KR970009668B1 - Laser diode driver - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본 발명 레이저 다이오드 드라이버의 블럭도.1 is a block diagram of a laser diode driver of the present invention.
제2도는 본 발명 팬형의 균일하지 않은 임피던스 스트립라인을 나타낸 에너지 저장수단의 구성도로서,2 is a block diagram of the energy storage means showing the non-uniform impedance strip line of the present invention,
(a)는 에너지저장 캐패시터의 평면도이고,(a) is a plan view of an energy storage capacitor,
(b)는 에너지저장 캐패시터의 A-A 단면도이다.(b) is A-A sectional drawing of an energy storage capacitor.
제3도는 본 발명 동심형의 균일하지 않은 임피던스 스티립라인을 나타낸 에너지 저장수단의 구성도로서,3 is a block diagram of the energy storage means showing the concentric non-uniform impedance stippling line of the present invention.
(a)는 에너지저장 캐패시터의 평면도이고,(a) is a plan view of an energy storage capacitor,
(b)는 에너지저장 캐패시터의 A-A 단면도이다.(b) is A-A sectional drawing of an energy storage capacitor.
제4도는 본 발명 균일 스티립라인 구조의 에 저장수단과 레이저 어레이간의 동작 구성도로서,4 is an operational configuration diagram of the storage unit and the laser array of the uniform styline line structure of the present invention,
(a)는 에너지저장 캐패시터의 평면도이고,(a) is a plan view of an energy storage capacitor,
(b)는 에너지저장 캐패시터의 A-A 단면도이다.(b) is A-A sectional drawing of an energy storage capacitor.
제5도는 본 발명 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터와 레이저 어레이간의 동작구성도.5 is a diagram illustrating the operation between an energy storage capacitor and a laser array of a non-uniform impedance stripline structure of the present invention.
제6도의 (a-c)균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터에 의한 출력펄스 파형도.(A-c) Output pulse waveform diagram of the energy storage capacitor of the non-uniform impedance stripline structure of FIG.
제7도의 (a-c)는 본 발명 균일 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터에 의한 출력펄스 파형도.7A is a waveform diagram of an output pulse of an energy storage capacitor having a uniform impedance stripline structure of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 제어수단 200 : 전력조건 및 충전펄스수단100: control means 200: power conditions and charging pulse means
300 : 에너지 저장수단 400 : 트리거광 및 구동수단300: energy storage means 400: trigger light and driving means
500 : 광활성 반도체 스위치수단 600 : 고출력 레이저 어레이500: photoactive semiconductor switch means 600: high power laser array
본 발명은 레이저 다이오드 드라이버에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드가 고전력, 고펄스반복 주파수를 출력할 수 있도록 한 레이저 다이오드 드라이버에 관한 것이다.The present invention relates to a laser diode driver, and more particularly, to a laser diode driver that enables a laser diode to output a high power, high pulse repetition frequency.
일반적으로 레이저 드라이버는 가스레이저와, 솔리드 스테이트 레이저(SOLID-STATE LASER), 그리고 반도체 레이저로 크게 분류되는 바, 상기 가스레이저와 솔리드 스테이트 레이저는 고출력을 내지만 크기가 크고, 무게가 무거우며, 가격이 비싸고, 효율이 극히 나쁜 단점이 있는 반면에, 상기 반도체 레이저는 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 효율이 높고, 가격이 저렴한 장점이 있어 최근 들어 반도체 레이저를 많이 이용하게 되었다.Laser drivers are generally classified into gas lasers, solid state lasers, and semiconductor lasers. The laser lasers and solid state lasers have high power but are large in size, heavy in weight, and high in price. On the other hand, the expensive, extremely poor efficiency has the disadvantage, the semiconductor laser has been recently used a lot of semiconductor lasers because of the advantages of small size, light weight, high efficiency, low cost.
그러나, 상기 반도체 레이저는 많은 장점이 있는 반면에 저항이 극히 낮다는 단점을 가지고 있어, 저항이 극히 낮은 고출력 반도체 레이저를 작동시키기 위하여는 고출력의 동력전달장치인 레이저 드라이버(LASER DRIVER)가 필요하게 된다.However, since the semiconductor laser has many advantages and has a disadvantage of extremely low resistance, a laser driver, a high power power transmission device, is required to operate a high power semiconductor laser having extremely low resistance. .
따라서 종래의 레이저 드라이버는 근본적으로 회로의 저항이 크므로, 이 저항이 큰 레이저 드라이버를 저항이 낮은 반도체 레이저와 결합을 할 때, 두 개의 전기회로 사이에 저항이 크게 차이가 나게 되고, 이로 인하여레이저 드라이버에서 규제된 전기에너지가 반도체 레이저를 작동하려 할 때, 대부분의 전기에너지가 광에너지로 바뀌는데 쓰여지지 못하고 레이저 드라이버에서 열로 손실된다.Therefore, the conventional laser driver essentially has a large resistance of the circuit, so when the laser driver with the large resistance is combined with a semiconductor laser having a low resistance, the resistance between the two electric circuits is greatly different, which causes the laser. When the regulated electrical energy in a driver attempts to operate a semiconductor laser, most of the electrical energy is not used to convert to optical energy and is lost as heat in the laser driver.
즉 상기 반도체 레이저가 작동하기 위해서는 일정량 이상의 전기에너지가 반도체 레이저에 공급되어야 고출력을 낼 수 있다.That is, in order for the semiconductor laser to operate, a certain amount or more of electrical energy must be supplied to the semiconductor laser to produce high power.
그러므로 상기 레이저 드라이버의 용량은 레이저 드라이버에서 열로서 손실이 예상된 에너지와 반도체 레이저를 작동하기에 필요한 에너지를 감안하여 구성하여야 하는데, 종래의 레이저 드라이버 경우, 손실된 에너지가 커질수록 레이저 드라이버의 용량은 급격히 커지게 되어 레이저 드라이버가 아주 크고, 무겁게 될 뿐만 아니라, 레이저 드라이버의 반복 주파수, 진동폭 및 진동상승시간에 악영향을 미치게 되는 문제점을 가지게 되었다.Therefore, the capacity of the laser driver should be configured in consideration of the energy expected to be lost as heat in the laser driver and the energy required to operate the semiconductor laser. In the case of the conventional laser driver, the capacity of the laser driver increases as the lost energy increases. The rapid increase in size causes the laser driver not only to become very large and heavy, but also to adversely affect the repetition frequency, the amplitude of vibration and the rise time of the laser driver.
한편 상기 반도체 레이저 다이오드는 갈륨, 알루미늄, 비소가 p-n 접합된 상태에서 순방향으로 바이어스되면, n 도전형 물질로부터 발생되는 전자들이 p 도전형 물질의 정공과 재결합하게 되고, 이에 따라 접합영역에서 광에너지가 방출되고, 그것은 1000nm(1000×10-9m)를 훨씬 넘는 파장부터 적색광지역까지 넓은 범위의 파장을 수용하게 된다.On the other hand, when the semiconductor laser diode is forward biased with gallium, aluminum, and arsenic in a pn junction, electrons generated from the n-conductive material recombine with holes in the p-conductive material, and thus, light energy in the junction region is increased. Emitted, it accommodates a broad range of wavelengths from well over 1000 nm (1000 x 10 -9 m) to the red light region.
그러나 이러한 반도체 레이저 다이오드의 동작에 있어서 중요한 변수는 바로 공급되는 전류의 레벨로서, 이 전류의 레벨이 낮을 경우에는, 즉 임계전류레벨미만의 전류레벨에서는 반도체 레이저는 레이저출력(레이저광)없이 자발적 방출을 행하게 되지만, 반면에 상기 전류의 레벨이 증가하여 레이저 다이오드가 임계전류레벨이상으로 되게 되면, 레이저 다이오드 매체내의 상태가 반전되어 레이저 동작이 시작되게 된다.However, an important variable in the operation of such semiconductor laser diodes is the level of the current supplied. When the current level is low, i.e., at a current level below the threshold current level, the semiconductor laser spontaneously emits without laser power (laser light). On the other hand, if the level of the current increases and the laser diode is above the threshold current level, the state in the laser diode medium is reversed to start the laser operation.
따라서, 임계전류미민에서는 레이저광이 거의 방출되지 않게 되며, 이에 따라 방출효율이 매우 낮게 된다.Therefore, almost no laser light is emitted in the critical current amine, and thus the emission efficiency is very low.
반면에 일단 전류레벨이 임계전류레벨 이상되면, 광출력은 급속하게 증가하게 된다.On the other hand, once the current level is above the threshold current level, the light output increases rapidly.
한편 레이저 다이오드 스트라이프(LASER DIODE STRIPE) 또는 레이저 어레이로 불리우는 고출력 레이저 다이오드는 단일의 가판상에 다수의 레이저 다이오드를 형성시켜 제조되는데, 이 경우 레이저의 출력 레벨은 레이저 어레이내의 레이저 다이오드의 개수에 비례하게 된다.High-power laser diodes, also called laser diode strips or laser arrays, are manufactured by forming multiple laser diodes on a single substrate, in which case the output level of the laser is proportional to the number of laser diodes in the laser array. do.
이러한 제조기술의 이점으로는 비용이 적게 들고, 대량생산 및 소형화가 가능하고, 신뢰성이 높다는 것을 들 수 있다.Advantages of this manufacturing technique include low cost, mass production and miniaturization, and high reliability.
그러나 단점으로는 온(ON)-상태 소자저항이 1오옴보다도 훨씬 작을 정도로 매우 낮다는 것을 들 수 있다.However, the disadvantage is that the on-state device resistance is very low, much smaller than 1 ohm.
이러한 레이저 어레이는 순방향 바이어스된 다수의 p-n 접합소자들, 즉, 레이저 다이오드들을 병렬로 접속시켜 제조되기 때문에, 레이저 어레이의 온-상태 저항은 어레이내의 레이저 다이오드들의 갯수가 증가에 반비례하여 감소하게 된다.Since such a laser array is made by connecting a plurality of forward biased p-n junction elements, i.e., laser diodes in parallel, the on-state resistance of the laser array decreases inversely proportional to the number of laser diodes in the array.
전형적으로, 고출력 레이저 어레이의 온-상태 저항은 수 오옴 내지 0.01미만의 범위에 있게 된다.Typically, the on-state resistance of a high power laser array will be in the range of several ohms to less than 0.01.
한편, 레이저 어레이의 출력레벨이 증가함에 따라, 즉 레이저 다이오드의 수가 많아짐에 따라, 이들 레이저의 임계전류레벨은 급격하게 증가하게 된다.On the other hand, as the output level of the laser array increases, that is, as the number of laser diodes increases, the threshold current levels of these lasers increase rapidly.
그러므로, 상기 고출력 레이저 구동을 위한 변조방식은 레이저 어레이내를 흐르는 전류를 제어하여 레이저광을 변조시키게 되어 있는 직접 변조방식을 이용하게 되고, 상기 고출력, 고 PRF(펄스반복 주파수)의 레이저 구동을 위해서는 고 펄스반복 주파수에서 매우 높은 전류펄스가 레이저 드라이버에 의해 발생되어야하며, 이것은 또한 매우 낮은 임피던스 부하(레이저 어레이)에 전달되어야만 한다.Therefore, the modulation method for driving the high power laser uses a direct modulation method that modulates the laser light by controlling the current flowing in the laser array, and for driving the high power, high PRF (pulse repetition frequency) laser driving. At high pulse repetition frequencies, very high current pulses must be generated by the laser driver, which must also be delivered to very low impedance loads (laser arrays).
종래 고출력의 펄스형 레이저 드라이버들의 능력은 주로 고출력반도체 스위치(실리콘 제어정류기) 및 파워 전계효과 트랜지스터(파워 FET), IGBT(절연된 게이트 쌍극 트랜지스터), 및 파워 쌍극 트랜지스터와 같은 기능에 의해 결정된다.The ability of conventional high power pulsed laser drivers is largely determined by functions such as high power semiconductor switches (silicon controlled rectifiers) and power field effect transistors (power FETs), IGBTs (insulated gate bipolar transistors), and power bipolar transistors.
따라서, 고전압 캐패시터를 펄스 바이어스시킨 뒤 파워 반도체 스위치를 동작시켜 전기에너지를 발생시키게 되어 있는 전류토폴로지(topo-logy)를 이용하고 있는 종래 고출력 레이저 드라이버는 매우 높은 회로 임피던스를 갖는다.Therefore, the conventional high power laser driver using a current topology (popology), which pulses a high voltage capacitor and operates a power semiconductor switch to generate electrical energy, has a very high circuit impedance.
그러므로 상기 고출력 펄스형 레이저 드라이버(높은 임피던스)와 레이저 어레이(매우 낮은 임피던스)간의 심한 임피던스 부조화에 기인하여, 전기에너지는 레이저 어레이를 구동시키는데 사용되지 못하고 대부분 열의 형태로 손실되게 된다.Therefore, due to the severe impedance mismatch between the high power pulsed laser driver (high impedance) and the laser array (very low impedance), electrical energy is not used to drive the laser array and is mostly lost in the form of heat.
즉, 드라이버로부터 발생된 열의 양은 그 열을 제거시키기 위한 팬을 설치해야 한다.In other words, the amount of heat generated from the driver requires the installation of a fan to remove the heat.
또한, 레이저 어레이의 구동을 위해서는 소정의 전류레벨이 요구되기 때문에 손실된 에너지를 보상하기 위해서는 바이어스 전압을 증가시켜야만 한다.In addition, since a predetermined current level is required to drive the laser array, the bias voltage must be increased to compensate for the lost energy.
결국 종래의 고출력펄스형 드라이버는 매우 높은 출력능력을 갖도록 설계되어 있고, 이 때문에 매우 고출력의 반도체스위치가 요구되게 된다. (일반적으로 반도체스위치의 출력능력이 증가함에 따라 이 스위치의 상승 하강시간이 실질적으로 느려지게 되며 펄스반복 주파수는 급속하게 낮아지게 된다).As a result, the conventional high output pulse type driver is designed to have a very high output capability, and therefore, a very high output semiconductor switch is required. (In general, as the output capability of a semiconductor switch increases, the rise and fall time of this switch is substantially slowed down and the pulse repetition frequency decreases rapidly.)
따라서 종래의 레이저 드라이버의 출력처리능력을 증가시키게 되면, 레이저 드라이버의 다른 능력들(출력 레이저펄스의 상승/하강시간, 펄스폭, PRF와 같은)은 급격하게 떨어지게 될 뿐만 아니라, 드라이버의 크기 및 중량도 급격하게 증가하게 된다.Therefore, when increasing the output processing capability of the conventional laser driver, other capabilities of the laser driver (such as the rise / fall time of the output laser pulse, pulse width, PRF) not only drop sharply, but also the size and weight of the driver. Also rapidly increases.
그 결과, 종래의 고출력 펄스형 드라이버는 레이저 어레이에 비해 중량이 크고 부피가 크게 되며, 상승시간, 하강시간, 펄스폭, PRF와 같은 능력들은 심하게 제한되게 된다.As a result, conventional high power pulsed drivers are heavier and bulkier than laser arrays, and capabilities such as rise time, fall time, pulse width, and PRF are severely limited.
상기 출력능력이외에도, 펄스형 레이저 드라이버에 대한 중요한 변수들로는 변조속도(고 PRF), 펄스폭, 효율, 중량, 소형화들을 들 수 있다. 따라서 고출력, 경량화, 소형화를 유지하면 고 PRF에서 협역의 펄스폭을 갖는 고 피이크 출력 광펄스를 방생시킬 수 있는 레이저 드라이버가 요구되는 실정이다.In addition to the output capability, important variables for pulsed laser drivers include modulation rate (high PRF), pulse width, efficiency, weight, and miniaturization. Therefore, there is a need for a laser driver capable of generating a high peak output optical pulse having a narrow pulse width at a high PRF if high power, light weight, and small size are maintained.
따라서 본 발명의 목적은 고전력, 고펄스반복 주파수의 광펄스를 출력얻을 수 있는 고출력 레이저 다이오드 드라이버를 제공하고자 하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a high power laser diode driver capable of outputting an optical pulse of high power and high pulse repetition frequency.
본 발명의 다른 목적은 고 전류효율, 경향화 및 소형화된 고출력 레이저 다이오드 드라이버를 제공하고자 하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a high power laser diode driver with high current efficiency, trending and miniaturization.
상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 반도체 레이저 드라이버에 있어서, 펄스 바이어스된 후 반도체 스위치를 동작시키는 고전압 캐패시터를 저임피던스의 균일 임피던스 스티립라인 구조 또는 균일하지 않은 임피던스 스티립라인 구조로 구성하여서 된 것을 특징으로 한다.In order to realize the above object, the present invention provides a semiconductor laser driver, wherein a high voltage capacitor for operating a semiconductor switch after being pulse biased is composed of a low impedance uniform impedance stiff line structure or a non-uniform impedance stiff line structure. do.
이하 첨부된 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명 레이저 다이오드 드라이버의 블럭도로서, 본 발명은 고출력, 고펄스 반복주파수의 소형화된 펄스형 레이저 다이오드 드라이브는 제어수단(100), 전력조건 및 충전펄스수단(200), 에너지 저장수단(300), 트리거광원 및 구동수단(400), 광활성 반도체 스위치 수단(500), 고출력 레이저 어레이(600)로 구성되는데, 상기 제어수단(100)은 입력단으로부터 들어오는 신호를 제어하고 제어된 신호를 전력조건 및 충전펄스수단(200) 및 트리거광원 및 구동수단(400)에 출력하게 된다.1 is a block diagram of the laser diode driver of the present invention, the present invention is a miniaturized pulse type laser diode drive of high power, high pulse repetition frequency control means 100, power conditions and charging pulse means 200, energy storage means 300, a trigger light source and driving means 400, a photoactive semiconductor switch means 500, a high power laser array 600, the control means 100 controls the signal coming from the input terminal and the power of the controlled signal The condition and the charging pulse means 200 and the trigger light source and the driving means 400 is output.
상기 전력조건 및 충전펄스수단(200)은 상기 제어수단(100)로부터의 신호에 의하여 AC 전원선 또는 밧데리로부터 유도된 주전기에너지를 제어한 후 소정의 에너지 저장수단(300) 및 트리거광원 및 구동수단(400)에 출력하게 된다.The power condition and the charging pulse means 200 controls the main electric energy derived from the AC power line or battery by the signal from the control means 100, and then the predetermined energy storage means 300 and the trigger light source and drive. Output to means 400.
상기 에너지 저장수단(300)은 저임피던스의 균일한 임피던스 스트립라인 구조 또는 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조의 캐패시터로 구성하게 되며, 상기 전력조건 및 충전펄스수단(200)에서 출력되는 에너지를 저장하게 된다.The energy storage means 300 is composed of a capacitor of a low impedance uniform impedance stripline structure or a non-uniform impedance stripline structure, and stores the power condition and the energy output from the charging pulse means 200.
상기 트리거광원 및 구동수단(400)은 상기 에너지 저장수단(300)에서 에너지저장이 완료되는 시점에서 상기 제어수단(100)으로부터 제어신호 입력시, 트리거광원이 구동하면서 저(혹은 중간)출력의 레이저광을 광활성 반도체 스위칭 수단(500)에 출력하게 된다.When the trigger light source and the driving means 400 input a control signal from the control means 100 at the time when the energy storage is completed in the energy storage means 300, the trigger light source is driven while the laser of low (or intermediate) output The light is output to the photoactive semiconductor switching means 500.
상기 광활성 반도체 스위치수단(500)은 스위치의 일종으로, 상기 트리거광원 구동수단(400)로부터 레이저광에 의하여 스위칭되면서 상기 에너지 저장수단(300)에 저장된 정전에너지를 고전류임펄스로 변환시켜서 고출력 레이저 어레이(600)에 출력하게 된다.The photoactive semiconductor switch means 500 is a kind of switch, and converts the electrostatic energy stored in the energy storage means 300 into a high current impulse while being switched by the laser light from the trigger light source driving means 400. 600).
상기 고출력 레이저 어레이(600)은 상기 광화성 반도체 스위치 수단(500)에서 변환된 고전류 임피던스를 고출력 광펄스로 출력하게 된다. 상기와 같이 구성되는 레이저 다이오드 드라이버는 제어수단(100)로부터의 신호에 의하여 전력조건 및 충전펄스수단(200)에서는 AC 전원선 또는 밧데리로부터 유입되는 주전기에너지 조건이 된 후, 에너지 저장수단(300)을 충전하는데 이용된다.The high output laser array 600 outputs the high current impedance converted by the photosensitive semiconductor switch means 500 as a high output optical pulse. The laser diode driver configured as described above has a power condition by a signal from the control means 100 and a main electric energy condition flowing from an AC power line or a battery in the charging pulse means 200, and then the energy storage means 300. ) Is used to charge.
상기 광활성 반도체 스위치 수단(500)은 트리거광원 구동수단(400)으로부터 광이 도입됨에 따라 상기 에너지 저장수단(300)에서 충전된 정전에너지를 고전류임펄스로 변환 출력하게 되는데, 이때 에너지 저장수단(300)은 레이저 다이오드를 변조하기 위해 고전압 캐패시터와 고출력 반도체 스위치를 사용하기 보다는 균일한 임피던스 스트립라인 구조 또는 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조를 이용하게 된다.The photoactive semiconductor switch means 500 converts the electrostatic energy charged in the energy storage means 300 into a high current impulse as light is introduced from the trigger light source driving means 400, wherein the energy storage means 300 Rather than using high voltage capacitors and high power semiconductor switches to modulate the laser diodes, a uniform impedance stripline structure or a non-uniform impedance stripline structure is used.
왜냐하면, 에너지저장 캐패시터로서 균일 임피던스 스티립라인 구조 또는 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조를 사용하면 실제의 융통성과 고전류 효율과 경량화와 컴팩트화를 부여할 수 있다.Because the use of a uniform impedance stripline structure or a non-uniform impedance stripline structure as an energy storage capacitor can give practical flexibility, high current efficiency, light weight and compactness.
따라서 상기 균일 임피던스 스트립라인 구조와 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조를 사용함에 의해 매우 낮은 임피던스의 에너지저장 캐패시터를 설게하는 것이 매우 용이해질 뿐만 아니라, 레이저 디이오드로 트리거되는 광활성 반도체 스위치를 사용함에 의해 느린 상승 및 하강시간, 낮은 PRF, 대역 펄스폭과 같은 고출력 반도체 스위치의 임계한계가 쉽게 극복할 수 있기 때문이다.This makes it very easy to install very low impedance energy storage capacitors by using the uniform impedance and non-uniform impedance stripline structures as well as slower by using photoactive semiconductor switches triggered by laser diodes. This is because the critical limits of high-power semiconductor switches such as rise and fall times, low PRF and bandwidth pulse widths can easily be overcome.
그러므로 저임피던스 에너지저장 캐패시터의 저출력(또는 중간출력) 레이저 다이오드로 트리거되는 반도체 스위치를 성공적으로 조합하면 고 PRF에서 극히 좁은 협역의 펄스폭을 갖는 고 피크 출력 광펄스를 발생할 수 있는 소형화된 펄스형 레이저 다이오드 드라이버가 만들어진다.Therefore, a successful combination of a semiconductor switch triggered by a low-power (or medium-power) laser diode in a low-impedance energy storage capacitor can result in a miniaturized pulsed laser diode that can produce high peak output optical pulses with extremely narrow narrow pulse widths at high PRF. The driver is created.
제2도는 본 발명 팬형의 균일하지 않은 임피던스 스트립라인을 나타낸 에너지 저장수단의 구조를 나타낸 것이고,Figure 2 shows the structure of the energy storage means showing the non-uniform impedance stripline of the present invention fan type,
제3도는 본 발명의 동심형의 균일하지 않은 임피던스 스트립 라인을 나타낸 에너지 저장수단의 구조를 나타낸 것이며,Figure 3 shows the structure of the energy storage means showing the concentric non-uniform impedance strip line of the present invention,
제4도는 본 발명 균일 임피던스 스트립라인 구조의 에너지 저장수단과 레이저 어레이간의 동작 구성도이고,4 is an operation configuration diagram between the energy storage means and the laser array of the uniform impedance stripline structure of the present invention,
제5도는 본 발명 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터와 레이저 어레이간의 동작구성도를 나타낸 것이다.5 is a diagram illustrating the operation between the energy storage capacitor and the laser array of the non-uniform impedance stripline structure of the present invention.
따라서 상기 에너지 저장수단(300)은 제2도의 (a)(b) 및 제3도의 (a)(b)에 도시한 바와같이, 팬형 또는 동심형 스티립라인 구조같은 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조나, 제4도의 (a)(b)에 도시한 바와같이 균일 임피던스 스트립라인 구조로 에너지저장 캐패시터를 구성하였을 경우, 각각의 정전용량(C)과 스트립라인의 임피던스특성(Zo)는 다음과 같다.Thus, the energy storage means 300 may have a non-uniform impedance stripline structure, such as a fan or concentric stiff-line structure, as shown in FIG. 2 (a) (b) and FIG. 3 (a) (b). When the energy storage capacitor is configured with a uniform impedance stripline structure as shown in (a) and (b) of FIG. 4, each of the capacitance C and the impedance characteristics Zo of the stripline are as follows.
여기서 C는 정전용량, A는 캐패시터의 전극, εo는 자유공간의 유전율, d는 유전체의 두께, εr은 유전체의 유전체상수, Zo는 스트립라인의 임피던스특성, w는 스트립라인 전극의 폭을 나타낸다.Where C is the capacitance, A is the electrode of the capacitor, ε o is the dielectric constant of the free space, d is the thickness of the dielectric, ε r is the dielectric constant of the dielectric, Zo is the impedance characteristic of the stripline, and w is the width of the stripline electrode.
상기 기판물질의 유전상수, 유전체의 두께, 그리고 전극의 폭을 적절히 선택하면 임피던스가 낮은 에너지저장 캐패시터를 설계할 수 있다.By properly selecting the dielectric constant of the substrate material, the thickness of the dielectric, and the width of the electrode, it is possible to design an energy storage capacitor having a low impedance.
상기 저임피던스 캐패시터로부터 고출력 레이저 어레이로 전기 에너지가 유도될 때, 캐패시터에 저장된 대부분의 에너지가 레이저 어레이를 구동하는데 사용되어, 에너지손실이 매우 작게 된다.When electrical energy is induced from the low impedance capacitor to the high power laser array, most of the energy stored in the capacitor is used to drive the laser array, resulting in very low energy losses.
상기 에너지 저장수단(300)인 에너지저장 캐패시터의 주기능은 일시적 정전에너지형태에서 전기적 에너지로 일시 보유하고 있다가, 광활성 반도체 스위칭 수단(500)이 턴온될 때, 에너지저장 캐패시터의 경계조건은 개방상태에서 닫힘상태로 전환된다.The main function of the energy storage capacitor, which is the energy storage means 300, is temporarily held as electrical energy in the form of temporary electrostatic energy, and when the photoactive semiconductor switching means 500 is turned on, the boundary condition of the energy storage capacitor is in an open state. Is switched to closed state.
상기 경계조건은 전환되자마자 에너지저장 캐패시터에 저장된 정전에너지는 진행파가 되어 상기 광활성 반도체 스위칭 수단(500)을 통해서 부하쪽으로 흐르기 시작한다.As soon as the boundary condition is switched, the electrostatic energy stored in the energy storage capacitor becomes a traveling wave and begins to flow toward the load through the photoactive semiconductor switching means 500.
이때 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터는 전송선과 같이 동작하여 제5도에 도시한 바와같이, 정합된 부하 임피던스가 연결되면 RC 시정수 지연곡선을 갖는 방전된 파형이기보다는 날카로운 상승하강시간을 갖는 전류펄스가 발생한다.At this time, the energy storage capacitor of the non-uniform impedance stripline structure operates like a transmission line, and as shown in FIG. 5, when the matched load impedance is connected, the sharp rise time is sharp rather than the discharged waveform having the RC time constant delay curve. A current pulse with
이들 전류펄스의 펄스폭은 에너지저장 캐패시터의 두 방향파 전송시간이다.The pulse widths of these current pulses are the two directional wave transfer times of the energy storage capacitor.
상기 전류펄스의 진폭은 전송 임피던스와 관련하여 이득요소로 인한 일정한 임피던스 스트립라인으로부터 얻어진 전류진폭보다 크다.The amplitude of the current pulse is greater than the current amplitude obtained from the constant impedance stripline due to the gain factor with respect to the transmission impedance.
따라서 상기 전류진폭은 다음과 같다.Therefore, the current amplitude is as follows.
여기서 g는 일정하지 않은 스트립라인 구조의 임피던스특성 내경과 외경간에 전송 임피던스로 인한 이득 요소이고(계수값 g의 범위는 1보다는 크고 2보다는 작다), Rm은 정합된 외부 임피던스이고(레이저 어레이의 온상태 임피던스를 포함한다)Where g is the gain factor due to the transfer impedance between the internal and external impedance characteristics of the non-constant stripline structure (the range of the coefficient g is greater than 1 and less than 2), and Rm is the matched external impedance (on the laser array State impedance)
V는 바이어스 펄스전압이며, Zin은 스트립라인의 내경 임피던스특성이다.V is the bias pulse voltage and Zin is the internal diameter impedance characteristic of the stripline.
Ron은 반도체 스위치의 온상태 임피던스이다.Ron is the on-state impedance of the semiconductor switch.
이상적인 임피던스 정합의 경우, Ron은 무시한다(Zin=Rm), 상기 발생된 전류펄스는 다음과 같다.For ideal impedance matching, Ron is ignored (Zin = Rm). The generated current pulse is
이것은 이득요소(g)를 제외한 정합된 균일 스트립라인을 정의한 것이다. 상기 이득요소 g는 효율 개선 부가회로가 제공되어야 하고 그러므로, 매우 고효율 회로로 인한 높은 에너지저장 캐피시터로서, 저임피던스, 균일하지 않은 스트립라인 구조로 하는 것이 바람직하다.This defines a matched uniform stripline excluding the gain element g. The gain element g must be provided with an additional circuit for improving efficiency, and therefore, is a high energy storage capacitor due to a very high efficiency circuit, which preferably has a low impedance, non-uniform stripline structure.
한편 에너지 저장수단(300)의 에너지저장 캐피시터를 제4도의 (a)(b)에 도시한 바와 같이 균일한 임피던스 스트립라인 구조로 형성하게 되면, 정전용량(C)과 스트립라인의 임피던스특성(Zo)는 상기 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조와 같이,On the other hand, if the energy storage capacitor of the energy storage means 300 is formed in a uniform impedance stripline structure as shown in Fig. 4 (a) (b), the capacitance characteristics (C) and the impedance characteristics of the strip line (Zo ) Is the same as the non-uniform impedance stripline structure,
와 동일하게 되고, 특히 제4도의 (a)(b)에 도시된 바와같이 균일 임피던스 스트립라인 구조에 에너지저장 캐패시터가 조화된 부하 임피던스에 접속되는 경우에는 그 에너지저장 캐패시터는 마치 전송라인과 같이 작용하게 된다.The energy storage capacitor acts like a transmission line, especially when the energy storage capacitor is connected to a harmonized load impedance in a uniform impedance stripline structure as shown in FIG. 4 (a) (b). Done.
그 결과 발생되는 RC 시정수 지연곡선에 다른 출력파형을 갖는 전류펄스대신 신속한 하강시간의 전류펄스가 발생되게 된다.As a result, instead of a current pulse having a different output waveform in the resulting RC time constant delay curve, a current pulse of a rapid fall time is generated.
상기 전류펄스의 진폭은 전송 임피던스와 관련하여 이득요소로 인한 균일하지 않은 임피던스 스트립라인으로부터 얻어지 전류진폭보다 작다.The amplitude of the current pulse is less than the current amplitude obtained from the non-uniform impedance stripline due to the gain factor with respect to the transmission impedance.
전류펄스는 다음식으로 나타낼 수 있다.The current pulse can be expressed by the following equation.
여기서, V는 펄스 바이어스된 전압, Zo는 스트립라인의 특성 임피던스, Ron은 반도체 스위치의 온상태 임피던스, Rm은 조화된 외부 임피던스(온 상태 레이저 다이오드 임피던스를 포함)를 나타낸다.Where V is the pulse biased voltage, Zo is the characteristic impedance of the stripline, Ron is the on-state impedance of the semiconductor switch, and Rm is the harmonized external impedance (including on-state laser diode impedance).
Ron을 무시할 수 있고 조화 임피던스가 이상적일 경우, 즉 Zo 및 Rm이 동일하다고 하면, 고출력 반도체 레이저에 전달되는 전류펄스는If Ron can be ignored and the harmonic impedance is ideal, ie, Zo and Rm are equal, then the current pulse delivered to the high power semiconductor laser is
으로 나타낼 수 있다.It can be represented as
이러한 펄스의 폭은 에너지저장 캐패시터의 대체로 두방향과 천이시간으로 되며, 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The width of these pulses is generally two directions and transition times of the energy storage capacitor, and can be expressed as follows.
여기서, εr는 유전체의 유전상수, L(cm)은 전극의 길이다.Where εr is the dielectric constant of the dielectric and L (cm) is the length of the electrode.
이하 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter will be described the operation and effect of the present invention.
구동명령을 제어수단(100)에 전송하여 구동순서를 개시함에 의해 드라이버의 구동이 시작된다.The driving of the driver is started by transmitting a driving command to the control means 100 to start the driving sequence.
먼저 출력조건 및 충전펄스수단(200)이 구동되어 AC 출력라인 또는 밧데리로부터의 주출력이 제어되어 소정의 전압을 에너지 저장수단(300)의 캐패시터에 펄스충전시키게 된다.First, the output condition and the charging pulse means 200 are driven to control the main output from the AC output line or the battery to pulse a predetermined voltage to the capacitor of the energy storage means 300.
이때, 에너지 저장수단(300)의 캐패시터에 펄스 바이어스 전압이 피크전압에 도달하면, 제어수단(100)의 제어신호에 의하여 트리거광원 및 구동수단(400)이 구동된다.At this time, when the pulse bias voltage reaches the peak voltage of the capacitor of the energy storage means 300, the trigger light source and the driving means 400 is driven by the control signal of the control means 100.
상기 트리거광원 및 구동수단(400)은 매우 높은 펄스반복 주파수(PRF)로 신속한 상승시간으로 트리거링되는 광펄스를 발생시켜 상기 광활성 반도체 스위치수단(500)에 전달하게 된다.The trigger light source and driving means 400 generates an optical pulse triggered by a rapid rise time at a very high pulse repetition frequency (PRF) and transmits it to the photoactive semiconductor switch means 500.
상기 트리거광원 및 구동수단(400)에서 발생된 광펄스는 섬유광학 피그테일과 결합되고 섬유광학 피그테일을 통해 전달되며 광활성 반도체 스위치수단(500)을 구동시키기 위해 사용된다.The optical pulse generated by the trigger light source and the driving means 400 is combined with the fiber optical pigtail and transmitted through the fiber optical pigtail and used to drive the photoactive semiconductor switch means 500.
상기 트리거링된 광펄스는 광활성 반도체 스위치수단(500)의 활동영역을 통과하게 되고, 트리거광은 충분한 갯수의 광자발생 정공쌍을 발생시키므로, 반도체 스위치의 상태는 완전한 개방상태(비도통상태)로부터 완전한 폐쇄상태(도통상태)로 전환된다.The triggered optical pulses pass through the active region of the photoactive semiconductor switch means 500, and the trigger light generates a sufficient number of photon-generated hole pairs, so that the state of the semiconductor switch is complete from a completely open state (non-conductive state). It is switched to the closed state (conduction state).
이때 반도체 스위치가 온이 되면 에너지 저장수단(300)의 캐패시터내에 저장된 정전 에너지는 좁은 전류펄스의 형태로 방전하면서, 고진폭의 전류펄스를 발생시키게 되고, 임계치를 훨씬 초과한 전류펄스들은 출력 레이저 어레이(600)로 흘러 신속한 상승 및 하강시간을 갖는 고출력 광펄스가 발생시키게 된다.At this time, when the semiconductor switch is turned on, the electrostatic energy stored in the capacitor of the energy storage means 300 discharges in the form of a narrow current pulse, generating a high amplitude current pulse, and the current pulses far exceeding the threshold are output laser arrays. Flowing to 600 produces high output light pulses with rapid rise and fall times.
즉 제6도(a),(b),(c)에 도시한 바와같이, 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터의 경우, 광활성 반도체 스위치 수단(500)이 트리거링되면, 발생되는 광펄스형태는 출력레이저펄스의 상승시간이 구동정류펄스의 상승시간 보다 빠르다는 것을 제외하고는 구동전류펄스의 형태와 매우 유사하다.That is, in the case of an energy storage capacitor having a non-uniform impedance stripline structure, as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, an optical pulse generated when the photoactive semiconductor switch means 500 is triggered The shape is very similar to that of the drive current pulse except that the rise time of the output laser pulse is faster than the rise time of the drive rectification pulse.
그러나 상기 한 개의 전류펄스의 펄스폭은 트리거광펄스의 펄스폭과, 에너지저장 캐패시터에서 파(wave) 천이시간에 의하여 결정된다.However, the pulse width of the single current pulse is determined by the pulse width of the trigger light pulse and the wave transition time in the energy storage capacitor.
그러므로 정합된 임피던스의 경우, 출력레이저광 펄스폭은 에너지저장 캐패시터에서 두 방향파 천이시간으로 되게 된다.Therefore, in the case of matched impedance, the output laser light pulse width becomes two directional wave transition times in the energy storage capacitor.
따라서 상기 출력레이저광 펄스폭(PW)은Therefore, the output laser light pulse width (PW) is
심한 임피던스 부정합인 경우에 출력레이저광 펄스폭은 트리거링 광펄스의 펄스폭보다 좀더 길게 된다.In the case of severe impedance mismatch, the output laser light pulse width is longer than the pulse width of the triggering light pulse.
이것은 주로 심각한 부정합 임피던스로 인하여 진행파가 다중반사의 원인이 된다.This is mainly due to severe mismatched impedances and the traveling wave causes multiple reflections.
상기 고출력 반도체 스위치의 경우, 출력처리능력이 증가함에 따라 스위치의 상승시간 및 하강기간이 느려지게 되며 스위치 온시간이 길어지게 된다.In the case of the high output semiconductor switch, as the output processing capability increases, the rise time and the fall time of the switch become slow and the switch on time becomes long.
그 결과, 고출력 반도체 스위치의 펄스반복 주파수(PRF)능력은 출력처리능력이 서서히 상승함에 따라 급속하게 떨어지게 된다.As a result, the pulse repetition frequency (PRF) capability of the high output semiconductor switch drops rapidly as the output processing capability gradually increases.
이 고출력 반도체 스위치에 의해 전류펄스를 발생시키지 않고 대신에 저(또는 중간)출력의 레이저 다이오드로부터 신속상승시간 광펄스를 발생시키고 이것을 트리거광으로 사용함으로써, 상기 반도체 레이저 드라이버는 신속한 상승시간에 고전류 펄스를 발생시킬 수 있게 된다.By not generating a current pulse by this high output semiconductor switch, but instead of generating a rapid rise time optical pulse from a low (or medium) output laser diode and using it as a trigger light, the semiconductor laser driver has a high current pulse at a rapid rise time. Can be generated.
또한 제4도의 (a),(b)에 도시한 바와 같이 균일 임피던스 스트립라인 구조의 에너지저장 캐패시터의 경우, 광활성 반도체 스위치수단(500)이 트리거되면, 발생되는 광펄스형태는 출력레이저펄스의 상승시간이 구동전류펄스의 상승시간보다 빠르다는 것을 제외하고는 구동전류펄스의 형태와 매우 유사하다.In addition, in the case of an energy storage capacitor having a uniform impedance stripline structure, as shown in FIGS. 4A and 4B, when the photoactive semiconductor switch means 500 is triggered, the generated optical pulse type increases the output laser pulse. It is very similar to the shape of the drive current pulse except that the time is faster than the rise time of the drive current pulse.
이 또한 전류펄스의 펄스폭은 광펄스의 펄스폭과, 에너지저장 캐패시터에서 파(wave) 천이시간에 의하여 결정된다.In addition, the pulse width of the current pulse is determined by the pulse width of the optical pulse and the wave transition time in the energy storage capacitor.
따라서 상기 에너지 저장수단(300)의 균일 임피던스 스트립라인 구조의 펄스의 폭은 제7도의 (a)(b)(c)에 도시한 바와같이 정합된 임피던스의 경우, 출력레이저광펄스폭(PW)는 에너지저장 캐패시터에서 두 방향과 천이시간으로 되어Therefore, the width of the pulse of the uniform impedance stripline structure of the energy storage means 300 is the output laser light pulse width PW in the case of matched impedance as shown in (a) (b) (c) of FIG. Is the two directions and transition times in the energy storage capacitor
와 같은 광펄스폭을 출력하게 된다.Outputs an optical pulse width such as
상기 균일 임피던스 스트립라인 구조는 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조에 비하여 전류펄스의 이득(g)이 없이 효율면에서는 다소 미흡하지만, 임피던스 정합이 진행파의 다중반사 현상을 없앨 수 있어 보다 예리한 고출력펄스를 얻을 수 있다.Although the uniform impedance stripline structure is somewhat inefficient in terms of efficiency without gain (g) of current pulses compared to the non-uniform impedance stripline structure, the impedance matching can eliminate the multi-reflection of the traveling wave to obtain a sharper high output pulse. Can be.
그러므로 균일 임피던스 스트립라인 구조의 기하학적 효과에 따라 매우 낮은 임피던스를 가진 소형화된 에너지저장 캐패시터의 설계가 가능하게 된다.Therefore, the geometric effect of the uniform impedance stripline structure enables the design of miniaturized energy storage capacitors with very low impedance.
이와같은 저임피던스 캐패시터는 캐패시터로부터 레이저 어레이로의 에너지 전달중에 발생하는 에너지 손실을 크게 감소시켜 준다.Such low impedance capacitors greatly reduce the energy loss that occurs during energy transfer from the capacitor to the laser array.
결과적으로 펄스드라이브는 고출력 전원 및 열제거용 팬의 필요성을 매우 효과적으로 배제시켜 준다.As a result, pulsed drives effectively eliminate the need for high output power and heat rejection fans.
따라서, 저임피던스 캐패시터를 이용하는 펄스 레이저 드라이버는 효율이 매우 높고, 아주 소형화시킬 수 있으며, 아주 경량화시킬 수 있다.Therefore, the pulse laser driver using the low impedance capacitor is very high in efficiency, very small in size, and very light in weight.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 레이저 다이오드 드라이브에 균일하지 않은 임피던스 스트립라인 구조 또는 균일 임피던스 스트립라인 구조의 저임피던스 에너지저장 캐패시터를 구성함으로써, 레이저 어레이의 전기에너지의 손실을 감소할 수 있고, 효율이 매우 높은 소형화와 경량화된 고출력의 반도체 레이저 드라이브를 제공할 수 있게 되는 것이다.As described above, the present invention provides a low impedance energy storage capacitor having a non-uniform impedance stripline structure or a uniform impedance stripline structure in the laser diode drive, thereby reducing the loss of electrical energy of the laser array, and the efficiency is very high. It is possible to provide a high power semiconductor laser drive with high miniaturization and light weight.
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