DE10041079A1 - Lasermodul mit Ansteuerschaltung - Google Patents

Lasermodul mit Ansteuerschaltung

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Lasermodul (1) mit einem Halbleiterlaser (2) und einer Ansteuerschaltung. Die Ansteuerschaltung weist einen Energiespeicher (4) und einen elektronischen Schalter (3) auf, wobei der Halbleiterlaser (2) mit dem Energiespeicher (4) über den elektronischen Schalter (3) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasermodul mit einer An­ steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Lasermodul mit Ansteuerschaltung ist beispielsweise aus US 5,422,900 bekannt. Hierin ist ein Lasermodul gezeigt, das in einem Gehäuse eine Laserdiode und eine Leiterplatte ent­ hält. Auf der Leiterplatte ist eine Ansteuerschaltung für die Laserdiode in Form einer integrierten Schaltung aufgebracht. Das beschriebene Lasermodul dient zur Erzeugung von ns- Laserimpulsen.
Leistungshalbleiterlaser mit hoher Ausgangsleistung erfordern im Betrieb hohe Stromstärken, die typischerweise im Ampere- Bereich liegen. Eine direkte Ansteuerung mit einer integrier­ ten Schaltung, wie sie in US 5,422,900 gezeigt ist, ist daher in der Regel nicht möglich.
Weiterhin ist bei der Erzeugung von ns-Laserimpulsen mit Lei­ stungslaserdioden eine aufwendige Stromversorgung nötig. Die­ se Stromversorgung muß in der Lage sein, innerhalb der Schaltzeit, also weniger Nanosekunden, den erforderlichen Be­ triebsstrom in die Laserdiode einzuprägen.
Zudem erfordert die Erzeugung von ns-Laserimpulsen kurze Lei­ tungslängen und damit eine räumlich eng benachbarte Anordnung von Stromquelle und Laserdiode. Kurze Leitungslängen sind nö­ tig, um eine Verlängerung der Laserimpulse aufgrund von Si­ gnallaufzeiten zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lasermodul zu schaffen, das zur Erzeugung von ns-Laserimpulsen hoher Intensität geeignet ist und das mit einer technisch einfachen Stromquelle betrie­ ben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Lasermodul nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 14.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Lasermodul mit einem Halbleiterlaser und einer Ansteuerschaltung zu bilden, wobei die Ansteuerschaltung einen Energiespeicher und einen elek­ tronischen Schalter beinhaltet und der Energiespeicher mit dem Halbleiterlaser über den elektronischen Schalter verbun­ den ist.
Unter einem Halbleiterlaser ist dabei eine Einheit zu verste­ hen, die mindestens eine Laserdiode enthält. Dabei kann der Halbleiterlaser einen einzelnen Halbleiterkörper einer Laser­ diode, eine Mehrzahl solcher, miteinander verschalteter Halb­ leiterkörper oder eine oder mehrere Laserdioden als Bauele­ ment beinhalten.
Der oder die Halbleiterkörper können eine einzelne aktive Schicht oder eine Mehrzahl aktiver Schichten, beispielsweise in Form eines Stapels oder eines Barrens aufweisen. Weiterge­ hend können der oder die Halbleiterkörper aus einer Mehrzahl miteinander zu einem Stapel oder Barren verbundener Einzel­ halbleiterkörper gebildet sein.
Der Energiespeicher stellt eine Einheit zur Speicherung elek­ trischer Energie dar. Dabei wird die elektrische Energie vor­ zugsweise in einem elektrischen Feld nach Art eines Kondensa­ tors gespeichert. Andere Formen der gespeicherten Energie sind ebenfalls möglich, beispielsweise in Form von chemischer Energie bei einem Energiespeicher nach Art eines Akkumula­ tors.
Der Halbleiterlaser wird bei geschlossenem elektronischem Schalter aus dem Energiespeicher mit Betriebsstrom versorgt.
Wird der elektronische Schalter mit elektrischen Impulsen ge­ taktet, so emittiert der Halbleiterlaser Laserimpulse mit ei­ ner Impulsdauer, die im wesentlichen mit der Dauer der Takt­ impulse übereinstimmt.
Da Energiespeicher und Halbleiterlaser bei der Erfindung in einem Modul zusammengefaßt sind, ist eine eng benachbarte An­ ordnung und eine elektrische Verbindung mit kurzen Leitungs­ längen gewährleistet.
Mit Vorteil wird so die Signallaufzeit gering gehalten. Eine Erzeugung von ns-Laserimpulsen ist durch Ansteuerung des elektronischen Schalters mit ns-Taktimpulsen leicht möglich. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf­ grund des in dem Lasermodul enthaltenen Energiespeichers die Anforderungen an eine externe Stromversorgung gesenkt sind.
Bei der Erzeugung von ns-Laserimpulsen wird der Energiespei­ cher nur kurzzeitig belastet, so daß ein Kondensator oder ei­ ne auf einem oder mehreren Kondensatoren basierende Schaltung als Energiespeicher zur Versorgung des Halbleiterlasers aus­ reicht. Dies ermöglicht eine kostengünstige und kompakte Bau­ weise des Lasermoduls.
Bevorzugt weist das Lasermodul einen Versorgungsanschluß auf, über den der Energiespeicher mit Energie versorgt wird. Damit wird der durch den Halbleiterlaser verursachte Verbrauch der gespeicherten Energie kompensiert, so daß mit Vorteil ein stationärer beziehungsweise quasistationärer Betrieb des La­ sermoduls möglich ist.
Besonders bevorzugt ist eine direkte Verbindung zwischen Energiespeicher und Versorgungsanschluß. Ist im Betrieb der Versorgungsanschluß mit einer externen Stromquelle verbunden, so wird der Energiespeicher kontinuierlich nachgeladen.
Vorteilhafterweise wird bei einer kontinuierlichen Nachladung des Energiespeichers die externe Stromquelle nur mit der Durchschnittseingangsleistung des Lasermoduls belastet, wäh­ rend der Energiespeicher den zeitkritischen Spitzenleistungs­ bedarf während der Schaltzeiten deckt, in denen der Halblei­ terlaser in Betrieb ist.
Von besonderem Vorteil ist diese kontinuierliche Versorgung bei einem geringen Tastverhältnis des erzeugten Laserimpuls­ zugs. In diesem Fall wird die externe Stromquelle dem Tastverhältnis entsprechend nur mit einer geringen Dauerlei­ stung belastet.
Vorzugsweise weist die Erfindung einen aus dem Lasermodul herausgeführten Steueranschluß auf, mit dem der elektronische Schalter gesteuert wird. Dies ermögliche eine flexible und direkte Steuerung der emittierten Laserimpulse.
Alternativ kann die in dem Lasermodul enthaltene Ansteuer­ schaltung um einen Taktgeber erweitert werden, der den elek­ tronischen Schalter steuert. Mit Vorteil benötigt das so ge­ bildete Lasermodul keine weitere Ansteuerung für den gepul­ sten Betrieb.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der elektronische Schalter zweistufig ausgeführt. Dabei stellt die zweite Stufe (Schaltstufe) den eigentlichen Schalter dar, die erste Stufe (Eingangsstufe) dient als Treiber für die zweite Stufe.
Die Zweiteilung des Schalters besitzt den Vorteil, daß die zweite Stufe für das Schalten einer Hochstromlast, wie sie ein Halbleiterlaser hoher Ausgangsleistung darstellt, opti­ miert ist. Davon weitgehend unabhängig ist die Eingangscha­ rakteristik des elektronischen Schalters durch die Eingangs­ stufe festgelegt.
Weiterhin ermöglicht diese Zweiteilung den Einsatz kommerzi­ ell erhältlicher Schalter und Treiber in der Schalt- bezie­ hungsweise Eingangsstufe.
Bevorzugt wird als Schaltstufe ein Leistungs-MOSFET verwen­ det. Leistungs-MOSFETs eignen sich besonders zum Schalten ho­ her Ströme, so daß damit ein zuverlässig schaltendes Lasermo­ dul realisiert werden kann.
Weiterhin wird mit Vorteil als Eingangsstufe ein MOSFET- Treiber mit hochohmigem Eingang und entspechend geringer Lei­ stungsaufnahme am Eingang verwendet. Solche Treiber sind ebenfalls kommerziell, beispielsweise in Form einer inte­ grierten Schaltung, erhältlich, so daß auf diese Weise mit geringem Aufwand ein Lasermodul geschaffen werden kann, das nahezu leistungslos angesteuert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, eine Eingangsstufe mit TTL-Eingang zu verwenden. Hierunter ist auch ein Eingang mit einem erweiterten Eingangsspannungsbereich zu verstehen, der mit einem TTL-Signal angesteuert werden kann. Ein so gebilde­ tes Lasermodul kann direkt an bestehende Schaltungen mit TTL- Ausgang angeschlossen werden und erfordert weder einen geson­ derten Treiber in der bestehenden Schaltung noch eine beson­ dere Regelung der Versorgungsspannung. Weitergehend kann die Eingangsstufe mit Vorteil auch an die Signalpegel anderer Lo­ gikfamilien angepaßt sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Halb­ leiterlaser, elektronischer Schalter und Energiespeicher auf einen gemeinsamen Träger montiert und über Leiterbahnen, die auf dem Träger aufgebracht sind, verbunden.
Ein so gebildetes Lasermodul zeichnet sich durch hohe Kom­ paktheit und besonders kurze Verbindungen zwischen den ein­ zelnen Komponenten aus. Aufgrund der damit verbundenen gerin­ gen Signallaufzeiten eignet sich ein solches Modul besonders zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden.
Weiterhin können bekannte Techniken zur Herstellung von Trä­ ger, Leiterbahnen und Montage der einzelnen Komponenten ver­ wendet werden. Dies erlaubt mit Vorteil eine kostengünstige Herstellung des Lasermoduls.
Bevorzugt wird die Erfindung zur Erzeugung von ns- Laserimpulsen hoher Spitzenleistung verwendet.
Damit eignet sich die Erfindung beipielsweise als Geber in optischen Entfernungsmeßgeräten.
Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme, den geringen Anfor­ derungen an die Stromversorgung und der einfachen und nahezu leistungslosen Ansteuerung bietet sich der Einsatz der Erfin­ dung besonders in mobilen Systemen, speziell im KFZ-Bereich und im Flugzeugbau an.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Aus­ führungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Lasermoduls,
Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasermoduls,
Fig. 3 eine schematische Aufsicht eines dritten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasermoduls und
Fig. 4 die optische Leistung in Abhängigkeit der Zeit ei­ nes charakteristischen, von einem erfindungsgemäßen Lasermodul erzeugten Laserimpulses.
Gleiche oder gleichwirkende Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungs­ beispiels. Das Lasermodul 1 beinhaltet einen Halbleiterlaser 2, einen elektronischen Schalter 3 und einen Energiespeicher 4.
Als Halbleiterlaser 2 eignen sich insbesondere Leistungsla­ serdioden auf GaAs-Basis. Die Vorzüge der Erfindung, speziell die geringe Leistungsaufnahme werden besonders mit Laser­ dioden erreicht, die für einen Impulsbetrieb im Nanosekunden­ bereich ausgelegt sind. Mit solchen Laserdioden wird aufgrund der kurzen Impulsdauer eine hohe Spitzenintensität erzielt. Die Leistungsaufnahme des Lasermoduls kann dabei durch An­ steuerung mit einem kleinen Tastverhältnis gering gehalten werden kann.
Zur Stromversorgung des Halbleiterlasers 2 dient der Energie­ speicher 4, der über den elektronischen Schalter 3 mit dem Halbleiterlaser verbunden ist.
Der Energiespeicher 4 weist einen externen Anschluß 5 auf, über den der Energiespeicher 4 aufgeladen wird. Mit geringem Aufwand läßt sich der Energiespeicher 4 mit einem Kondensator oder einer Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren rea­ lisieren. Je nach Anwendungsfall können auch Energiespeicher mit höherer Kapazität, beispielsweise Akkumulatoren verwendet werden. Weiterhin kann der Energiespeicher mehrstufig gebil­ det sein, um beispielsweise den Spitzenleistungsbedarf des Halbleiterlasers gesondert zu decken.
Der den Energiespeicher 4 mit dem Halbleiterlaser 2 verbin­ dende elektronische Schalter 3 wird über den Steueranschluß 6 angesteuert. Im geschlossenen Zustand des elektronischen Schalters 3 ist der Halbleiterlaser 2 mit dem Energiespeicher 4 verbunden, so daß sich der Energiespeicher 4 über den Halb­ leiterlaser 2 entlädt.
Als Schaltstufe des elektronischen Schalters 3 werden bevor­ zugt Leistungs-MOSFETs verwendet, die für Hochstromlasten, wie sie Halbleiterlaser hoher Ausgangsleistung darstellen, aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften besonders geeignet sind.
Bei einer hochfrequenten Ansteuerung eines solchen MOSFETs steigt allerdings der Steuerstrom aufgrund der schnellen Um­ ladung der MOSFET-Gatekapazität. Daher ist es vorteilhaft, die MOSFET-Schaltstufe über einen geeigneten Treiber anzu­ steuern, so daß die elektrischen Eigenschaften des Steuerein­ gangs 6 von der MOSFET-Schaltstufe weitgehend unabhängig sind.
Speziell kann so der MOSFET-Schaltstufe ein hochohmiger Ein­ gang vorgeschaltet werden, der auch im hochfrequenten Bereich eine nahezu strom- bzw. leistungslose Ansteuerung erlaubt.
In Fig. 2 ist das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels gezeigt. Als Halbleiterlaser 3 wird eine GaAs- Laserdiode 8 mit einer InAlGaAs/GaAs-QW-Struktur verwendet. Die Laserdiode besitzt eine Spitzenleistung von etwa 20 W und eine Emissionswellenlänge von 905 nm.
Als Energiespeicher 4 dient eine Parallelschaltung zweier Kondensatoren 9a und 9b. Der eine Anschluß 14 der Kondensa­ torparallelschaltung ist wie die Kathode der Laserdiode 8 mit dem Bezugspotentialanschluß 7, der andere Anschluß 15 mit dem Versorgungsspannungsanschluß 5 verbunden.
Über den Versorgungsspannungsanschluß 5 wird die Kondensator­ parallelschaltung kontinuierlich nachgeladen beziehungsweise auf dem Potential der Versorgungsspannung gehalten.
Weiterhin steht dieser Anschluß 15 über den Leistungs-MOSFET 10 mit dem Anodenanschluß der Laserdiode 8 in Verbindung, wo­ bei der Drainanschluß des MOSFETs 10 mit dem Anschluß 15 der Kondensatorparallelschaltung und der Sourceanschluß mit der Anode der Laserdiode 8 verbunden ist. Das Gate des MOSFETs wird mit dem Steueranschluß 6 über den MOSFET-Treiber 11 an­ gesteuert. Als MOSFET-Treiber 11 wird ein Hochgeschwindig­ keits-CMOS-Treiber mit TTL-Eingang verwendet.
Damit kann das Lasermodul nahezu strom- bzw. leistungslos mit einem TTL-Signal gesteuert werden. Das Lasermodul kann daher vorteilhafterweise ohne zusätzlichen Aufwand in bestehende TTL-Schaltungen integriert werden.
Als Hochgeschwindigkeitstreiber besonders geeignet sind MOSFET-Treiber der Familie EL7104C beziehungsweise EL7114C (Elantec Inc., Datenblatt 1994) mit Schaltzeiten von wenigen Nanosekunden.
Zum Betrieb ist der MOSFET-Treiber 11 mit dem Versorgungsan­ schluß 5 und dem Bezugspotentialanschluß 7 verbunden. Eine Trennung der Versorgungsspannungen für den Treiber 11 und den Energiespeicher 4 wäre problemlos möglich durch einen zusätz­ lich herausgeführten Anschluß, falls dies beispielsweise auf­ grund des verschiedenen Leistungsbedarfs oder verschiedener Betriebsspannungen für Treiber 11 und Energiespeicher 4 er­ wünscht ist.
Die gezeigte Ausführungsform wiederum erlaubt ein sehr kom­ paktes Lasermodul, das mit einer einzigen Stromquelle betrie­ ben werden kann.
Im Betrieb schaltet bei einem aktiven Steuersignal am Steuer­ anschluß 6 der Treiber 11 den MOSFET 10 durch. Solange der Steueranschluß aktiviert ist, werden die Kondensatoren 9a, 9b über die Laserdiode 8 entladen. Entsprechend strahlt die La­ serdiode 8 einen Laserimpuls ab.
In Fig. 3 ist eine Aufsicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der Erfindung gezeigt. Die Einzelkomponenten (Laser­ diode 8, Kondensatoren 9a, 9b, MOSFET 10, MOSFET-Treiber 11) sind auf einem Träger 12 montiert und über Leiterbahnen 13 sowie Drahtverbindungen gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Schaltplan verschaltet.
Die integrierte Treiberschaltung 11 und der MOSFET 10 sind auf dem Träger 12 aufgeklebt und die jeweiligen Anschlußflä­ chen über Drahtverbindungen mit den entsprechenden Leiterbah­ nen 13 verbunden.
Als Kondensatoren 9a, 9b werden SMD-Kondensatoren verwendet, die direkt mit den Kontaktflächen auf die Leiterbahnen 13 ge­ lötet sind.
Der Versorgungsanschluß 5, der Bezugpotentialanschluß 7 und der Steueranschluß 6 ist als Drahtanschluß aus dem Lasermodul 1 herausgeführt.
Zum Schutz der einzelnen Komponenten ist das gesamte Modul mit einer Gehäuseformmasse vergossen oder umspritzt. Bevor­ zugt wird dafür eine für die erzeugte Laserstrahlung transpa­ rente Formmasse verwendet. Alternativ kann die Emissionsflä­ che der Laserdiode 8 von der Formmasse freigehalten werden.
Die Abmessungen des Moduls betragen etwa 8 mm × 5 mm bei ei­ ner Dicke von etwa 3 mm. Damit steht ein sehr kompaktes, na­ hezu strom- bzw. leistungslos steuerbares Lasermodul mit gleichmäßig geringer Leitungsaufnahme zur Verfügung.
In Fig. 4 ist ein von dem eben beschriebenen Ausführungsbei­ spiel emittierter, charakteristischer Laserimpuls 16 zusammen mit dem Steuerimpuls 17 dargestellt. Aufgetragen ist die op­ tische Leistung POPT des Laserimpulses 16 sowie die Steuer­ spannung UTRG 17 in Abhängigkeit der Zeit t.
Als Steuerimpuls 17 wird ein steilflankiger Rechteckimpuls mit einer Impulsdauer von 10 ns verwendet. Der generierte La­ serimpuls 16 ist näherungsweise gaußförmig mit einer etwas verzögert abfallenden Flanke und besitzt eine typischen Im­ pulsdauer von 6 ns (volle Halbwertsbreite). Die steigende Flanke des Laserimpulses 16 ist aufgrund der Anstiegszeit des MOSFET-Treibers 11 und des MOSFETs 10 gegen die führende Flanke des Steuerimpulses 17 um etwa 5 ns verzögert.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der beschriebenen drei Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Be­ schränkung der Erfindung zu verstehen.

Claims (14)

1. Lasermodul (1) mit mindestens einem Halbleiterlaser (2) und einer Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung einen Energiespeicher (4) und einen elektronischen Schalter (3) enthält und der Halbleiterlaser (2) über den elektronischen Schalter (3) mit dem Energiespei­ cher (4) verbunden ist.
2. Lasermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (2) mindestens eine Laserdiode (8) oder einen Laserdiodenhalbleiterkörper aufweist.
3. Lasermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (4) mindestens einen Kondensator (9) ent­ hält.
4. Lasermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermodul (1) einen Versorgungsanschluß (5) aufweist und daß der Energiespeicher (4) mit dem Versorgungsanschluß (5) verbunden ist.
5. Lasermodul (1) nach Anspruch (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsanschluß (5) direkt mit dem Energiespeicher (4) verbunden ist.
6. Lasermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermodul (1) einen Steueranschluß (6) zur Steuerung des elektronischen Schalters (3) aufweist.
7. Lasermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (3) eine erste und eine zweite Stufe aufweist, wobei die zweite Stufe einen Leistungsschal­ ter darstellt, der über die erste Stufe angesteuert wird.
8. Lasermodul (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe ein Leistungs-MOSFET (10) ist.
9. Lasermodul (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe eine integrierte Schaltung (11) mit hochohmi­ gem Eingang zur Ansteuerung eines Leistungs-MOSFETs (10) ist.
10. Lasermodul (1) nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe einen TTL-Eingang aufweist.
11. Lasermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (4), der Halbleiterlaser (2) und der elektronische Schalter (3) auf einen gemeinsamen Träger (12) aufgebracht sind.
12. Lasermodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (12) Leiterbahnen (13) ausgebildet sind, durch die der Energiespeicher (4), der Halbleiterlaser (2) und der elektronische Schalter (3) verbunden sind.
13. Verwendung eines Lasermoduls (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 12 zur Erzeugung von Nanosekunden-Laserimpulsen.
14. Verwendung eines Lasermoduls (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 12 als Geber in einem optischen Abstandmesser.
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