DE102018212689A1

DE102018212689A1 - Verfahren zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode, Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs einer solchen Laserdiode und Partikelsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102018212689A1
Application number: DE102018212689.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Wolf; Sören Sofke; Philipp Gerlach; Susanne Weidenfeld
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Koninklijke Philips NV
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Trumpf Photonic Components GmbH
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US11193870B2; US20200033243A1; CN110783815B; CN110783815A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode, eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs einer solchen Laserdiode und eine Partikelsensorvorrichtung. Die Fotodiode (PD) ist zusammen mit der Laserdiode (LD) betreibbar, wobei sie das Licht (LS) der Laserdiode (LD) detektiert und in einen elektrischen Strom umwandelt und die thermisch mit der Laserdiode (LD) gekoppelt ist. Das Schätzen des mindestens einen Zustandsparameters erfolgt während des Betriebs der Laserdiode (LD) und beruht auf Strommessungen und/oder Spannungsmessungen an der Laserdiode (LD) und/oder an der Fotodiode (PD).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode, eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs einer solchen Laserdiode und eine Partikelsensorvorrichtung.
Obwohl auf beliebige Verfahren zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik im Hinblick auf optische Partikelsensorvorrichtungen beschrieben.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2015 207 289 A1 ist eine optische Partikelsensorvorrichtung bekannt, welche eine VCSEL-Laserdiode mit integrierter Fotodiode aufweist. Eine VCSEL-Laserdiode (VCSEL = vertical-cavity surface-emitting laser) ist eine lichtemittierende Diode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Mittels der Self-Mixing-Interference-Technik ermöglicht die bekannte optische Partikelsensorvorrichtung, Informationen bezüglich eines Vorliegens von Partikeln und deren Geschwindigkeit zu erhalten.
Die optische Partikelsensorvorrichtung sollte mit definierter optischer Ausgangsleistung betrieben werden, welche einerseits für eine hohe Messempfindlichkeit des Sensors möglichst groß sein sollte, andererseits aber aus Gründen der Augensicherheit begrenzt sein muss.
Die optische Ausgangsleistung ändert sich jedoch während des Betriebs der Laserdiode in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur der Laserdiode zum Zeitpunkt des Betriebes und von dem Alterungszustand der Laserdiode entsprechend der Lebensdauerdegradation.
Somit ist beispielsweise eine Nachführung bzw. Regelung des Soll-Betriebsstroms der Laserdiode während des Betriebes erforderlich. Dies könnte prinzipiell durch eine direkte Messung der optischen Ausgangsleistung erfolgen, jedoch ist dies bei zahlreichen miniaturisierten Applikationen, insbesondere der erwähnten optischen Partikelsensorvorrichtung, nicht möglich.
Insbesondere wäre es wünschenswert, Informationen über die Laserdiodentemperatur und den Alterungszustand der Laserdiode zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode, eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs einer solchen Laserdiode und eine Partikelsensorvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 12 bzw. 18.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass das Schätzen eines Zustandsparameters der Laserdiode während des Betriebs der Laserdiode erfolgt und auf Strommessungen und/oder Spannungsmessungen an der Laserdiode und/oder an der Fotodiode beruht.
Vorteilhafterweise können so Alterung, Produktionsschwankungen und Temperaturabhängigkeit der Laserdiode und zugeordneter Fotodiode durch entsprechende elektrische Messungen an der Laserdiode und an der Fotodiode berücksichtigt werden, ohne dass es einer direkten optischen Messung bzw. weiterer Sensoren bedarf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Laserdiode mit der zugeordneten Fotodiode um eine Laserdiode mit integrierter Fotodiode, insbesondere um einen VCSEL mit integrierter Fotodiode. Eine derartige Anordnung ist besonders kompakt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Laserdiodentemperatur TLD als Zustandsparameter der Laserdiode geschätzt, indem durch Messungen des Fotodiodenstroms IPD für mindestens zwei unterschiedliche Werte des Laserdiodenstroms ILD die Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie bei der zu bestimmenden Laserdiodentemperatur TLD bestimmt wird, und dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD ein vorab bestimmter Zusammenhang zwischen der Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie und der Laserdiodentemperatur TLD zugrunde gelegt wird. Somit kann die Laserdiodentemperatur TLD durch einfache Strommessungen an der Fotodiode zur Laufzeit bestimmt werden. Im Unterschied dazu wird der Zusammenhang zwischen der Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie und der Laserdiodentemperatur TLD vorab bestimmt, beispielsweise am Ende des Herstellungsprozesses der Laserdioden/Fotodioden-Einheit, und zwar durch Teile-individuelle Strom- und Spannungsmessungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Laserdiodentemperatur TLD als Zustandsparameter der Laserdiode geschätzt, indem die Laserdiodenspannung ULD für mindestens einen vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDVbei der zu schätzenden Laserdiodentemperatur TLD erfasst wird, wobei dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD ein vorab bestimmter Zusammenhang zwischen dem vorbestimmten Laserdiodenstrom ILDV, der Laserdiodenspannung ULD und der Laserdiodentemperatur TLD zugrunde gelegt wird. Somit kann die Laserdiodentemperatur TLD durch einfache Spannungsmessungen an der Laserdiode zur Laufzeit bestimmt werden. Auch der Zusammenhang zwischen dem vorbestimmten Laserdiodenstrom ILDV, der Laserdiodenspannung ULD und der Laserdiodentemperatur TLD wird vorab durch Teile-individuelle Strom und Spannungsmessungen bestimmt, beispielsweise am Ende des Herstellungsprozesses der Laserdioden/Fotodioden-Einheit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Laserdiodentemperatur TLD geschätzt als $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * d$
wobei a, b und d vorab bestimmte Konstanten sind. Diese Konstanten können beispielsweise im Rahmen einer Baureihencharakterisierung von Laserdioden/Fotodioden-Einheiten bestimmt werden. So lässt sich die Laserdiodentemperatur TLD als einfacher linearer Zusammenhang beschreiben.
Wenn die Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode bekannt ist, dann kann die Laserdiodentemperatur TLD gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform geschätzt werden als $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * (1 - c * exp (- t / t 0)) * d$
wobei a, b, c und d vorab bestimmte Konstanten sind, die beispielsweise im Rahmen einer Baureihencharakterisierung von Laserdioden/Fotodioden-Einheiten bestimmt wurden. t0 entspricht einer vorab bestimmten Betriebsdauer, die charakteristisch für die Alterung der Laserdiode ist. So lässt sich bei dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD der Alterungszustand berücksichtigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Gesamtbetriebszeit t als Zustandsparameter der Laserdiode geschätzt, indem die Laserdiodenspannung ULD für mindestens einen vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDV bei einer bekannten Laserdiodentemperatur TLD erfasst wird und dem Schätzen der Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode ein vorab bestimmter Zusammenhang zwischen dem Laserdiodenstrom ILD, der Laserdiodenspannung ULD, der Laserdiodentemperatur TLD und Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode zugrunde gelegt wird. Der Zusammenhang zwischen dem Laserdiodenstrom ILD, der Laserdiodenspannung ULD, der Laserdiodentemperatur TLD und Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode wird auch hier vorab durch Teile-individuelle Strom und Spannungsmessungen bestimmt, beispielsweise am Ende des Herstellungsprozesses der Laserdioden/Fotodioden-Einheit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird auf Basis der geschätzten Gesamtbetriebszeit t die Degradation der Laserdiode bewertet. So erhält man ein einfaches reproduzierbares Maß für die Degradation.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Gesamtbetriebszeit t als Zustandsparameter der Laserdiode geschätzt, indem durch Messungen des Fotodiodenstroms IPD in Abhängigkeit vom Laserdiodenstrom ILD eine jeweilige aktuelle Fotodiodenkennlinie bestimmt wird, aus der jeweiligen aktuellen Fotodiodenkennlinie der aktuelle Schwellstrom Ith der Laserdiode ermittelt wird und die Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode unter Zugrundelegung des jeweiligen aktuellen Schwellstroms Ith geschätzt wird. Der Schwellstrom liefert ebenfalls ein zuverlässiges Maß für die Alterung bzw. Gesamtbetriebszeit der Laserdiode. Der Schwellstrom der Laserdiode ist der Strom, ab dem der Laserbetrieb einsetzt. Diese Abschätzung wird dadurch ermöglicht, dass sich die Kennlinien der Laserdiode und der zugeordneten Fotodiode ähnlich verhalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der aktuelle Schwellstrom Ith ermittelt, indem erste Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 für mindestens zwei Laserdiodenstromwerte ILD1, ILD2 erfasst werden, bei denen sich die Laserdiode noch nicht im Laserbetrieb befindet, indem zweite Fotodiodenstromwerte IPD3, IPD4 für mindestens zwei Laserdiodenstromwerte ILD3, ILD4 erfasst werden, bei denen sich die Laserdiode im Laserbetrieb befindet, indem die ersten Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 und die zweiten Fotodiodenstromwerte IPD3, IPD4 jeweils linear extrapoliert werden und indem der Schnittpunkt der beiden resultierenden Geraden g und h als aktueller Schwellstrom Ith bestimmt wird. Eine derartige Extrapolation ist leicht durchführbar und liefert zuverlässige Werte.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die aktuellen Schwellströme Ith1, Ith2 für mindestens zwei Laserdioden ermittelt, wobei die Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der beiden einzelnen Laserdioden durch Vergleichen der für die beiden einzelnen Laserdioden ermittelten aktuellen Schwellströme Ith1, Ith2 zueinander in Relation gesetzt werden. So lässt sich die relative Alterung der beiden Laserdioden schätzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs mindestens einer Laserdiode mit zugeordneter Fotodiode ist die Schätzeinrichtung derart gestaltet, dass sie die Laserdiodentemperatur TLD schätzt. Diese Ausführungsform umfasst eine Abschaltvorrichtung zum automatischen Abschalten der Laserdiode, wenn die Laserdiodentemperatur TLD einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet. Dies erhöht die Betriebssicherheit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der die Schätzeinrichtung derart gestaltet ist, dass sie die Laserdiodentemperatur TLD schätzt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Regelungseinrichtung für die Fotodiodenspannung UPD in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur TLD, welche insbesondere derart gestaltet ist, dass sie die Empfindlichkeit der Fotodiode auf einem vorgegebenen Niveau hält. Dadurch wird die Erfassungsgenauigkeit stabilisiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der die Schätzeinrichtung derart gestaltet ist, dass sie die Laserdiodentemperatur TLD schätzt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung, die eingerichtet ist, das erfasste Fotodiodenstromsignal in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur TLD zu modifizieren, um Temperatureinflüsse zu kompensieren. Dadurch wird die Erfassungsgenauigkeit ebenfalls stabilisiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schätzeinrichtung derart gestaltet, dass sie die Gesamtbetriebszeiten t1, t2 zweier einzelner Laserdioden schätzt oder zumindest in Relation zueinander setzt, wobei eine Umschaltvorrichtung zum wahlweisen Betreiben mindestens einer Laserdiode in Abhängigkeit von den geschätzten oder relativierten Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der beiden einzelnen Laserdioden vorgesehen ist.
Figurenliste
Es zeigen:

1a) ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1b) eine Darstellung der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie (Kurve A) der Laserdiode und der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie (Kurve B) der Fotodiode und der Strom-Spannungs-Kennlinie der Laserdiode (Kurve C) zur Erläuterung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Schätzen eines Zustandsparameters der Laserdiode mit der zugeordneten Fotodiode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 eine integrierte Anordnung mit zwei Laserdioden und einer zugeordneten Fotodiode zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1a) ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Schätzen eines Zustandsparameters einer Laserdiode mit einer zugeordneten Fotodiode gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung umfasst eine Laserdiode LD und eine Fotodiode PD, die der Laserdiode LD derart zugeordnet ist, dass die Fotodiode PD zusammen mit der Laserdiode LD betreibbar ist. Die Fotodiode PD ist derart angeordnet, dass sie das Licht LS der Laserdiode LD detektieren und in einen elektrischen Strom IPD umwandeln kann. Bei Verwendung in einer optischen Partikelsensorvorrichtung dient das Licht LS der Laserdiode LD gleichzeitig als Messstrahl.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fotodiode PD über eine Kopplungseinrichtung K thermisch an die Laserdiode LD gekoppelt, so dass sich die Fotodiode PD und die Laserdiode LD während des Betriebs im Wesentlichen auf derselben Temperatur befinden.
Bei einer Variante weist die Laserdiode LD eine integrierte Fotodiode PD auf, und ist insbesondere ein VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) mit integrierter Fotodiode, doch generell ist die Ausführungsform nicht darauf beschränkt, sondern für beliebige funktionell und thermisch gekoppelte Anordnungen mindestens einer Laserdiode mit mindestens einer zugeordneten Fotodiode anwendbar.
Eine Spannungsquelle 10b dient zum Anlegen einer definierten Betriebsspannung UPD an die Fotodiode PD. Optional kann diese Betriebsspannung UPD frei wählbar sein. Eine Strommesseinrichtung 10a dient zum Erfassen des Fotodiodenstroms IPD. Eine Stromquelle 20a dient zum Anlegen eines regelbaren Stroms ILD an die Laserdiode LD, und eine Spannungsmesseinrichtung 20 dient zum Erfassen der Ausgangsspannung ULD der Laserdiode LD.
Eine Schätzeinrichtung 100, welche mit der Strommesseinrichtung 10a, der Spannungsquelle 10b, der Stromquelle 20a und der Spannungsmesseinrichtung 20b verbunden ist und diese Komponenten im Betrieb ansteuern kann, dient zum Schätzen eines Zustandsparameters der Laserdiode LD während des Betriebs der Laserdiode LD basierend auf Strommessungen und/oder Spannungsmessungen an der Laserdiode LD und/oder an der Fotodiode PD. Bei dem geschILDerten Beispiel sind dies Strommessungen an der Fotodiode PD bei vorgebbaren Strömen der Laserdiode oder Spannungsmessungen an der Laserdiode LD bei vorgebbaren Strömen der Laserdiode. Doch sind alternativ unterschiedliche Strom- und Spannungsmessungen möglich.
Die Schätzeinrichtung 100 ist derart gestaltet, dass sie den Zustandsparameter, beispielsweise Laserdiodentemperatur TLD und/oder Gesamtbetriebszeit t, der Laserdiode LD zu vorgebbaren Zeitpunkten, beispielsweise intervallweise, oder ereignisorientiert zur Laufzeit der Laserdiode LD und zugeordneten Fotodiode PD schätzt. Die Schätzung erfolgt in einem eigenen Schätzmodus, während dessen der eigentliche Laserbetrieb ausgesetzt ist. Zur Schätzung eines Zustandsparameters muss also von einem Betriebsmodus der Laserdiode LD und zugeordneten Fotodiode PD in einen Schätzmodus umgeschaltet werden.
Optional ist eine Regelungseinrichtung 102 für die Fotodiodenspannung UPD in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur TLD vorhanden, welche insbesondere derart gestaltet ist, dass sie die Empfindlichkeit der Fotodiode PD auf einem vorgegebenen Niveau hält.
Zusätzlich zur Schätzeinrichtung 100 weist die in 1a dargestellte Vorrichtung als optionale Sicherheitsvorkehrung eine Abschaltvorrichtung 101 auf, die eingerichtet ist, die Laserdiode LD automatisch abzuschalten, wenn die Laserdiodentemperatur TLD einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet.
1b) ist eine Darstellung der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie (Kurve A) der Laserdiode und der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie (Kurve B) der Fotodiode und der Strom-Spannungs-Kennlinie der Laserdiode (Kurve C) zur Erläuterung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Schätzen eines Zustandsparameters der Laserdiode mit der zugeordneten Fotodiode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Hier bezeichnet ULD die Laserdiodenspannung in Volt (V), ILD den Laserdiodenstrom in Milliampere (mA), P die Ausgangsleistung der Laserdiode in Milliwatt (mW) und IPD den Fotodiodenstrom in Milliampere (mA).
Die Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD gemäß Kurve A weist im unteren Strombereich nur eine sehr geringe Steigung bis zu einem Schwellstrom Ith auf, der beim vorliegenden Beispiel ca. 0,6 mA beträgt. Beim Überschreiten des Schwellstroms Ith der Laserdiode LD setzt der Laserbetrieb ein, und die Steigung der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie nimmt abrupt stark zu. Die Steigung der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD oberhalb des Schwelstroms Ith ist in 1b mit LDSlope bezeichnet.
Die entsprechende Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD bei konstanter Spannung an der Fotodiode PD ist in Kurve B dargestellt.
Die entsprechende Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD weist einen ähnlichen Verlauf auf wie die Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD, zumindest was die Steigungsänderung beim Schwellstrom Ith der Laserdiode LD betrifft, die beim Einsetzen des Laserbetriebs auftritt. Jedoch ist diese Steigungsänderung, in der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD wesentlich geringer als die Steigungsänderung in der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD. Die Steigung der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD oberhalb des Schwellstroms Ith der Laserdiode LD ist in 1b mit PDSlope bezeichnet und ist geringer als die entsprechende Steigung LDSlope der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD.
Es hat sich herausgestellt, dass sich auf der Basis der Steigungsänderung der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD die Schwellspannung Ith der Laserdiode LD ermitteln lässt.
Somit können elektrische Messungen der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD Informationen über den Verlauf der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD liefern. Allerdings müssen zum Erhalten genauerer Informationen über die Temperaturabhängigkeit und den Alterungszustand auch Produktionsschwankungen der Baureihen berücksichtigt werden, wie weiter unten erläutert wird.
Wie in 1b) angedeutet, wird während des Betriebs der Laserdiode LD der Fotodiodenstrom IPD1, IPD2, IPD3, IPD4 bei verschiedenen vorbestimmten Strömen ILD1, ILD2, ILD33, ILD4 der Laserdiode LD ermittelt, wobei die Spannung UPD an der Fotodiode PD konstant gehalten wird.
Dabei liegen die Stromwerte ILD1, ILD2 im unteren Bereich der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD, also unterhalb des Schwellstroms Ith der Laserdiode LD, und die Stromwerte ILD3, ILD4 liegen im oberen Bereich der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie der Laserdiode LD, also oberhalb des Schwellstroms Ith der Laserdiode LD.
Durch eine lineare Extrapolation (gestrichelt angedeutet) zweier Geraden g und h, die durch die gemessenen Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 bzw. IPD3, IPD4 verlaufen, lassen sich dadurch der Schwellstrom Ith der Laserdiode LD und Steigung PDSlope der Laserstrom-Fotodiodenstrom-Kennlinie der Fotodiode PD oberhalb des Schwellstroms Ith der Laserdiode LD bestimmen.
Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD bedient sich des in vorbestimmten Zeitintervallen oder ereignisinitiiert anhand der Fotodiode PD bestimmten Wertes PDSlope sowie weiterer im Voraus bestimmter Parameter, die die Temperaturabhängigkeit, den Alterungszustand und die Produktionsschwankungen der Baureihen berücksichtigen, wie nachstehend näher erläutert wird.
Die Laserdiodentemperatur TLD als Zustandsparameter der Laserdiode LD wird geschätzt, indem durch Messungen des Fotodiodenstroms IPD für mindestens zwei unterschiedliche Werte des Laserdiodenstroms ILD3, ILD4 die Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie (B) bei der zu bestimmenden Laserdiodentemperatur TLD bestimmt wird, wobei dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD ein vorab bestimmter Zusammenhang fkt1 zwischen der Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie B und der Laserdiodentemperatur TLD zugrunde gelegt wird, also $TLD = fkt1 (PDSlope)$
Dieser Zusammenhang wird bevorzugt bei einer Trimmprozedur ermittelt, wobei die den funktionalen Zusammenhang beschreibenden Parameter bzw. Konstanten beispielsweise durch einen Regressions-Fit einer Reihe von Messwerten von Stichproben bei definierten Konditionen bestimmt werden können.
Alternativ wird die Laserdiodentemperatur TLD als Zustandsparameter der Laserdiode LD geschätzt, indem die Laserdiodenspannung ULD für mindestens einen vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDV bei der zu schätzenden Laserdiodentemperatur TLD erfasst wird, wobei dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD ein vorab bestimmter Zusammenhang fkt2 zwischen dem vorbestimmten Laserdiodenstrom ILDV, z.B. 50 Mikroampere, der Laserdiodenspannung ULD und der Laserdiodentemperatur TLD zugrunde gelegt wird, also $TLD = fkt2 (ULD (ILDV))$
Beispielsweise wird die Laserdiodentemperatur TLD geschätzt als $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * d$
wobei a, b und d vorab bestimmte Parameter bzw. Konstanten sind. Wie zuvor können die Parameter a, b und d im Rahmen einer Trimmprozedur durch einen Regressions-Fit einer Reihe von Messwerten von Stichproben bei definierten Konditionen bestimmt werden oder auch unter Zugrundelegung eines geeigneten Models.
In anderer Darstellung liefert der aktuelle erfasste Wert von ULD(ILDV) - ULDT(ILDV) einen Schätzwert für eine aktuelle Temperatur TLD der Laserdiode LD, welche sich ergibt aus: $TLD = TREF + κ (ULD - ULDT)$
wobei κ eine empirisch ermittelbare Temperaturkonstante ist und typischerweise 0.7 K/mV beträgt und ULDT(ILDV) die zum Zeitpunkt t0 der Inbetriebnahme der Laserdiode LD bei definierter Temperatur TREF für den vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDV gemessene Diodenspannung ist.
Es hat sich gezeigt, dass der Wert ULD - ULDT vom Alterungszustand der Laserdiode LD abhängig ist, was durch einen empirisch ermittelbaren Alterungsfaktor µ folgendermaßen dargestellt werden kann: $TLD = TREF + κ (ULD - ULDT) (1 - μ exp (t / t 0))$
wobei t die Gesamtbetriebszeit und t0 eine vorab bestimmte Betriebsdauer ist, die charakteristisch für die Alterung der Laserdiode (LD) ist.. Ist die Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode LD bekannt, z.B. durch entsprechende Messungen, lässt sich der die Laserdiodentemperatur TLD widerspiegelnde Zusammenhang auch darstellen als: $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * (1 - c * exp (- t / t 0)) * d$
wobei a, b, c und d vorab bestimmte Parametzer bzw. Konstanten gemäß der Trimmprozedur sind.
Andererseits kann man bei anderweitig bekannter aktueller Temperatur TLD der Laserdiode LD diese Gleichung nach der Gesamtbetriebszeit t auflösen und diese abschätzen, indem die Laserdiodenspannung ULD für den mindestens einen vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDV bei der bekannten Laserdiodentemperatur TLD erfasst wird, wobei dem Schätzen der Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode LD ein vorab bestimmter Zusammenhang fkt3 zwischen dem Laserdiodenstrom ILD, der Laserdiodenspannung ULD, der Laserdiodentemperatur TLD und Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode LD zugrunde gelegt wird, also $t = fkt 3 (ULD (ILDV), TLD) .$
Auf Basis der geschätzten Gesamtbetriebszeit t kann die Degradation der Laserdiode LD bewertet werden. Darauf basierend können dann Maßnahmen ergriffen werden, z.B. Austausch oder Anpassung der Regelung des Laserdiodenstroms.
Alternativ kann die Gesamtbetriebszeit t als Zustandsparameter der Laserdiode LD geschätzt werden, indem durch Messungen des Fotodiodenstroms IPD in Abhängigkeit vom Laserdiodenstrom ILD eine jeweilig aktuelle Fotodiodenkennlinie B bestimmt wird, aus der jeweiligen aktuellen Fotodiodenkennlinie B der aktuelle Schwellstrom Ith der Laserdiode LD ermittelt wird und die Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode unter Zugrundelegung des jeweiligen aktuellen Schwellstroms Ith geschätzt wird.
Dabei wird der aktuelle Schwellstrom Ith beispielsweise ermittelt, indem erste Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 für mindestens zwei Laserdiodenstromwerte ILD1, ILD2 erfasst werden, bei denen sich die Laserdiode (LD) noch nicht im Laserbetrieb befindet, zweite Fotodiodenstromwerte IPD3, IPD4 für mindestens zwei Laserdiodenstromwerte ILD3, ILD4 erfasst werden, bei denen sich die Laserdiode (LD) im Laserbetrieb befindet, und die ersten Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 und die zweiten Fotodiodenstromwerte IPD3, IPD4 jeweils linear extrapoliert werden und der Schnittpunkt der beiden resultierenden Geraden g und h als aktueller Schwellstrom Ith bestimmt wird.
2 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zum Schätzen eines Zustandsparameters, hier der Laserdiodentemperatur TLD = a + (b - ULD(ILDV)) * d, einer Laserdiode in einer Anordnung mit mindestens einer Laserdiode und mindestens einer Fotodiode gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 2 erfolgt in Schritt S1 ein Festlegen der Messgröße ULD(ILDV), mit z.B. ILDV = 50 Mikroampere.
In Schritt S2 erfolgt ein Bereitstellen der Parameter a, b und d.
In Schritt S3 erfolgt das Ermitteln der Laserdiodentemperatur gemäß der obigen Beziehung $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * d .$
In Schritt S4 wird ermittelt, ob die Laserdiodentemperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Ist das der Fall, so wird die Laserdiode LD in Schritt S5 automatisch abgeschaltet. Ist dies nicht der Fall, so springt das Verfahren zu Schritt S1 zurück.
3 ist eine integrierte Anordnung mit zwei Laserdioden und einer Fotodiode zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform sind eine erste Laserdiode LD1 und eine zweite Laserdiode LD2 sowie eine Fotodiode PD' in einem gemeinsamen Substrat SU integriert, insbesondere in Form einer VCSEL-Laserdiode mit integrierter Fotodiode, wobei Licht senkrecht zur Ebene des Substrats SU abgestrahlt wird.
Das Schätzen des Zustandsparameters, hier der Laserdiodentemperatur, erfogt derart, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben.
Zum alternierenden Schätzen des Zustandsparameters der ersten Laserdiode LD1 und der zweiten Laserdiode LD2 ist eine Umschalteinrichtung SC zur Verbindung mit der Strommesseinrichtung 10a und der Spannungsquelle 10b vorgesehen.
Bei der zweiten Ausführungsform werden die aktuellen Schwellströme Ith1, Ith2 für mindestens zwei Laserdioden LD1, LD2 ermittelt, wobei die Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der beiden einzelnen Laserdioden LD1, LD2 durch Vergleichen der für die beiden einzelnen Laserdioden LD1, LD2 ermittelten aktuellen Schwellströme Ith1, Ith2 zueinander in Relation gesetzt werden. Da die Schwellströme Ith1, Ith2 mit zunehmender Alterung ansteigen, lässt ein Vergleich der Schwellströme Ith1, Ith2 eine qualitative Aussage über den Zustand der Laserdioden LD1, LD2 zu.
Die Umschaltvorrichtung SC ermöglicht ein wahlweises Betreiben mindestens einer der Laserdioden LD1, LD2 in Abhängigkeit von den geschätzten oder relativierten Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der beiden einzelnen Laserdioden LD1, LD2.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Obwohl die funktionale Abhängigkeit bei den obigen Ausführungsformen empirisch bei einer Trimmprozedur ermittelt wird, könnte dies auch durch ein theoretisches Modell erfolgen.
Auch kann das Ergebnis des Schätzens des Zustandsparameters beliebig für interne und/oder externe technische Maßnahmen im System verwendet werden.
Die Vorrichtung kann z.B. mit einer Regelungseinrichtung für die Fotodiodenspannung in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur ausgestattet sein, welche insbesondere derart gestaltet ist, dass sie die Empfindlichkeit der Fotodiode auf einem vorgegebenen Niveau hält.
Ferner kann eine Signalverarbeitungseinrichtung vorhanden sein, die eingerichtet ist, das erfasste Fotodiodenstromsignal in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur zu modifizieren, um Temperatureinflüsse zu kompensieren.
Das Überwachen kann mit einer beliebigen Anzahl von Laserdioden und einer beliebigen Anzahl zugeordneter Fotodioden erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015207289 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Schätzen mindestens eines Zustandsparameters mindestens einer Laserdiode (LD), wobei der Laserdiode (LD) mindestens eine Fotodiode (PD) zugeordnet ist, • die zusammen mit der Laserdiode (LD) betreibbar ist, • die das Licht (LS) der Laserdiode (LD) detektiert und in einen elektrischen Strom IPD umwandelt, und • die thermisch mit der Laserdiode gekoppelt ist, wobei das Schätzen des mindestens einen Zustandsparameters während des Betriebs der Laserdiode (LD) erfolgt und auf Strommessungen und/oder Spannungsmessungen an der Laserdiode (LD) und/oder an der Fotodiode (PD) beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Laserdiode (LD) mit der zugeordneten Fotodiode (PD) um eine Laserdiode (LD) mit integrierter Fotodiode (PD), insbesondere um einen VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) mit integrierter Fotodiode, handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserdiodentemperatur TLD als der Zustandsparameter der Laserdiode (LD) geschätzt wird, indem • durch Messungen des Fotodiodenstroms IPD für mindestens zwei unterschiedliche Werte des Laserdiodenstroms ILD die Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie (B) bei der zu bestimmenden Laserdiodentemperatur TLD bestimmt wird, und • dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD ein vorab bestimmter Zusammenhang zwischen der Steigung PDSlope der Fotodiodenkennlinie (B) und der Laserdiodentemperatur TLD zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserdiodentemperatur TLD als der Zustandsparameter der Laserdiode (LD) geschätzt wird, indem • die Laserdiodenspannung ULD für mindestens einen vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDV bei der zu schätzenden Laserdiodentemperatur TLD erfasst wird und • dem Schätzen der Laserdiodentemperatur TLD ein vorab bestimmter Zusammenhang zwischen dem vorbestimmten Laserdiodenstrom ILDV, der Laserdiodenspannung ULD und der Laserdiodentemperatur TLD zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Laserdiodentemperatur TLD geschätzt wird als $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * d$
wobei a, b und d vorab bestimmte Konstanten sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode (LD) bekannt ist und die Laserdiodentemperatur TLD geschätzt wird als $TLD = a + (b - ULD (ILDV)) * (1 - c * exp (- t / t 0)) * d$
wobei a, b, c und d vorab bestimmte Konstanten sind und t0 eine vorab bestimmte Betriebsdauer ist, die charakteristisch für die Alterung der Laserdiode (LD) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Gesamtbetriebszeit t als der Zustandsparameter der Laserdiode (LD) geschätzt wird, indem • die Laserdiodenspannung ULD für mindestens einen vorgegebenen Laserdiodenstrom ILDV bei einer bekannten Laserdiodentemperatur TLD erfasst wird und • dem Schätzen der Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode (LD) ein vorab bestimmter Zusammenhang zwischen dem Laserdiodenstrom ILD, der Laserdiodenspannung ULD, der Laserdiodentemperatur TLD und Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode (LD) zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei auf Basis der geschätzten Gesamtbetriebszeit t die Degradation der Laserdiode (LD) bewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gesamtbetriebszeit t als der Zustandsparameter der Laserdiode (LD) geschätzt wird, indem • durch Messungen des Fotodiodenstroms IPD in Abhängigkeit vom Laserdiodenstrom ILD eine jeweilige aktuelle Fotodiodenkennlinie (B) bestimmt wird, • aus der jeweiligen aktuellen Fotodiodenkennlinie (B) der aktuelle Schwellstrom Ith der Laserdiode (LD) ermittelt wird und • die Gesamtbetriebszeit t der Laserdiode unter Zugrundelegung des jeweiligen aktuellen Schwellstroms Ith geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der aktuelle Schwellstrom Ith ermittelt wird, • indem erste Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 für mindestens zwei Laserdiodenstromwerte ILD1, ILD2 erfasst werden, bei denen sich die Laserdiode (LD) noch nicht im Laserbetrieb befindet, • indem zweite Fotodiodenstromwerte IPD3, IPD4 für mindestens zwei Laserdiodenstromwerte ILD3, ILD4 erfasst werden, bei denen sich die Laserdiode (LD) im Laserbetrieb befindet, • indem die ersten Fotodiodenstromwerte IPD1, IPD2 und die zweiten Fotodiodenstromwerte IPD3, IPD4 jeweils linear extrapoliert werden und • indem der Schnittpunkt der beiden resultierenden Geraden g und h als aktueller Schwellstrom Ith bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die aktuellen Schwellströme Ith1, Ith2 für mindestens zwei Laserdioden (LD1, LD2) ermittelt werden und wobei die Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der beiden einzelnen Laserdioden (LD1, LD2) durch Vergleichen der für die beiden einzelnen Laserdioden (LD1, LD2) ermittelten aktuellen Schwellströme Ith1, Ith2 zueinander in Relation gesetzt werden.
Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs mindestens einer Laserdiode (LD), wobei der Laserdiode (LD) mindestens eine Fotodiode (PD) zugeordnet ist, • die zusammen mit der Laserdiode (LD) betreibbar ist, • die das Licht (LS) der Laserdiode (LD) detektiert und in einen elektrischen Strom IPD umwandelt, und • die thermisch mit der Laserdiode gekoppelt ist, insbesondere zum Schätzen mindestens eines Zustandsparameters mindestens einer Laserdiode (LD) mit integrierter Fotodiode (PD), insbesondere eines VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) mit integrierter Fotodiode, mindestens umfassend • eine Stromquelle (20a) zum Anlegen eines regelbaren Stroms ILD an die mindestens eine Laserdiode (LD), • eine Spannungsmesseinrichtung (20b) zum Erfassen der Ausgangsspannung ULD der Laserdiode (LD), • eine Spannungsquelle (10b) für die mindestens eine Fotodiode (PD) zum Anlegen einer definierten Betriebsspannung für die Fotodiode (PD), • eine Strommesseinrichtung (10a) zum Erfassen des Fotodiodenstroms IPD, wobei die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass das Überwachen basierend auf Strommessungen und/oder Spannungsmessungen an der Laserdiode (LD) und/oder an der Fotodiode (PD) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Schätzeinrichtung (100) zum Schätzen des mindestens einen Zustandsparameters während des Betriebs der Laserdiode (LD) basierend auf Strommessungen und/oder Spannungsmessungen an der Laserdiode (LD) und/oder an der Fotodiode (PD) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schätzeinrichtung (100) derart gestaltet ist, dass sie die Laserdiodentemperatur TLD schätzt, und wobei eine Abschaltvorrichtung (101) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, die Laserdiode (LD) automatisch abzuschalten, wenn die Laserdiodentemperatur TLD einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Schätzeinrichtung (100) derart gestaltet ist, dass sie die Laserdiodentemperatur TLD schätzt, mit einer Regelungseinrichtung (102) für die Fotodiodenspannung UPD in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur TLD, welche insbesondere derart gestaltet ist, dass sie die Empfindlichkeit der Fotodiode (PD) auf einem vorgegebenen Niveau hält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Schätzeinrichtung (100) derart gestaltet ist, dass sie die Laserdiodentemperatur TLD schätzt, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung, die eingerichtet ist, das erfasste Fotodiodenstromsignal in Abhängigkeit von der geschätzten Laserdiodentemperatur TLD zu modifizieren, um Temperatureinflüsse zu kompensieren.
Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs mindestens zweier Laserdioden (LD1, LD2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Schätzeinrichtung (100) derart gestaltet ist, dass sie die Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der beiden einzelnen Laserdioden (LD1, LD2) schätzt oder zumindest in Relation zueinander setzt, mit einer Umschaltvorrichtung (SC) zum wahlweisen Betreiben mindestens einer Laserdiode (LD1, LD2) in Abhängigkeit von den geschätzten oder relativierten Gesamtbetriebszeiten t1, t2 der einzelnen Laserdioden (LD1, LD2).
Optische Partikelsensorvorrichtung mit mindestens einer Laserdiode (LD) zum Erzeugen eines Mess-Laserstrahls, mit mindestens einer Fotodiode (PD), die der Laserdiode (LD) zugeordnet ist und mit der das an einem zu detektierenden Partikel gestreute Licht des Mess-Laserstrahls als Messsignal detektierbar ist, und mit einer Messsignal-Auswerteeinrichtung zur Bestimmung einer Partikelverteilung, aufweisend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17.