УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к импульсной и лазерной технике (МПК H01S 5/042; H01S 5/062; H03K 3/011; H03K 3/012), в частности к устройствам генерации импульсного оптического излучения с малой длительностью сигналов (не более 2 нс), и может быть использована в малогабаритных дальномерах и лидарах с полупроводниковыми лазерами. Уменьшение длительности оптических импульсов при неизменной импульсной оптической мощности требуется для снижения средней излучаемой мощности и потребляемой электрической мощности, а также для улучшения пространственного разрешения по дальности. Таким образом, переход к наносекундным длительностям оптических импульсов позволяет улучшить технические характеристики лидаров, используемых в автономных устройствах и беспилотных транспортных средствах с функцией построения трехмерного изображения окружающего пространства.
0
Известны схемы импульсного питания полупроводниковых лазеров, построенные с использованием полевых транзисторов в качестве ключевых элементов [1, 2]. Схема представлена на Фиг. 1. Конденсатор C заряжается от постоянного источника питания до напряжения +U через ограничительное сопротивление R. При замыкании полевого транзистора VT конденсатор C разряжается через цепь, содержащую элементы индуктивности L, электрического сопротивления R, и полупроводниковый лазер LD. Это приводит к протеканию импульса тока с амплитудой I через полупроводниковый лазер. При заданной эффективности излучения лазера S = P/I (P - оптическая мощность излучения), которая достигает 3-3.6 Вт/А [3], излучается оптический импульс с мощностью до нескольких десятков Вт [1, 2].
1/2
Если активное сопротивление R мало по сравнению с волновым сопротивлением контура W, изображенного на Фиг. 1, то в нем возникают осцилляции тока, приводящие к многократному излучению оптических импульсов. Для предотвращения данного эффекта разрядка емкости С производится в режиме согласования указанных сопротивлений. Для этого используется дополнительный резистор, сопротивление которого суммируется к R, и который демпфирует колебания тока в LC-контуре на втором (и последующих) периоде осцилляций. Сила тока в импульсе ограничивается за счет суммарного сопротивления R и волнового сопротивления контура W = (L/C) и составляет:
I = U/(R+W) (1)
Длительность импульса тока на полувысоте определяется полупериодом колебаний при резонансной разрядке С и составляет [2]:
1/2
t ≈ 2·(L·C) (2)
Таким образом, в данных схемах используются резонансные свойства LC-контура. Это является отличительной особенностью импульсного источника питания при работе на низкоомную нагрузку, примером которой является полупроводниковый лазер (сопротивление лазера в открытом состоянии, как правило, меньше 1 Ом). Недостатком описанных схем является относительно большое время переключения транзисторов, что приводит к генерации относительно длинных импульсов тока и, как следствие - длинных оптических импульсов. Для полевых транзисторов на основе кремния минимальная длительность оптических импульсов составляет 5-7 нс [1], для транзисторов на основе нитрида галлия – 2,2-2,5 нс [2].
0
п
9
11
Указанный недостаток устраняется в других аналогах (прототипах) - схемах импульсного питания, построенных с использованием лавинных S-диодов в качестве ключевых элементов [4-7]. В данных схемах на S-диод через ограничительное сопротивление R подается импульсное напряжение со скоростью 10-10 В/с. При достижении порогового напряжения U S-диод переходит в открытое состояние. В силу того, что переключение S-диода из закрытого в открытое состояние происходит сверхбыстро (время переключения меньше времени пролета носителей заряда через активную область [4]), контур, изображенный на Фиг. 2, замыкается за субнаносекундные времена (до 0,05 нс [4]). Как и для описанного аналога при замыкании S-диода SD конденсатор C разряжается через цепь, содержащую паразитное активное электрическое сопротивление R и нагрузку (например, полупроводниковый лазер LD), за счет чего в цепи SD-LD-R-C протекает импульсный ток и излучается оптический импульс [5]. При этом сопротивление R обусловлено потерями в S-диоде в открытом состоянии. Такой подход позволяет сформировать оптические импульсы с длительностью порядка 1 нс [5].
В известных схемах на основе лавинного S-диода, длительность импульса формируется в процессе разряда емкости через сопротивление R и равно RC (в случае использования сосредоточенной емкости [5]) или определяется длинной формирующей линии (в случае использования распределенной емкости [4]). Индуктивные и резонансные свойства цепи не учитываются и не используются для формирования оптического импульса. Уменьшение емкости конденсатора С в данной схеме приводит к снижению длительности до 1 нс. Однако оптическая мощность оказывается крайне низкой и не превышает 2 Вт [5], что является недостатком устройства. Данное обстоятельство может быть связано с относительно большим паразитным сопротивлением R используемой цепи. Согласно данным работы [5]: при С = 0,043 нФ длительность составляет 1 нс, тогда R=1 нс/0,043 нФ = 23 Ом. При амплитуде напряжения 200-250 В данное сопротивление приведет к генерации импульса тока с амплитудой не более 11 А, что является относительно малым значением по сравнению с резонансными схемами на основе полевых транзисторов [1, 2]. Таким образом, ранее используемые схемы питания лазеров с лавинными S-диодами построены на основе цепей с относительно высоким активным сопротивлением R, что приводит к генерации малых уровней оптической мощности. Схемы резонансного типа разряда емкости С с использованием лавинного S-диода с малым сопротивлением R ранее не описаны.
Целью настоящей полезной модели является устранение указанного недостатка, а именно: повышение амплитуды импульса тока при его малой длительности (менее 2,2 нс) в импульсной схеме питания полупроводникового лазера с лавинным S-диодом за счет использования резонансной RLC-цепи с малым сопротивлением R, заданной индуктивностью L и емкостью С.
В предлагаемой модели недостаток устраняется за счет того, что в RC-цепь с малым сопротивлением R дополнительно вводится и учитывается индуктивность L. При этом параметры L и C используемой цепи подбираются таким образом, чтобы остаточное паразитное сопротивление S-диода R эффективно демпфировало колебания тока RLC-контура на втором периоде осцилляций. Сущность изобретения заключается в использовании резонансных свойств RLC-цепи разряда накопительной емкости в схеме импульсного питания, построенной на основе лавинного S-диода в качестве ключевого элемента. А именно, для данного S-диода с сопротивлением R в открытом состоянии, значения L и C выбираются таким образом, чтобы выполнялись условия:
1/2
(L/C) ≥ 0,1·R (3)
1/2
(L/C) ≤ R (4)
Условие (3) соответствует случаю, когда амплитуда импульса тока и длительность импульса в RLC-цепи при ее замыкании S-диодом зависят от индуктивности L. При неравенстве, обратном неравенству (3), с хорошей точностью (более 10%, см. формулу 1) можно задавать I и t, пренебрегая индуктивностью контура L, что справедливо для прототипа. Условие (4) соответствует случаю, когда осцилляции на втором периоде колебаний полностью демпфируются, а устройство излучает единичный оптический импульс. В противном случае, при неравенстве, обратном неравенству (4), осцилляции демпфируются более чем за один период колебаний, что приводит к излучению двух или более оптических импульсов разной амплитуды.
п
1/2
1.2
1.2
На Фиг. 3 представлена схема предлагаемого устройства импульсного электрического питания полупроводникового лазера. При подаче на схему импульсного напряжения с амплитудой U S-диод SD переходит из закрытого в открытое состояние. После открытия S-диода SD контур C-L-SD-LD-R замыкается и по нему протекает ток разряда конденсатора С. Для выбора диапазона используемых C и L необходимо пользоваться правилом Кирхгофа для данного контура. При R = (L/C) наблюдается согласование, когда колебания полностью затухают за один период, при R = 2·(L/C) происходит апериодический разряд, а при R >> 2·(L/C) для расчета закона изменения тока во времени можно пренебречь индуктивностью L (точность определения амплитуды и длительности импульса тока становится лучше 10%).
Полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 5.
0
Фиг. 1 - «Схема импульсного питания полупроводникового лазера, построенная с использованием полевого транзистора в качестве ключевого элемента», где: C - накопительный конденсатор; +U - постоянное напряжение питания; VT - полевой транзистор; L - элемент индуктивности; R - электрическое активное сопротивление потерь; LD - полупроводниковый лазер; R - ограничительное сопротивление.
п
0
Фиг. 2. - «Схема импульсного питания полупроводникового лазера, построенная с использованием лавинного S-диода в качестве ключевого элемента», где: C - накопительный конденсатор; +U - напряжение питания; SD - лавинный S-диод; R - электрическое активное сопротивление потерь; LD - полупроводниковый лазер; R - ограничительное сопротивление.
п
0
Фиг. 3 - «Схема предлагаемого устройства импульсного электрического питания полупроводникового лазера», где: C - накопительный конденсатор; L - элемент индуктивности; +U - напряжение питания; SD - лавинный S-диод; R - электрическое активное сопротивление потерь; LD - полупроводниковый лазер; R - ограничительное сопротивление.
п
Фиг. 4 – «Рассчитанная зависимость тока от времени при замыкании RLC-контура идеальным ключом для различных сопротивлений R», где: C = 0,4 нФ; L = 1 нГн; U = 100 В; W = 1,58 Ом; t ≈ 1,4 нс.
п
п
Фиг. 5 – «Рассчитанная зависимость длительности и амплитуды первого импульса тока для различных сопротивлений R при U = 100 В; C = 0,2 нФ; L = 1 нГн», где: 1 - длительность импульса, рассчитанная для RC контура (t = RC); 2 - длительность импульса, рассчитанная для RLC контура по уровню 1/exp за вычетом длительности переднего фронта (из данных Фиг.4); 3 - длительность импульса, рассчитанная для RLC контура по уровню 1/exp (из данных Фиг.4); 4 - амплитуда импульса, рассчитанная для RLC контура (из данных Фиг.4); 5 - амплитуда импульса, рассчитанная для RC контура (I = U/R).
п
1/2
1/2
1/2
Для примера на Фиг. 4 представлены рассчитанные зависимости тока от времени при замыкании RLC контура идеальным ключом для типичных значений L и С и широкого диапазона остаточных сопротивлений S-диода R (C = 0,4 нФ; L = 1 нГн; U = 100 В; W = 1,58 Ом; t ≈ 1,4 нс; R = 1-17 Ом; падением напряжения на SD и LD в расчетах пренебрегаем). Коммутация происходит в момент времени 3,55 нс. Из Фиг. 4 видно, что при малом R = 1 Ом < (L/C) = 1,58 Ом вследствие осцилляций появляется дополнительный импульс тока положительной полярности (максимум располагается на 8,7 нс). Данный импульс приведет к формированию дополнительного оптического импульса. При R = (L/C) = 1,58 Ом наблюдается оптимальное соотношение, когда амплитуда импульса тока максимальна при отсутствующих осцилляциях на втором (и более) периодах. При R > (L/C) дополнительных оптических импульсов также не будет наблюдаться (соответствует условию 4).
1/2
1/2
Для оценки верхнего порога применимости модели RLC-контура на Фиг. 5 представлены зависимости амплитуды первого импульса тока и его длительности от сопротивления R. Оценка амплитуды по формуле (1) возможна с хорошей точностью (лучше 10%) при R >> (L/C), что соответствует условию (3). Длительность импульса при этом отличается не более чем на 7% (см. кривые 1 и 3 для сопротивления R = 10·(L/C)=15,8 Ом). При этом разница в 7% обусловлена наличием конечной длительности переднего фронта, который при оценке с помощью формулы t = RC, не учитывается.
Техническим результатом полезной модели является повышение амплитуды импульса тока при его малой длительности (менее 2,2 нс) в импульсной схеме питания полупроводникового лазера с лавинным S-диодом за счет использования резонансной RLC-цепи с малым сопротивлением R, заданной индуктивностью L и емкостью С.
Источники информации
1. Operating the pulsed laser diode SPL LL90_3 [Электронный ресурс] // Osram Opto Semiconductrors, Nov. 15, 2018. Систем. требования: Adobe Reader. URL: https://dammedia.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-2496583/Operating%20the%20pulsed%20laser%20diode%20SPL%20LL90_3.pdf (дата обращения: 01.02.2021).
2. J. Glaser. How GaN Power Transistors Drive High-Performance Lidar: Generating ultrafast pulsed power with GaN FETs // IEEE Power Electronics Magazine. - 2017. - vol. 4, no. 1. - P. 25-35.
3. SPL DS90A_3 Chip Nanostack Pulsed Laser Diode [Электронный ресурс] // Osram Opto Semiconductrors, Dec. 17, 2019. Систем. требования: Adobe Reader. URL: https://dammedia.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-7209242/SPL%20DS90A_3_EN.pdf (дата обращения: 01.02.2021).
4. Легкий В.Н. Мощный генератор наносекундных импульсов с высокой частотой повторения / В.Н. Легкий, И.Д. Миценко, Д.Д. Каримбаев, Ю.Н. Одров, Г.Л. Приходько, // Приборы и техника эксперимента. - 1988. - № 3. - С. 96-97.
5. Легкий В.Н. Генератор наносекундных импульсов тока для накачки полупроводниковых квантовых генераторов / В.Н. Легкий, И.Д. Миценко, Г.Л. Приходько, Д.Д. Каримбаев // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - № 6. - С. 145.
6. Устройство для фотоэлектрического переключения лавинного импульсного S-диода. Патент на полезную модель № 175209 от 28.11.2017. Авторы: Прудаев Илья Анатольевич, Толбанов Олег Петрович, Копьев Виктор Васильевич, Олейник Владимир Леонидович, Саркисов Сергей Юрьевич, Авдоченко Борис Иванович. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).
7. Генератор на основе лавинного импульсного S-диода с регулируемой амплитудой импульсов. Патент на полезную модель № 181377 от 11.07.2018. Авторы: Прудаев Илья Анатольевич, Толбанов Олег Петрович, Копьев Виктор Васильевич, Олейник Владимир Леонидович. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).