Драйвер для лазера. Драйверы лазерных диодов: принцип работы, типы и характеристики

В данной статье представлены результаты исследования тепловой оптической нелинейности в фотонно-кристаллических волокнах

У Вас особенный запрос?

У Вас особенный запрос?

Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199

Форма заявки

Ваше имя: *

Ваше имя

Ваш e-mail: *

Ваш телефон: *

Ваш телефон

Этот сайт использует cookie-файлы и другие технологии для улучшения его работы. Продолжая работу с сайтом, Вы разрешаете использование cookie-файлов. Вы всегда можете отключить файлы cookie в настройках Вашего браузера.

Хорошо

ДРАЙВЕР ЛАЗЕРНОГО ДИОДА ОСНОВЫ – Wavelength Electronics

Что такое драйвер лазерного диода?

В наиболее идеальной форме это источник постоянного тока, линейный, бесшумный и точный, который подает на лазерный диод именно такой ток, который необходим для его работы в конкретном приложении. Пользователь выбирает, поддерживать постоянный ток лазерного диода или фотодиода и на каком уровне. Затем система управления подает ток на лазерный диод безопасно и на соответствующем уровне. На блок-схеме на рис. 1 показан очень простой драйвер лазерного диода (иногда известный как источник питания лазерного диода). Каждый символ определен в таблице ниже. Каждый раздел подробно описан ниже. Драйверы лазерных диодов сильно различаются по набору функций и производительности. Эта блок-схема представляет собой репрезентативный образец, предназначенный для ознакомления пользователей с терминологией и основными элементами, а не для исчерпывающей оценки того, что доступно на рынке.

Рис. 1. Схема драйвера лазерного диода

Источник тока лазерного диода:  Одной из ключевых частей драйвера лазерного диода является регулируемый источник тока. Его также можно назвать выходным каскадом. Эта секция соответствует секции Control System, управляя током лазерного диода. На блок-схеме лазерный диод находится между напряжением питания и источником тока. Другие драйверы лазерных диодов помещают лазерный диод между источником тока и землей. В зависимости от конфигурации лазерного диода и заземления один подход может быть лучше другого. Это раздел, в котором пользователь подключает лазерный диод и/или фотодиод к схеме.

Система управления:  Вводимые пользователем данные включают уставку ограничения (с точки зрения максимального тока лазерного диода, допустимого для лазерного диода), рабочую уставку и то, является ли управляющая переменная током лазерного диода или током фотодиода. Кроме того, если требуется удаленная уставка, обычно доступен вход аналоговой модуляции.

• Уставка:  Это аналоговое напряжение в системе. Он может быть создан комбинацией встроенной регулировки и входа модуляции. В некоторых случаях вход модуляции суммируется со встроенными настройками. В других случаях он вычитается из встроенной настройки.
• Генерация ошибки:  Чтобы узнать, как работает система, фактический уровень тока сравнивается с заданным уровнем тока. Эти два напряжения вычитаются, и результат называется «Ошибка». В случае драйвера лазерного диода фактический уровень тока может исходить либо от лазерного диода, либо от фотодиода. Если в качестве обратной связи используется ток лазерного диода, система управления будет использовать сигнал ошибки от тока лазерного диода. Выход регулируемого источника тока не изменится. Это называется режимом постоянного тока. Если ток фотодиода используется в качестве обратной связи, система управления будет пытаться поддерживать постоянный ток фотодиода (и, соответственно, оптическую мощность лазерного диода). Выход регулируемого источника тока БУДЕТ изменяться, чтобы поддерживать уровень оптической мощности одинаковым. Это называется режимом постоянной мощности.
• Функция управления: Преобразует сигнал ошибки в управляющий сигнал для лазерного диодного источника тока. Это не то же самое для режима постоянной мощности или постоянного тока.
• Цепь ограничения:  Один из способов повредить лазерный диод — пропустить через него слишком большой ток. Каждое техническое описание лазерного диода указывает максимальный рабочий ток. Превышение этого тока повредит лазерный диод. Во избежание этого в блок питания лазерного диода включена ограничительная цепь. Пользователь определяет максимальное значение, и выходной ток не превышает этот уровень. Некоторые схемы ограничения ограничивают ток на максимальном уровне и продолжают работать. Схема активного ограничения тока отключает ток драйвера лазерного диода.
• Защитные функции:  В разных драйверах лазерных диодов они сильно различаются. Во всем мире правительственные постановления требуют несколько основных элементов для более мощных лазерных систем. Во-первых, должна быть временная задержка между подачей электроэнергии и генерацией. Во-вторых, должен быть способ блокировки защитных корпусов или входных дверей, чтобы при открытии корпуса или двери лазер выключался. Лазерные диоды чувствительны к тепловому удару, поэтому обычно в них встроена схема медленного пуска. Для драйверов с питанием от постоянного тока отключение выхода при падении напряжения и угрозе целостности управления называется защитой от понижения напряжения. Другая ценная функция может защитить лазерный диод от ударов электростатическим разрядом или переходных процессов от источника питания.
• Питание:  На управляющую электронику и источник тока должно быть подано питание. Это может быть источник питания постоянного тока (некоторые драйверы используют входы с одним источником питания, другие используют два источника питания) или входной разъем переменного тока и кабель. В некоторых случаях, когда для лазерного диода требуется более высокое напряжение, могут быть доступны отдельные входы питания постоянного тока для питания управляющей электроники от источника с низким напряжением +5 В, а для лазерного диода — от источника с более высоким напряжением.

В чем разница между прибором, модулем и компонентом?

Обычно цена, набор функций и размер. Инструмент обычно имеет переднюю панель с ручками и кнопками регулировки и некоторой формой дисплея для отслеживания работы лазерного диода. Все это можно автоматизировать с помощью компьютерного управления через USB, RS-232, RS-485 или GPIB. Инструмент обычно питается от источника переменного, а не постоянного тока. По нашему определению, модуль не включает в себя дисплей или блок питания и имеет минимально необходимые настройки. Для контроля состояния внешний вольтметр измеряет напряжение, а в техническом описании модуля предусмотрена передаточная функция для преобразования напряжения в фактический ток лазерного диода или фотодиода. Компонент дополнительно разбирается без движущихся частей. Внешние резисторы или конденсаторы задают рабочие параметры. Функции безопасности являются общими для всех трех форм. Обычно модули могут располагаться на столе или интегрироваться в систему с помощью кабелей. Компоненты монтируются непосредственно на печатную плату (PCB) с помощью контактов для сквозного или поверхностного монтажа (SMT). Два ряда контактов называются корпусом DIP (двойной ряд), а один ряд контактов называется корпусом SIP (один ряд).

Различные готовые контроллеры доступны как в приборных, так и в комплектациях OEM. Некоторые производители стирают границы, например, предлагая USB-управление компонентами в виде мини-приборов.

Упаковка компонентов и модулей включает надлежащий теплоотвод элементов схемы (или руководство по теплоотводу устройства) и обычно включает в себя соответствующие кабели для лазерного диода и источника питания. Инструменты снабжены шнуром питания, и доступ пользователя внутрь корпуса не требуется.

Пороговый ток: Спецификация лазерного диода. При этом ток излучения меняется от спонтанного (светодиодного) к стимулированному и когерентному свету. Это значение зависит от типа лазерного диода и температуры корпуса лазерного диода. Telcordia предлагает четыре метода определения порогового тока в SR-TSY-001369.

Прямой ток: Спецификация лазерного диода. Оптическая мощность создается током, протекающим через лазерный диод. Как только ток превышает пороговое значение, прямой ток и оптическая мощность становятся прямо пропорциональными. Отношения обычно задаются графиком.

Прямое напряжение: Спецификация лазерного диода. Прямое напряжение изменяется по мере изменения прямого тока, подобно кривой диода. Прямое напряжение используется для определения минимального уровня входной мощности постоянного тока для модуля или компонента, достаточного для управления лазерным диодом. Он также используется для определения того, как мощность рассеивается в нагрузке по сравнению с самим драйвером.

Режим постоянного тока:  Обратной связью, управляющей источником тока, является фактический ток через лазерный диод.

Режим постоянной мощности:  Обратной связью, управляющей источником тока, является фактический ток, протекающий через фотодетектор.

Ширина полосы модуляции:  Это можно указать для синусоидальной или прямоугольной волны. Обычно это частота, при которой входной сигнал вдвое меньше исходного сигнала (точка 3 дБ).

Глубина модуляции:  Указывается в процентах. 100% глубина модуляции означает, что максимальный размах сигнала, разрешенный на входе аналоговой модуляции, повторяется на выходном токе без искажений. Глубина модуляции уменьшается с увеличением частоты.

Отключить:  Когда выходной ток отключен, все механизмы безопасности обычно устанавливаются в исходное состояние при включении питания, и на лазерный диод подается только остаточный ток утечки.

Ток утечки:  В идеале, когда драйвер лазерного диода выключен, ток через диод не протекает. На практике питание не отключается, а отключается лазерный диод. Схема отключает систему управления, а не источник тока. Небольшое количество тока все еще может протекать через диод. Если защита от электростатического разряда включена параллельно диоду, весь остаточный ток должен шунтировать диод, когда источник тока отключен. Лазерные диоды обычно не подлежат горячей замене. Извлекайте лазерный диод только тогда, когда все питание системы отключено, соблюдая соответствующие меры предосторожности от электростатического разряда.

ESD:  Электростатический разряд. Наиболее распространенным примером электростатического разряда является «удар», который ощущается при переходе по ковру и прикосновении к металлической дверной ручке. Лазерные диоды чувствительны к электростатическому разряду. Разряда, который человек не чувствует, все же достаточно, чтобы повредить лазерный диод. При работе с лазерным диодом или другим электронным оборудованием, чувствительным к электростатическому разряду, следует соблюдать соответствующие меры предосторожности в отношении электростатического разряда.

DVM:  Цифровой вольтметр, измеритель напряжения.

Амперметр:  Счетчик, который контролирует ток.

Внутреннее рассеивание мощности:  В случае линейного источника тока часть мощности, подаваемой источником питания, направляется на лазерный диод, а часть используется в драйвере лазерного диода. Максимальное рассеивание внутренней мощности драйвера — это предел, выше которого возможно тепловое повреждение внутренних электронных компонентов. Проектирование системы лазерных диодов включает в себя выбор напряжения питания. Если для питания диода, прямое напряжение которого равно 2 В, выбрано питание 28 В, на драйвере лазерного диода будет падать напряжение 26 В. Если драйвер работает на 1 ампер, внутренняя рассеиваемая мощность будет V * I или 26 * 1 = 26 Вт. Если внутренняя спецификация рассеиваемой мощности равна 9Вт, компоненты источника тока перегреются и выйдут из строя. Wavelength предоставляет онлайн-калькуляторы безопасной рабочей зоны для всех компонентов и модулей, чтобы упростить выбор конструкции.

Соответствие напряжения: Источник тока имеет соответствующее падение напряжения на нем. Напряжение соответствия — это напряжение источника питания за вычетом этого внутреннего падения напряжения. Это максимальное напряжение, которое может быть подано на лазерный диод. Обычно указывается при полном токе.

Предел тока:  В техническом описании лазерного диода максимальный прямой пиковый ток будет указан при температуре окружающей среды. При превышении этого тока лазерный диод будет поврежден. При более высоких температурах это максимальное значение будет уменьшаться. Ограничение по току — это максимальный ток, который может обеспечить источник тока. Активный предел тока инициирует систему управления для отключения тока, если предел тока превышен. Ограничение по току может быть установлено ниже максимального тока лазерного диода и использоваться как инструмент для минимизации внутреннего рассеивания мощности драйвера лазерного диода.

Нагрузка:  Для драйвера лазерного диода нагрузка состоит из лазерного диода и/или фотодиода.

IMON:  Это аналоговое напряжение, пропорциональное току лазерного диода. Передаточные функции указаны в технических описаниях отдельных драйверов.

PMON:  Это аналоговое напряжение, пропорциональное току фотодиода. Передаточные функции указаны в технических описаниях отдельных драйверов.

RPD:  Это общий термин, используемый для обозначения резистора, включенного последовательно с фотодиодом. Измерьте напряжение на этом резисторе, чтобы определить ток фотодиода. [Закон Ома: V = I * R].

VSET:  Это общий термин, используемый для обозначения входного сигнала аналоговой модуляции. V указывает на сигнал напряжения, а SET указывает на его назначение: уставка системы управления. Его также можно назвать MOD или MOD IN.

Каковы типичные спецификации и как их интерпретировать для моего приложения?

В настоящее время каждый производитель проводит собственное тестирование, стандарт для измерения отсутствует. Как только вы определили решение для своего приложения, очень важно протестировать продукт в вашем приложении, чтобы проверить его работу. Вот некоторые из определений, которые использует длина волны, и как интерпретировать спецификации в вашем проекте.

Входное сопротивление:  Указано для аналоговых входов напряжения, таких как VSET или MOD IN. На более высоких частотах имеет значение относительное значение импеданса источника и импеданса входного контакта. Напряжение сигнала модуляции может быть уменьшено, если значения не совпадают. Доля сигнала, отраженного на интерфейсе, определяется как:

(ZL – ZS)/(ZL + ZS), где ZL – импеданс входного контакта, а ZS – импеданс источника.

Шум:  Для драйвера лазерного диода шум выходного тока обычно указывается одним числом в микроамперах. Более правильным представлением шума является мА/√Гц или текущий шум в заданной полосе пропускания.

Полоса пропускания:  Указано для синусоиды. Где амплитуда синусоиды от пика до пика составляет половину амплитуды входного сигнала на входе аналоговой модуляции (точка 3 дБ).

Время нарастания:  После начальной задержки и последовательности медленного запуска, если на вход аналоговой модуляции подается прямоугольная волна, источник тока быстро отреагирует на ее изменение. Это также можно назвать временем включения.

Время падения:  Если источник тока отключен, уровень тока через диод упадет до остаточного уровня в течение этого времени. Это также можно назвать временем ВЫКЛ.

Глубина модуляции:  Отклик источника тока будет меняться по мере увеличения частоты модуляции. На низких частотах может подаваться полный сигнал «rail-to-rail», и источник тока будет точно следовать за ним. Это 100% глубина модуляции. На более высоких частотах значения размаха больше не будут доходить до рельса. В 90% глубины модуляции, размах входного сигнала 5 В приведет к размаху 4,5 В в IMON.

Диапазон рабочих температур: Электроника предназначена для правильной работы в указанном диапазоне температур. За пределами минимальной и максимальной температуры может произойти повреждение или измениться поведение. Рабочий диапазон, указанный для длины волны, связан со спецификацией максимального внутреннего рассеивания мощности. При температуре окружающей среды выше определенной (обычно 35°C или 50°C) максимальное внутреннее рассеивание мощности снижается до нуля при максимальной рабочей температуре.

Диапазон рабочего напряжения:  В некоторых драйверах лазерных диодов могут использоваться два входных напряжения: одно для питания управляющей электроники (VDD), а другое для обеспечения более высокого напряжения согласования с лазерным диодом (VS). Обычно управляющая электроника работает при более низких напряжениях: от 3,3 до 5,5 В. Превышение этого напряжения может привести к повреждению элементов в секциях управления или питания. Источник тока (или выходной каскад) рассчитан на более высокие напряжения (например, 30 В с семейством драйверов лазерных диодов PLD). Эту спецификацию необходимо рассматривать в сочетании с током привода и мощностью, подаваемой на нагрузку, чтобы убедиться, что конструкция не превышает спецификацию максимального внутреннего рассеивания мощности. Например, PLD5000 рассчитан на работу с током до 5 А при входном напряжении 30 В. Его максимальная внутренняя рассеиваемая мощность составляет 15 Вт. Если 28 В используется для питания лазерного диода, на котором падает 2 В, на PLD5000 падает 26 В. При напряжении 26 В максимальный ток в пределах безопасного рабочего диапазона составляет менее 15/26 или 0,576 Ампер. Подача большего тока приведет к перегреву компонентов выходного каскада и потенциально необратимому повреждению драйвера.

Контрольная и фактическая точность:  Сигналы IMON и PMON представляют собой аналоговые напряжения, пропорциональные току лазерного диода и току фотодиода соответственно. Точность фактических токов по отношению к измеренным значениям указана в спецификациях отдельных драйверов. Wavelength использует откалиброванное, прослеживаемое NIST оборудование для обеспечения этой точности.

Отдельные заземления монитора и питания:  Одно заземление высокой мощности предназначено для подключения к источнику питания любого драйвера лазерного диода. Несколько слаботочных заземлений расположены среди сигналов монитора, чтобы свести к минимуму смещения и неточности. Несмотря на то, что сильноточные и слаботочные заземления соединены внутри, для достижения наилучших результатов используйте слаботочные заземления с любым монитором.

Линейные или импульсные источники питания для компонентов и модулей:  Линейные источники питания относительно неэффективны и имеют большие размеры по сравнению с импульсными источниками питания. При этом они малошумные. Если шум критичен для вашей системы, вы можете попробовать импульсный источник питания, чтобы увидеть, влияет ли частота переключения на производительность где-либо в системе.

Длина волны определяет три различных конфигурации выводов лазерного диода/фотодиода. Некоторые драйверы лазерных диодов являются универсальными, в то время как другие предназначены только для подключения лазерного диода. Они четко указаны в описании каждого драйвера лазерного диода.

Некоторые корпуса лазерных диодов закорачивают любой контакт лазерного диода на корпус, который может соединять контакт с заземлением через системное оборудование. Особое внимание к деталям заземления обеспечит безопасную эксплуатацию. В следующих определениях и параметрах предполагается, что заземление источника питания является плавающим или изолированным от заземления:

Кроме того, при объединении драйвера лазерного диода с регулятором температуры может потребоваться использование отдельных источников питания. Если TEC или термистор подключены к лазерному диоду, вам может потребоваться разделить заземление, используя источник питания для каждого контроллера и позволяя каждому источнику питания работать независимо от другого.

Wavelength разрабатывает драйверы лазерных диодов и производит их на предприятии в Бозмане, штат Монтана, США. Чтобы просмотреть список текущих вариантов драйверов лазерных диодов, нажмите здесь.

Что такое лазерный диод?

Безопасность лазерных диодов

Веб-сайт CDRH

Внешние ссылки приведены для справочных целей. Wavelength Electronics не несет ответственности за содержание внешних сайтов.

Основные сведения о драйверах лазерных диодов

В своей простейшей форме драйвер лазера представляет собой источник тока, состоящий из токоизмерительного резистора и операционного усилителя. Операционный усилитель измеряет напряжение на чувствительном резисторе и регулирует его выход в контуре обратной связи, чтобы поддерживать напряжение на резисторе как можно ближе к управляющему напряжению.

Поскольку ток на отрицательный вход усилителя не поступает, ток лазера I _L равен управляющему напряжению V _C , деленному на измерительный резистор R _С .

Выходной каскад большинства операционных усилителей не может обеспечить ток более нескольких десятков мА, поэтому его обычно заменяют дискретным транзистором:

Соответствие напряжения

Драйвер лазера может регулировать ток только до тех пор, пока напряжение лазера остается в определенных пределах. Напряжение питания V _S является суммой напряжения резистора V _Rs = R _S x I _L , напряжения лазера V _L и напряжение транзистора V _T .

Транзистор можно рассматривать как переменный резистор, управляемый операционным усилителем. Когда напряжение лазера увеличивается, операционный усилитель пытается уменьшить сопротивление транзистора R _T для поддержания постоянного тока. В какой-то момент сопротивление транзистора достигает своего минимального значения R _Tmin и драйвер ведет себя так, как если бы лазер питался от V _S последовательно с R _Tmin и R _S .

Напряжение соответствия — это максимальное напряжение лазера, при котором драйвер поддерживает регулировку тока. Это напряжение зависит от тока и обычно указывается при максимальном рабочем токе драйвера.

Анализ шума

На входе ОУ можно рассмотреть три источника шума напряжения: шум управляющего напряжения v _C ² , приведенный к входу шум ОУ v _O ² и тепловой шум чувствительного резистора v _R ² = 4 к _B T R _S .

Рассмотрим лазерный драйвер на 100 мА, состоящий из чувствительного резистора 10 Ом, операционного усилителя с шумом входного напряжения 0,85 нВ/√Гц и бесшумного управляющего напряжения. При комнатной температуре тепловой шум резистора 10 Ом составляет около 0,4 нВ/√Гц. Поскольку два шума напряжения независимы, их сумма дает спектральную плотность мощности (0,4 ² +0,85 ² ) ^½ = 1,0 нВ/√Гц. Разделив результат на 10 Ом, мы получим токовый шум 100 пА/√Гц.

Токовый шум можно уменьшить, увеличив значение чувствительного резистора, как показано на графике ниже. При малых значениях резистора тепловым шумом можно пренебречь, а токовый шум масштабируется обратно пропорционально сопротивлению. При сопротивлении выше 50 Ом начинает преобладать тепловой шум, а токовый шум масштабируется только пропорционально квадратному корню из сопротивления.

Выбор номинала резистора является компромиссом между текущим шумом и потребляемой мощностью.

Модулирование тока лазера

Модуляция может выполняться как минимум двумя способами, в зависимости от требуемой частоты модуляции. Пока частота модуляции меньше полосы пропускания контура обратной связи, ток лазера можно модулировать с помощью управляющего напряжения V _C .