Eine Einführung in Laserdioden

Halbleiterlaser / Laserdiode Funktion und Aufbau (3D-Animation) (Januar 2019).

Anonim

Eine Einführung in Laserdioden


Erfahren Sie mehr über die Laserdiode, einschließlich Gehäusetypen, Anwendungen, Treiberschaltungen und einige Laserdiodenspezifikationen.

Was ist eine Laserdiode "// www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/special-purpose-diodes/" target = "_ blank"> PIN-Diode. Eine PIN-Diode (siehe Abbildung 1) ist eine Diode mit einem breiten undotierten intrinsischen Halbleiterbereich, der zwischen einem p- Typ-Halbleiter und einem n- Typ-Halbleiter liegt. Sowohl die p- Typ- als auch die n- Typ-Bereiche sind typischerweise stark dotiert.

Abbildung 1. Eine Abbildung einer PIN-Diode. Bild mit freundlicher Genehmigung von Georg Wiora (Dr. Schorsch) (CC-BY-SA 3.0)

Die "aktive Region" der Laserdiode befindet sich in der i (intrinsischen) Region. Die Elektronen und Löcher (dh die Ladungsträger) werden jeweils von den n- und p- Regionen in die i- Region gepumpt. Abbildung 2 zeigt eine Laserdiode mit aufgeschnittenem Gehäuse. Der eigentliche Laserdiodenchip ist der kleine schwarze Chip an der Vorderseite; Eine Photodiode auf der Rückseite dient zur Steuerung der Ausgangsleistung.

Abbildung 2. Eine Laserdiode mit ausgeschnittenem Gehäuse. Bild mit freundlicher Genehmigung von John Maushammer (CC BY-SA 3.0)

Laserdioden haben im Vergleich zu LEDs viel schnellere Antwortzeiten und können ihre Strahlung auf eine Fläche von nur 1 um Durchmesser fokussieren.

Pakettypen

Laserdioden sind in einer Vielzahl von Gehäusetypen erhältlich. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele:

Abbildung 3. TO5 (9 mm) Laserdiodenpaket. Bild mit freundlicher Genehmigung von Digi-Key.

Abbildung 4. TO3-Laserdiodenpaket. Bild mit freundlicher Genehmigung von Lasermate

Abbildung 5. C-Mount-Laserdiodenpaket. Bild mit freundlicher Genehmigung von aitc-group.com

Abbildung 6. Paket mit hoher Wärmebelastung. Bild mit freundlicher Genehmigung von RMT Ltd.

Anwendungen

Eine Reihe von kleinen Laserdioden wird in Laserpointern und Barcodescannern verwendet. Die gebräuchlichsten Laserdioden finden sich jedoch in CD-ROM- und CD-Playern. Diese Arten von Laserdioden erzeugen einen unsichtbaren Strahl bei oder um eine Wellenlänge von 780 nm herum - was im nahen Infrarotspektrum liegt. Siehe Abbildung 7 für den Bereich des nahen Infrarotspektrums.

Abbildung 7. Nahes Infrarot ist innerhalb des Infrarotspektrums. Bild mit freundlicher Genehmigung von dew.globalsystemscience.org

DVD-RW-Laufwerke (Lesen / Schreiben) verwenden Laserdioden mit höherer Leistung als bei CD-ROMs. Noch mächtiger sind die blauen Laserdioden in Blu-ray-Playern (daher der Name).

Sichtbare Laserdioden finden sich in Barcodes und UPC (Universal Product Code) -Scannern (wie sie in Lebensmittelgeschäften verwendet werden), Laserpointern und Positionierungsgeräten, die in Röntgengeräten und CT- und MRI-Scannern zu finden sind.

Die kurzwelligeren Laser (ungefähr 635 nm), die in DVD-Geräten zu finden sind, ermöglichen es ihnen, im Vergleich zu CDs etwa achtmal so viel Daten zu speichern; DVDs können ca. 5 GB pro Disc speichern, während CDs nur ca. 650 MB speichern können.

Eine weitere Anwendung von Laserlicht ist die molekulare Identifizierung. Semanticscholar.org: "Kontrollierte molekulare Photofragmentation und Ionisation, die mit geformten Femtosekunden-Laserpulsen erreicht werden, werden mit Massenspektrometrie gekoppelt, um ein leistungsstarkes multidimensionales Werkzeug für schnelle, genaue, reproduzierbare und quantitative molekulare Identifizierung zu erhalten."

Kollimatorlinsen (siehe Abbildung 8 unten) werden beim Aufbau von Spektrometern verwendet. Diese optischen Linsen helfen dabei, Licht zu kollimieren (dh präzise parallel zu machen), was es Spektrometerbenutzern ermöglicht, das Sichtfeld, die Sammeleffizienz und die räumliche Auflösung zu steuern.

Abbildung 8. Kollimierende Linsen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Thorlabs.

Laserdioden-Treiberschaltung

In allen Laserdioden ist eine ordnungsgemäße Treiberschaltung erforderlich. Ohne sie kann die Diode Betriebstemperaturschwankungen erfahren, die aus der instabilen Strominjektion resultieren. Die Auswirkungen können von unmittelbarer und dauerhafter Beschädigung - verursacht durch das Aufheizen der Diode - bis zu einer verkürzten Lebensdauer der Diode reichen.

Die Treiberschaltung liefert grundsätzlich einen stabilen und vorhersagbaren Strom für die Diode. Es gibt zwei primäre Verfahren, die verwendet werden, um die gewünschte stabile optische Ausgabe von einer Laserdiode zu erreichen. Diese beinhalten:

  • Automatische Stromregelung (ACC) oder Konstantstromregelung . Diese Technik liefert, so wie es sich anhört, der Diode einen konstanten Strom. Dieser Ansatz eliminiert die Notwendigkeit einer Photodioden-Rückkopplungsschleife. Der Nachteil dieses einfachen und kostengünstigen Ansatzes besteht darin, dass sich mit Änderung der Laserdiodentemperatur auch der optische Ausgang ändert. Solche Treiberschaltungen können jedoch mit einer Diodentemperatursteuerschaltung ergänzt werden. Die Kopplung von Konstantstrom mit Temperatursteuerdioden hat sich als eine beliebte Lösung erwiesen. Dennoch werden Konstantstromgeräte ohne Temperatursteuerung immer noch in billigen, Low-End- und Low-Power-Situationen und -Produkten verwendet (man denke an diese ultra-billigen Laserpointer, die in Convenience-Stores zum Verkauf stehen).
  • Automatischer Stromregelkreis (APC) . Diese Laserdioden-Treiberschaltung verwendet eine Photodioden-Rückkopplungsschleife, die den Ausgang überwacht und ein Signal zum Steuern der Laserdiode bereitstellt. Dieses Steuerschema ermöglicht der Laserdiode, einen konstanten Ausgangspegel aufrechtzuerhalten. Diese automatische Konstantleistungssteuerungstechnik verhindert, dass die optische Ausgangsleistung ansteigt, wenn die Temperatur der Laserdiode abnimmt. Wenn jedoch eine unzureichende Wärmeableitung zu einem Temperaturanstieg führt, wird die optische Leistung abnehmen. Infolgedessen wird die Treiberschaltung den Injektionsstrom erhöhen, um die gewünschte konstante optische Leistung aufrechtzuerhalten. Wie zu sehen ist, ist es möglich, eine thermische Instabilität zu erfahren, die dazu führt, dass der Laser beschädigt oder zerstört wird.

Egal welcher Typ von Treiberschaltung verwendet wird, der kritische Punkt besteht darin, zu verhindern, dass der Treiberstrom den maximalen Betriebspegel überschreitet. Dies kann selbst für eine Nanosekunde zu einer Beschädigung der Spiegelbeschichtungen auf den Laserdioden-Endflächen führen. Mit anderen Worten, das Standard-Labornetzteil sollte niemals verwendet werden, um eine Laserdiode direkt mit Strom zu versorgen, da es keinen ausreichenden Schaltungsschutz bietet.

Denken Sie daran, dass die meisten Laserdiodenanwendungen eine Art Kühlkörper benötigen. Ein falsches thermisches Design kann dazu führen, dass die Temperatur der Laserdioden-Sperrschicht schnell ansteigt, und dies kann das Gerät verschlechtern, beschädigen oder zerstören.

Die Laserdiodentreiberschaltung in Fig. 9 unten stellt eine einfache Treiberschaltung dar, die eine Konstantstromquelle verwendet.

Abbildung 9. Eine einfache Laserdioden-Treiberschaltung mit TI LM317 (PDF).

Die komplexere Lasertreiberschaltung, in Fig. 10 unten, verwendet einen 10-Bit-DAC (unter Verwendung eines seriellen 3-Draht-Eingangs), um die Laserdiode bei einer konstanten mittleren optischen Ausgangsleistung zu betreiben und zu halten. Diese Schaltung ermöglicht auch das digitale Pulsen / Modulieren des Lasers. Dies wird durch die Verbindung der digitalen Eingangsleitung (MOD) mit IC4 erreicht. Außerdem verwendet diese Schaltung eine Photodiode als Rückkopplungstechnik, um einen Strom proportional zur Intensität des Laserstrahls zu erzeugen. Die folgende Aufzählungsliste fasst die in diesem Schaltungsentwurf verwendeten Komponenten zusammen:

  • R6 wandelt den Photodiodenstrom in eine Spannung um.
  • Die Komponenten R8, C6, R10 und IC3 bilden die "leckende" Integratorschaltung. Dieser Integrator glättet Schwankungen in der Modulation.
  • Die Integratorschaltung erzeugt ein Fehlersignal, indem sie die Spannung über R6 überwacht und sie mit der Referenzspannung (IC1) des DAC vergleicht. Dieses Fehlersignal ist der Treiber für die Basis von Q1, der die optische Leistung steuert, indem der Strom durch die Laserdiode geregelt wird.
  • R9 bietet Isolation und hilft, IC3 zu stabilisieren, wenn die Basis von Q1 durch ein Signal vom MOD-Eingang gesteuert wird.
  • R1 stellt sicher, dass der Laserstrom unter dem Schwellenwert für das Lasern liegt, aber hoch genug, um eine akzeptable Einschaltzeit für die Kommunikation und Modulation zu ermöglichen.

Abbildung 10. Ein Beispiel für einen Lasertreiber. Bild mit freundlicher Genehmigung von Maxim Integrated.

Wichtige Laserdiodenspezifikationen

  • Lasungs- (oder Laser-) Wellenlänge, λ p : Die Wellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichts.
    • Singlemode-Geräte: Die Wellenlänge der einzelnen Spektrallinie des Laserausgangs.
    • Multi-Mode-Geräte: Die Wellenlänge der Spektrallinie mit der größten Intensität.
  • Schwellenstrom, Ith : Der Strom, für den die Verstärkung die Laserbedingung erfüllt.
    • Wenn der Schwellenstrompunkt unterschritten wird, wird sehr wenig Licht (Laser) emittiert.
    • Bei oder über dem aktuellen Schwellenwert beginnt das Gerät, die Laserleistung zu erzeugen.
  • Betriebsstrom, I op : Die Menge an Vorwärtsstrom durch die Laserdiode, die benötigt wird, um die spezifizierte Laserleistung bei einer spezifizierten Betriebstemperatur zu erzeugen.
  • Betriebsspannung, V op : Die Durchlassspannung an der Laserdiode, wenn das Gerät bei einer bestimmten Betriebstemperatur seine spezifizierte Laserleistung erzeugt.
  • Optische Ausgangsleistung, P O : Die maximal zulässige momentane optische (Laser-) Ausgangsleistung. Dies gilt sowohl für den Dauerbetrieb als auch für den Impulsbetrieb.
  • Betriebstemperaturbereich: Der Bereich der Gehäusetemperaturen, bei denen das Lasergerät sicher betrieben werden kann.
  • Photodiode Dunkelstrom, I D (PD) : Der Leckstrom, wenn die Photodiode in Sperrrichtung vorgespannt ist.
    • Der Dunkelstrom ist sowohl temperatur- als auch spannungsabhängig.
    • Eine ideale Diode / Photodiode hat keinen Strom in der umgekehrten Richtung.
  • Slope Efficiency, SE: Der Durchschnittswert der inkrementellen Änderung der optischen Leistung, die einer inkrementellen Änderung des Durchlassstroms entspricht, wenn der Laser im Laserbereich arbeitet.
    • Diese Definition wird auch als differentielle Effizienz bezeichnet.
  • Anstiegszeit: Die Zeit, die der optische Ausgang benötigt, um von 10 Prozent auf 90 Prozent seines Maximalwerts zu steigen.

Zusammenfassung

Laserdioden sind Halbleitervorrichtungen, die stimulierte Emission von elektromagnetischer Strahlung und optische Verstärkung verwenden, um Licht zu emittieren. Obwohl einige Anwendungen von Lasern in diesem Artikel diskutiert wurden, ist die Liste alles andere als umfassend. Sowohl das US-Militär als auch die NASA verwenden beispielsweise Laser für vielfältige Anwendungen.

Während alle Laser als gefährlich für Ihre Augen angesehen werden sollten und daher immer respektiert werden sollten, sind manche Laser stärker als andere. Grundlegende Laser, wie jene in billigen Laserpointern, erfordern eine einfache Treiberschaltung, während andere Laser komplexe Steuerungs- und Kühlsysteme erfordern. Da sich Laser und ihre Treiberschaltungen mit der Zeit weiterentwickeln, werden wir sicherlich neue Anwendungsbereiche finden, in denen sie verwendet werden können.

Ausgewähltes Bild mit freundlicher Genehmigung von Warsash Scientific.