La figure 2 montre la puissance de crête en fonction de la haute tension (HV) pour différentes valeurs de condensateur. La puissance de crête à 80 V passe par exemple de 40 W à 100 W lorsque la capacité est augmentée de 330 pF à 2 nF.
Les figures 3 et 4 montrent la largeur d'impulsion et le temps de montée en fonction de la haute tension pour différentes valeurs de capacité.
On constate clairement qu'une capacité plus élevée entraîne des impulsions optiques plus larges.
Le transistor qui agit comme un interrupteur doit maintenir une tension élevée afin de charger le condensateur. Il est essentiel que le transistor soit sélectionné pour répondre aux exigences du PLD. Le transistor doit être petit pour réduire l'inductance parasite.
Une faible résistance série et une faible capacité de grille sont également importantes pour augmenter la puissance optique et le temps de réponse. Une faible résistance en série facilitera également la gestion thermique. Si un transistor peut supporter une tension et un courant élevés, le condensateur peut être chargé d'un plus grand nombre d'électrons, ce qui se traduit par un courant de boucle plus élevé.
Conclusion
Il devrait désormais être évident que, pour générer des impulsions de courant courtes destinées à piloter des PLD, il faut soit recourir à la « force brute », soit opter pour une conception de circuit sophistiquée et une sélection rigoureuse des composants. La « force brute » de la haute tension n'est pas toujours envisageable et peut entraîner des dépassements d'impulsion et des effets de résonance indésirables, susceptibles d'endommager les PLD.
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