DE102004038405A1 - Quantum cascade laser with reduced power dissipation - Google Patents
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Abstract
Halbleiterlaser, insbesondere Quantenkaskadenlaser, mit einem aktiven Halbleiterbereich, welcher derart mit einem Feldeffekttransistor verbunden ist, dass der Anodenanschluss des Halbleiterlasers mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors und der Kathodenanschluss des Halbleiterlasers mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist, wobei an Source und Drain eine Versorgungsstromquelle anschließbar ist und der Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors für den Anschluss eines Taktgebers vorgesehen ist.Semiconductor laser, in particular quantum cascade laser, having an active semiconductor region which is connected to a field effect transistor, that the anode terminal of the semiconductor laser to the drain terminal of the field effect transistor and the cathode terminal of the semiconductor laser is connected to the source terminal of the field effect transistor, wherein at source and drain a supply current source can be connected and the gate terminal of the field effect transistor is provided for the connection of a clock generator.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Quantenkaskadenlaser, welcher mit Pulsdauern im Bereich weniger Nanosekunden bei einer Wiederholrate bis 500 MHz betrieben wird. Quantenkaskadenlaser emittieren Licht mit Wellenlängen vom mittleren bis fernen infraroten Spektralbereich, d.h. von 3 – 15 μm oder darüber hinaus.The The present invention relates to a semiconductor laser, in particular a quantum cascade laser, which with pulse durations in the range less Nanoseconds at a repetition rate up to 500 MHz is operated. Quantum cascade lasers emit light at wavelengths of mid to far infrared spectral range, i. from 3 to 15 μm or beyond.
Aufgrund ihrer Wellenlänge, welche größer ist als die Größe der meisten Aerosole, wird die von Quantenkaskadenlasern emittierte Strahlung unter atmosphärischen Bedingungen nur gering absorbiert. Daher sind Quantenkaskadenlaser hervorragend für die Freistrahl-Datenübertragung geeignet. Dies betrifft insbesondere Quantenkaskadenlaser mit Wellenlängen über 8 μm. Auch für Aerosolmessungen und Gasspektroskopie können Quantenkaskadenlaser vorteilhaft eingesetzt werden.by virtue of their wavelength, which is larger as the size of most Aerosols, is the radiation emitted by quantum cascade lasers under atmospheric Conditions only slightly absorbed. Therefore, quantum cascade lasers excellent for the free jet data transmission suitable. This applies in particular to quantum cascade lasers with wavelengths above 8 μm. Also for aerosol measurements and gas spectroscopy can Quantum cascade laser can be used advantageously.
Einer Verbreitung von Quantenkaskadenlasern im Massenmarkt stehen jedoch bislang die äußerst ungünstigen elektrischen Parameter dieser Bauelemente entgegen. So weist ein Quantenkaskadenlaser in Durchlassrichtung einen Spannungsabfall von mindestens 10 V auf. Da auch die Betriebsströme im Bereich von einigen Ampere liegen, ergeben sich Verlustleistungen von 50 – 100 W. Somit ist ein Dauerstrich-Betrieb bei Raumtemperatur auf Grund der starken Eigenerwärmung der aktiven Schichten des Quantenkaskadenlasers häufig nicht möglich.one However, quantum cascade lasers are spreading in the mass market so far the extremely unfavorable electrical parameters of these components. So instruct one Quantum cascade laser in the forward direction of a voltage drop of at least 10V. As well as the operating currents in the range of a few amps lie, resulting in power losses of 50 - 100 W. Thus, a continuous wave operation at room temperature due to the strong self-heating of the active layers of the quantum cascade laser often not possible.
Um die thermische Last zu verringern, werden Quantenkaskadenlaser meist im Pulsbetrieb mit einem Duty-cycle unter einem Prozent betrieben. In diesem Fall ist jedoch die Ansteuerung schwierig, da Quantenkaskadenlaser neben hohen Betriebsspannungen und Betriebsströmen auch eine niedrige Impedanz im Bereich von 1 – 2 Ω aufweisen.Around To reduce the thermal load, quantum cascade lasers are mostly operated in pulse mode with a duty cycle below one percent. In this case, however, the drive is difficult because quantum cascade lasers in addition to high operating voltages and operating currents, a low impedance in the range of 1 to 2 Ω.
Nach dem Stand der Technik werden Quantenkaskadenlaser mit einem Serienschalter angesteuert, welcher den Betriebsstrom mit dem gewünschten Duty-cycle ein- bzw. ausschaltet. Bei kurzen Pulsdauern und hohen Repetitionsraten ergibt sich dabei das Problem, dass die gesamte Stromversorgung zum Quantenkaskadenlaser zur Vermeidung von unerwünschten Reflexionen an die Impedanz des Quantenkaskadenlasers angepasst werden muss. Jedoch sind elektrische Leitungen mit einem Wellenwiderstand von 1 – 2 Ω nicht gebräuchlich.To The prior art are quantum cascade lasers with a series switch controlled, which the operating current with the desired Duty cycle on or off. For short pulse durations and high Repetition rates results in the problem that the entire Power supply to the quantum cascade laser to avoid unwanted Reflections matched to the impedance of the quantum cascade laser must become. However, electrical lines are with a characteristic impedance from 1 - 2 Ω not in use.
Weiterhin wird ein großer Teil der zugeführten Leistung im Impedanzanpassungsnetzwerk vernichtet, welches zum Abschluss des Leitungssystems zwingend erforderlich ist. Somit ist der gesamte Wirkungsgrad des Quantenkaskadenlasers sehr gering. Dies erfordert großzügig dimensionierte Stromversorgungen und entsprechende Kühleinrichtungen, um diese Leistung gefahrlos von den Bauelementen abzuleiten. Der Betrieb von Quantenkaskadenlasern wird damit kostenaufwändig und fehleranfällig. Weiterhin sind kompakte Module aufgrund der thermischen Last nicht herstellbar.Farther will be a big one Part of the supplied Power in the impedance matching network destroyed, which is the conclusion of the piping system is mandatory. Thus, the overall efficiency of the quantum cascade laser very low. This requires generously dimensioned Power supplies and corresponding cooling equipment to this power safely derive from the components. The operation of quantum cascade lasers will be costly and error prone. Furthermore, compact modules are not due to the thermal load produced.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Quantenkaskadenlaser, anzugeben, welcher einen erhöhten Wirkungsgrad und damit eine reduzierte Verlustleistung aufweist.outgoing from this prior art, the object of the present Invention is a semiconductor laser, in particular a quantum cascade laser, indicate which one increased Efficiency and thus has a reduced power loss.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Quantenkaskadenlaser, mit einem aktiven Halbleiterbereich, welcher derart mit einem Feldeffekttransistor verbunden ist, dass der Anodenanschluss des Halbleiterlasers mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors und der Katodenanschluss des Halbleiterlasers mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist, wobei an Source und Drain eine Versorgungsstromquelle anschließbar ist und der Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors für den Anschluss eines Taktgebers vorgesehen ist.The The object is achieved by a semiconductor laser, in particular a quantum cascade laser, with an active semiconductor region, which is thus connected to a field effect transistor in that the anode terminal of the semiconductor laser is connected to the drain terminal of the field effect transistor and the cathode terminal of the semiconductor laser to the source terminal of the field effect transistor connected to source and drain is a supply current source connectable is and the gate terminal of the field effect transistor for the connection a clock is provided.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die elektrischen Verluste im Impedanzanpassungsnetzwerk erheblich verringert werden können, wenn der Betriebsstrom des Quantenkaskadenlasers nicht mit einem Serienschalter unterbrochen wird, sondern der Schalter parallel zum Quantenkaskadenlaser angeordnet wird. Bei geschlossenem Schalter wird somit der Betriebsstrom über den Schalter zur Masse kurzgeschlossen. Nach dem Öffnen des Schalters fließt der Strom wunschgemäß durch den Quantenkaskadenlaser.According to the invention was detected that the electrical losses in the impedance matching network can be significantly reduced if the operating current of the quantum cascade laser not with a Series switch is interrupted, but the switch in parallel is arranged to quantum cascade laser. With the switch closed thus the operating current is over Shorted the switch to ground. After opening the Switch's flowing Power as required the quantum cascade laser.
Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung fließt in der Versorgungsleitung ein konstanter Gleichstrom, welcher lediglich zwischen dem Quantenkaskadenlaser und dem als Schalter verwendeten Feldeffekttransistor hin- und hergeschaltet wird. Ein solcher Gleichstrom benötigt keine an die Impedanz des Quantenkaskadenlasers angepassten Leitungen. Somit werden die elektrischen Verluste im Anpassungsnetzwerk vermieden und der Schaltungsaufwand reduziert.By Use of the circuit according to the invention flows in the supply line a constant direct current, which only between the quantum cascade laser and the switch used Field effect transistor is switched back and forth. Such a direct current needed no lines matched to the impedance of the quantum cascade laser. This avoids the electrical losses in the matching network and the circuit complexity is reduced.
Verbleibende Störsignale auf der Versorgungsleitung sind insbesondere dann besonders niedrig, wenn der Feldeffekttransistor und der Quantenkaskadenlaser eng benachbart angeordnet werden und die Verbindungsleitungen möglichst kurz und gleich lang sind, so dass keine Laufzeitunterschiede des umgeschalteten Stromes entstehen.Remaining interfering signals on the supply line are particularly low especially when the field effect transistor and the quantum cascade laser arranged closely adjacent who the and the connecting lines are as short and the same length, so that no differences in transit time of the switched current arise.
Eventuell verbleibende Störsignale auf der Versorgungsleitung können durch einen Tiefpassfilter von der Stromquelle ferngehalten werden. Im einfachsten Fall eignet sich hierzu eine Induktivität, welche in der Versorgungsleitung angeordnet ist. Dem Fachmann ist dabei selbstverständlich geläufig, dass durch Hinzufügen weiterer Bauelemente, wie z.B. Kapazitäten und Widerständen, die Flankensteilheit des Tiefpassfilters und dessen Güte gesteigert werden kann.Perhaps remaining interfering signals on the supply line can be kept away from the power source by a low pass filter. In the simplest case, this is an inductance, which is arranged in the supply line. The expert is involved Of course familiar, that by adding further components, such as e.g. Capacities and resistances that Slope of the low-pass filter and its quality increased can be.
In besonders einfacher Weise wird der erfindungsgemäße Quantenkaskadenlaser mit einer Konstantstromquelle betrieben. Der Fachmann kann jedoch in einer weiteren Ausführungsform eine Konstantspannungsquelle verwenden, und das Tiefpassfilter dafür entsprechend auslegen.In The quantum cascade laser according to the invention is particularly easy with operated a constant current source. The expert can, however, in a further embodiment use a constant voltage source and the low pass filter accordingly interpret.
Besonders vorteilhaft kann auch eine Diode in der Versorgungsleitung angeordnet werden, welche eine möglicherweise auftretende Induktionsspannung der Induktivität terminiert und damit den Quantenkaskadenlaser und den Feldeffekttransistor vor Überlastung schützt.Especially Advantageously, a diode can also be arranged in the supply line which one may be occurring induction voltage of the inductor terminates and thus the quantum cascade laser and protects the field effect transistor from overloading.
Obgleich die Erfindung anhand eines Quantenkaskadenlasers beschrieben ist, eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung und der erfindungsgemäße Aufbau auch für die Verwendung mit jedem anderen Halbleiterlaser.Although the invention is described with reference to a quantum cascade laser, the circuit according to the invention is suitable and the structure of the invention also for Use with any other semiconductor laser.
Vorteilhaft wird der Feldeffekttransistor so dimensioniert, dass sein Widerstand zwischen Drain und Source bei einem Extremwert der Gatespannung kleiner ist als der Widerstand des Halbleiterlasers. In diesem Fall ist der durch den Quantenkaskadenlaser fließende Reststrom unterhalb des Schwellstromes des Quantenkaskadenlasers und die im Laser dissipierte Leistung ist im leitenden Zustand des Feldeffekttransistors nahezu null. Somit wird die thermische Belastung des Quantenkaskadenlasers wunschgemäß weiter verringert.Advantageous the field effect transistor is dimensioned so that its resistance between drain and source at an extreme value of the gate voltage smaller is as the resistance of the semiconductor laser. In this case is the residual current flowing through the quantum cascade laser below the Schwellstromes the quantum cascade laser and dissipated in the laser Power is almost in the conductive state of the field effect transistor zero. Thus, the thermal load of the quantum cascade laser as desired reduced.
Als Feldeffekttransistor kann sowohl ein Sperrschicht-FET als auch ein MOS-FET verwendet werden. Sofern ein MOS-FET eingesetzt wird, eignet sich prinzipiell sowohl ein Enhancement-Mode-MOS-FET als auch ein Depletion-Mode-MOS-FET.When Field effect transistor can be both a junction FET and a MOS-FET can be used. If a MOS-FET is used, it is suitable in principle both an enhancement mode MOS FET and a depletion mode MOS FET.
Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einsatz eines selbstleitenden MOS-FET oder eines Sperrschicht-FET. In diesem Fall ist der Feldeffekttransistor zwischen Source und Drain stets leitend, sodass bei Einschalten des Versorgungsstromes ohne dem gleichzeitigen Anlegen einer Gatespannung der Versorgungsstrom stets über den Feldeffekttransistor nach Masse abgeleitet wird. Eine Zerstörung des Quantenkaskadenlasers durch einen unbeabsichtigten Dauerstrich-Betrieb ist somit ausgeschlossen.Especially However, the use of a self-conducting MOS-FET is advantageous or a barrier FET. In this case, the field effect transistor between source and drain always conductive, so when switching the supply current without the simultaneous application of a gate voltage the supply current always over the field effect transistor is derived to ground. A destruction of the quantum cascade laser by an unintended continuous operation is thus excluded.
Obgleich die Erfindung hier anhand eines n-Kanal-MOS-FETs beschrieben wird, ist es dem Fachmann selbstverständlich geläufig, stattdessen einen p-Kanal-FET einzusetzen und alle an diesem anliegenden Spannungen umzupolen. Insbesondere kann die Schaltung auch mit üblichen Leistungs-MOS-FETs mit integrierter Freilaufdiode ausgeführt werden. Diese sind weit verbreitet und als Standard-Bauelement leicht erhältlich.Although the invention will be described here with reference to an n-channel MOS FET, it is obvious to the expert familiar, Instead, use a p-channel FET and all those adjacent to it Umzupolen voltages. In particular, the circuit can also with conventional Power MOS FETs are designed with integrated freewheeling diode. These are widely used and readily available as a standard component.
Zur Pulsung des Quantenkaskadenlasers wird eine entsprechende Steuerspannung an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors angelegt. Da die Gatespannung nur eine Kleinsignalspannung darstellt und zur Steuerung des Gate nur geringe Ströme erforderlich sind, können an dieser Stelle handelsübliche, impedanzangepasste Leitungen und Abschlussimpedanzen verwendet werden. Somit lassen sich Reflexionen auf der Gate-Signalleitung in einfacher Weise verhindern.to Pulsation of the quantum cascade laser is a corresponding control voltage applied to the gate terminal of the field effect transistor. Because the Gate voltage represents only a small signal voltage and to control the gate only low currents are required commercially available at this point, impedance matched lines and terminating impedances are used. Thus, reflections on the gate signal line become easier Prevent it.
Um die Leitungen zwischen dem Feldeffekttransistor und dem Quantenkaskadenlaser möglichst kurz zu halten, werden beide Bauelemente vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger montiert. Besonders bevorzugt werden die Bauelemente als Chip ohne eigenes Gehäuse auf dem Träger angeordnet. Somit können die Bauelemente durch Bonddrähte verbunden werden und die Leitungswege werden weiter verringert.Around the lines between the field effect transistor and the quantum cascade laser as short as possible To keep both components are preferably on a common carrier assembled. Particularly preferred are the components as a chip without own housing on the carrier arranged. Thus, you can the components connected by bonding wires and the cable routes are further reduced.
Als Träger für die Montage der Bauelemente eignet sich insbesondere ein Träger aus Aluminiumnitrit, Silicium, Berylliumoxid oder Diamant, welcher eine gute Wärmeableitung ermöglicht. Durch passive Kühlkörper, Lüfter oder thermoelektrische Kühler, welche in thermischen Kontakt mit dem Träger stehen, kann die Überhitzung des Quantenkaskadenlasers zuverlässig verhindert werden.When carrier for the Mounting the components is particularly suitable for a carrier Aluminum nitrite, silicon, beryllium oxide or diamond, which is a good heat dissipation allows. Through passive heatsink, fan or thermoelectric coolers, which may be in thermal contact with the carrier, overheating of the quantum cascade laser reliable be prevented.
Besonders bevorzugt ist der Träger auf der Montagefläche mit einer Legierung versehen, welche Gold und Zinn enthält. Somit ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang von den aktiven Halbleiterschichten auf den Träger.Especially preferred is the carrier on the mounting surface provided with an alloy containing gold and tin. Consequently This results in a particularly good heat transfer from the active semiconductor layers on the carrier.
Die Befestigung der Bauelemente auf dem Träger erfolgt in an sich bekannter Weise durch Löten oder Kleben, sofern die Bauelemente mit einem eigenen Gehäuse versehen sind auch durch Schraubverbindung oder Klemmung.The Attachment of the components on the carrier takes place in a known per se Way by soldering or Gluing, provided that the components have their own housing are also by screw or clamp.
Fallweise können auf dem Träger auch weitere Bauelemente angeordnet werden, wie Leitungsanpassungsimpedanzen für das Gatesignal oder eine oben beschriebene Schutzdiode für die Stromversorgungseinrichtung. Dem Fachmann ist dabei selbstverständlich klar, dass eine Leitungsanpassungsimpedanz auch aus mehreren Bauelementen bestehen kann.Occasionally, further components can be arranged on the carrier, such as line impedance matching for the gate signal or a protective diode for the power supply device described above. The skilled person is of course clear that a line impedance can also consist of several components.
Sofern der vorbezeichnete Träger in ein Gehäuse eingebaut wird, ergibt sich ein kompaktes Modul, dessen Größe mit der Größe bisheriger Quantenkaskadenlaser vergleichbar ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedoch an zusätzlicher Beschaltung nur ein Taktsignal und ein Versorgungsgleichstrom benötigt.Provided the aforementioned carrier in a housing is built, resulting in a compact module whose size with the Size of previous Quantum cascade laser is comparable. In contrast to the state of Technique is however at additional wiring only one clock signal and a DC supply current needed.
Zur Auskopplung des vom Halbleiterlaser emittierten Lichtes ist im Metallgehäuse eine Einrichtung zur Auskopplung der vom Halbleiterlaser emittierten Nutzstrahlung integriert. Dies kann entweder ein an die Wellenlänge des Halbleiterlasers angepasstes Austrittsfenster oder eine Faseroptik sein. Das Austrittsfenster kann dabei plan sein oder durch entsprechende Krümmung als Linse ausgeführt werden. Insbesondere kann das Austrittsfenster für Infrarotstrahlung auch aus Diamant gefertigt werden.to Coupling of the light emitted by the semiconductor laser light is in the metal housing a Device for decoupling emitted by the semiconductor laser Effective radiation integrated. This can either be at the wavelength of the Semiconductor laser adapted exit window or a fiber optic be. The exit window can be flat or by appropriate curvature designed as a lens become. In particular, the exit window for infrared radiation may also be off Diamond to be made.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einer Zeichnung nochmals kurz erläutert werden.following the invention with reference to a drawing will be briefly explained again.
Die Figur zeigt einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Quantenkaskadenlasers. Auf einem gemeinsamen Träger aus Aluminiumnitrit, welcher mit einer Gold-Zinn-Schicht versehen ist, befinden sich der Quantenkaskadenlaser QCL, ein Enhancement-Mode-MOS-FET T1, eine Leitungsanpassungsimpedanz Z2 mit 50 Ω sowie eine Schutzdiode D1.The FIG. 1 shows a circuit diagram of the quantum cascade laser according to the invention. On a common carrier made of aluminum nitrite, which is provided with a gold-tin layer is the quantum cascade laser QCL, an enhancement mode MOS FET T1, a 50 Ω line matching impedance Z2, and a protective diode D1.
Die Beschaltung erfolgt derart, dass der Anodenanschluss des Quantenkaskadenlasers mit dem Drain des MOS-FET verbunden ist. Der Source-Anschluss des MOS-FET T1 ist mit dem Katodenanschluss des Quantenkaskadenlasers verbunden. Der Source-Anschluss liegt elektrisch auf Masse, wohingegen dem Drain-Anschluss über die in Durchlassrichtung betriebene Diode D1 und eine als Tiefpassfilter wirkende Induktivität L1 ein Versorgungsstrom zugeführt wird. Das Gate-Signal wird dem MOS-FET T1 über einen Signalgenerator und eine Leitungsanpassungsimpedanz Z1 über eine handelsübliche 50 Ω-Leitung zugeführt.The Wiring is such that the anode terminal of the quantum cascade laser is connected to the drain of the MOS-FET. The source port of the MOSFET T1 is connected to the cathode terminal of the quantum cascade laser connected. The source terminal is electrically grounded, whereas the drain connection over the forward-biased diode D1 and one acting as a low-pass filter inductance L1 supplied a supply current becomes. The gate signal is applied to the MOSFET T1 via a signal generator and a line matching impedance Z1 via a commercially available 50 Ω line fed.
Bei positiver Gatespannung leitet der MOS-FET T1 und der Konstantstrom I1 fließt durch den MOS-FET zur Masse ab. Bei abfallender Gatespannung wird der MOS-FET hochohmig und sperrt den Konstantstrom, welcher nun durch den Quantenkaskadenlaser zur Masse abfließt und dabei die Lichtemission des Quantenkaskadenlasers bewirkt. Durch erneutes Anlegen einer positiven Gatespannung wird der MOS-FET wieder leitend und auf Grund dessen geringeren Widerstandes wird der Strom wiederum am Quantenkaskadenlaser vorbei über den MOS-FET zur Masse abgeleitet. Die Lichtemission des Quantenkaskadenlasers kommt damit zum Erliegen.at positive gate voltage is conducted by the MOS-FET T1 and the constant current I1 flows through the MOS-FET to ground. With decreasing gate voltage is the MOS-FET high impedance and blocks the constant current, which now flows through the quantum cascade laser to ground and thereby the light emission of the quantum cascade laser causes. By re-creating a positive gate voltage, the MOS-FET is again conductive and ground its lower resistance, the current is again at the quantum cascade laser over over derived the MOS-FET to ground. The light emission of the quantum cascade laser comes to a halt.
Durch die erfindungsgemäße Spaltung ist sichergestellt, dass außerhalb des Moduls keine hohen Schaltströme auftreten. Daher muss der Versorgungsstrom nicht über eine an die Impedanz des Quantenkaskadenlasers angepasste Hochfrequenzleitung zugeführt werden. Die Gatespannung kann mit handelsüblichen Signalquellen ohne weitere Hilfsmittel über übliche 50 Ω-Leitungen zugeführt werden.By the cleavage according to the invention is ensured that outside of the module no high switching currents occur. Therefore, the supply current does not have a High frequency line adapted to the impedance of the quantum cascade laser supplied become. The gate voltage can with commercial signal sources without additional aids via standard 50 Ω lines be supplied.
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