DE19504158A1

DE19504158A1 - Treiberstufe für gepulsten Halbleiterlaser mit ultrakurzer Pulsdauer

Info

Publication number: DE19504158A1
Application number: DE19504158A
Authority: DE
Inventors: Hyung Dong Chung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1995-08-24
Also published as: GB2286718A; KR970003745B1; KR950026068A; GB9501254D0; ITMI950189A0; IT1273496B; BR9500553A; CN1128422A; FR2716040A1; TW266339B; US5418807A; GB9502427D0; ITMI950189A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberstufe für gepulste Halbleiterlaser, insbesondere für mit hoher Pulswiederholfrequenz gepulste Hochleistungs-Laserdioden mit extrem kurzer Impulsdauer.

Treiberstufen für Laserdioden weisen im allgemeinen eine sehr hohe Impedanz des Stromkreises auf. Daraus resultiert eine schlechte Impedanzanpassung zwischen der Lasertreiberstufe mit hoher Impedanz und dem eigentlichen Halbleiterlaser mit einer extrem niedrigen Impedanz und der größte Teil der zum Betrieb des Halbleiterlasers aufgewendeten Energie geht in Form von Wärme verloren.

Beim Betrieb einer Treiberstufe für einen Hochleistungs- Halbleiterlaser muß der zugeführte Strom einen bestimmten Schwellwert überschreiten, bevor Laseraktivität einsetzt. Zusätzlich muß die Verlustenergie kompensiert werden.

Die Treiberstufe eines herkömmlichen gepulsten Hochleistungslasers ist daher auf eine sehr hohe Leistung ausgelegt, wobei sowohl die zum Betrieb des Lasers notwendige Leistung als auch die Verlustleistung in Betracht gezogen werden müssen.

Mit steigender Verlustenergie muß das Leistungsvermögen des herkömmlichen gepulsten Hochleistungstreibers stark erhöht werden. Während Größe und Gewicht der Treiberstufe ebenfalls stark zunehmen, verschlechtern sich andere, für den Betrieb des Lasers kritische Parameter, wie zum Beispiel Anstiegs- und Abfallzeiten, Pulsbreite und Impulsfolgefrequenz (IFF) der erzeugten Laserimpulse zusehends.

Zur Lösung derartiger, mit herkömmlichen Lasertreiberstufen verbundener Probleme, wurde eine Treiberstufe für einen gepulsten Hochleistungslaser mit hoher Impulsfolgefrequenz vorgeschlagen. Diese Treiberstufe für eine Hochleistungs- Laserdiode ist in der koreanischen Patentanmeldung Nr. 94-2144 beschrieben.

Dieser Laserdiodentreiber verwendet eine ungleichmäßige Streifenleitung mit niedriger Impedanz als Energiespeicherkondensator, mit der ein Treiberstromkreis für eine Laserdiode mit hohem Wirkungsgrad erhältlich ist. Darüber hinaus entspricht im Fall optimaler Impedanzanpassung die Wellenlaufzeit für Hin- und Rückweg in der Streifenleitung mit ungleichmäßiger Impedanz der Impulsdauer der Ausgangspulse des Hochleistungslaser. Bei geeigneter Konstruktion des Energiespeicherkondensators lassen sich Laserimpulse mit einer Impulsdauer von nur wenigen Nanosekunden erzeugen.

Aus vielfältigen praktischen Gründen, wie zum Beispiel Sicherheit der Augen, nutzbare Entfernung, Genauigkeit und Einsatz in der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ist es aber wünschenswert, Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung und Pulsdauern von weniger als einigen Nanosekunden zu erzeugen. Grundsätzlich können, wie oben erwähnt, Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung und Pulsdauern von einigen Nanosekunden mit Hilfe von Energiespeicherkondensatoren mit streifenleiterartigem Aufbau und ungleichmäßiger Impedanz sehr wirksam erzeugt werden. Da unter optimalen Betriebsbedingungen die kürzesten, mit einem als nicht gleichmäßigem Streifenleiter ausgebildeten Energiespeicherkondensator erzielbaren Pulsdauern in etwa der doppelten Wellenlaufzeit in diesem Leiter entsprechen, wird die Pulsdauer der austretenden Laserimpulse immer kürzer, je geringer die Länge der Streifenleitung mit ungleichmäßiger Impedanz gewählt wird. Daher wird die physikalische Länge des Energiespeicherkondensators einfach solange verringert, bis die doppelte Wellenlaufzeit in diesem Kondensator nur noch einige Nanosekunden beträgt.

Schwierig wird es aber, wenn man Laserimpulse mit einer Pulsdauer von weniger als einigen Nanosekunden erzeugen will. Lediglich die physikalische Ausdehnung des Energiespeicherkondensators weiter zu verringern, führt nicht zu einer ultrakurzen Pulsdauer. Eine Grenze ist darin zu sehen, daß zwar ein stark miniaturisierter Streifenleiter eine notwendige Bedingung für die Erzeugung von ultrakurzen Pulsdauern (d. h. Pulsdauern von weniger als einigen Nanosekunden) ist, daß aber gleichzeitig die Kapazität des Energiespeicherkondensators zu klein wird, um die notwendige elektrostatische Energie zu speichern. Darüber hinaus wirken sich Streuinduktivitäten nachteilig auf die Eigenschaften der Ausgangspulse aus. Zur Erzeugung von Laserimpulsen mit ultrakurzen Pulsdauern müssen daher neue Wege eingeschlagen werden.

Aufgabe der vorliegenden ist daher die Bereitstellung einer Treiberstufe für einen gepulsten Hochleistungs-Halbleiterlaser mit hoher Impulsfolgefrequenz, der in der Lage ist, Laserlichtimpulse mit sehr hoher Spitzenleistung und einer ultrakurzen Pulsdauer zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Treiberstufe für Halbleiterlaser mit einer Kontrolleinheit zur Regelung von Steuersignalen, einem Ladeimpulsgenerator, der Mittel zur Aufbereitung der elektrischen Energie umfaßt, die das Steuersignal empfangen können und dabei elektrische Energie erzeugen, einem Energiespeicher, der diese elektrische Energie speichert, einer Triggerlichtquelle mit Treibermitteln zur Erzeugung eines optischen Triggersignals, nachdem die elektrische Energie im Halbleiterspeicher gespeichert wurde, einem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter, um die kapazitiv gespeicherte elektrische Energie in einer Starkstromimpuls umzuwandeln und mit einem Hochleistungs- Laserarray, um den von dem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter empfangenen Starkstromimpuls in einen optischen Impuls mit hoher Leistung umzuwandeln, der ausgestrahlt werden kann, wobei der optisch aktivierbare Halbleiterschalter einen Schalter mit drei Anschlüssen umfaßt, die von drei Elektroden gebildet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Halbleiterschalter mit drei aus Elektroden gebildeten Anschlüssen einen ersten Schalter, der von zwei dieser drei Elektroden gebildet wird und einen n-i-p-Aufbau aufweist und einen zweiten Schalter, der von einer der zwei Elektroden des ersten Schalters und der verbleibenden Elektrode gebildet wird und einen p-i-p-Aufbau aufweist.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Treiberstufe für Halbleiterlaser so beschaltet, daß beide Schalter im Ausgangszustand offen sind, solange sie nicht von Triggerlicht bestrahlt werden, und daß sie von einem Zustand mit hohem Widerstand in einen Zustand mit hoher Leitfähigkeit wechseln, wenn die aktiven Schalterflächen mit Lichtimpulsen des Triggerlichtes beleuchtet werden.

Als Triggerlichtquelle wird vorteilhaft eine gepulste Laserdiode geringer oder mittlerer Leistung eingesetzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse mit hoher Ausgangsleistung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Treiberstufe für Halbleiterlaser, bei dem man eine Kontrolleinheit ein Steuersignal zu einem Ladeimpulsgenerator sendet, der Ladeimpulsgenerator eine impulsförmige Vorspannung an einem Energiespeicher anlegt, so daß elektrostatische Energie kapazitiv gespeichert wird, nach Erreichen einer bestimmten Vorspannung ein Steuersignal ausgelöst wird, das zu einer Triggerlichtquelle gesendet wird, so daß die Triggerlichtquelle einen kurzen Lichtimpuls erzeugt, der in zwei Teilimpulse aufgespaltet und in zwei faseroptische Kabel eingekoppelt wird, wobei der erste Lichtimpuls durch ein faseroptisches Kabel der Länge L auf die aktive Fläche eines ersten Schalters eines optisch aktivierbaren Halbleiterschalters geleitet wird, so daß der erste Schalter während der Dauer des Triggerlichtimpulses eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Energiespeicher und einem Hochleistungs-Laserarray herstellt, so daß die kapazitiv gespeicherte Energie in Form eines Stromimpulses vom Energiespeicher zum Hochleistungs- Laserarray fließt und der zweite Lichtimpuls durch das faseroptische Kabel der Länge L + δL auf die aktive Fläche eines zweiten Schalters des optisch aktivierbaren Halbleiterschalters geleitet wird, so daß der zweite Schalter das Laserarray während der Dauer des Triggerlichtimpulses kurzschließt und so die Pulsdauer des in das Array fließenden Stromimpulses verkürzt, der Stromimpuls im Hochleistungs- Laserarray in einen Laserlichtimpuls hoher Leistung umgewandelt wird, und dieser Laserlichtimpuls ausgestrahlt werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Treiberstufe für gepulste Halbleiterlaser mit ultrakurzer Pulsdauer anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Laserdiodentreibers;

Fig. 2 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen optisch aktivierbaren Halbleiterschalter;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A des Halbleiterschalters der Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie B-B des Halbleiterschalters der Fig. 2;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Triggerlichtquelle der erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Treiberstufe;

Fig. 6 ein Blockdiagramm, das den Weg des Stromimpulses von dem erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensator in das Hochleistungs-Laserarray zeigt;

Fig. 7 Schaubilder des zeitlichen Verlaufs des Energieflusses in einer erfindungsgemäßen Lasertreiberstufe.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Treiberstufe für einen kompakten, gepulsten Halbleiterlaser mit hoher Ausgangsleistung und hoher Impulsfolgefrequenz. Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt der erfindungsgemäße Laserdiodentreiber eine Kontrolleinheit 10, einen Ladeimpulsgenerator 20, mit Mitteln zur Leistungsaufbereitung, einen Energiespeicher 30, eine Triggerlichtquelle mit zugehöriger Treibereinheit 40, einen optisch aktivierbaren Halbleiterschalter 50 und ein Hochleistungs-Laserarray 60.

Die Kontrolleinheit 10 überwacht die von einer Eingangsstufe ankommenden Signale und sendet Steuersignale zum Ladeimpulsgenerator 20 und der zugehörigen Leistungswandlereinrichtung. Außerdem sendet die Kontrolleinheit 10 Signale zur Treibereinheit der Triggerlichtquelle 40.

Der Leistungswandler des Ladeimpulsgenerators 20 bereitet die von einer Primärenergiequelle stammende elektrische Energie geeignet auf und sendet Ladeimpulse zum Energiespeicher 30. Ein gewisser Anteil elektrischer Leistung wird von der Einheit 20 auch zur Treibereinheit der Triggerlichtquelle 40 geschickt. Primärenergiequellen können beispielsweise eine vom Netz und geeigneten Transformatoren gespeiste wechselstromquelle oder eine Batterie sein.

Die Energiespeichereinheit 30 umfaßt einen Kondensator mit niedriger Impedanz, der in einer bevorzugten Ausführungsform als Streifenleiter mit ungleichmäßiger Impedanz aufgebaut ist. Der Energiespeicher 30 speichert die vom Ladeimpulsgenerator 20 gelieferte Energie.

Die Triggerlichtquelle 40 und ihre zugehörige Treiberstufe weisen eine Lichtquelle auf, die in einer bevorzugten Ausführungsform Laserlicht mit niedriger oder mittlerer Leistung aussendet, welches vorteilhaft in zwei faseroptische Lichtleiter eingekoppelt wird. Das Triggerlicht wird in Form von Lichtimpulsen ausgesendet, nachdem der Treiber der Triggerlichtquelle 40 ein entsprechendes Signal von der Kontrolleinheit 10 erhalten hat. Ein derartiges Steuersignal wird dann ausgesendet, wenn die Energiespeicherung in der Energiespeichereinheit 30 abgeschlossen ist.

Der optisch aktivierbare Halbleiterschalter 50 ist ein Schalter mit drei Anschlüssen, die von drei Elektroden gebildet werden. Der Schalter 50 wird eingeschaltet, wenn das von der Triggerlichtquelle ausgesendete Laserlicht auf die aktive Fläche des Halbleiterschalters fällt. Bei eingeschaltetem Schalter wird die im Kondensator kapazitiv gespeicherte elektrostatische Energie in einen starken Stromimpuls umwandelt.

Der mit Hilfe des Halbleiterschalters 50 erzeugte Stromimpuls wird in das Hochleistungs-Laserarray 60 geführt und dort in einen optischen Impuls mit hoher Leistung umgewandelt.

Durch ein Signal der Kontrolleinheit 10 wird die entweder vom Netz oder einer Batterie stammende primäre elektrische Energie aufbereitet und dann zum kapazitiven Aufladen der Energiespeichereinheit 30 verwendet. Während Licht der Triggerlichtquelle die aktive Fläche des Halbleiterschalters 50 beleuchtet, ist dieser Schalter geschlossen und die kapazitiv gespeicherte elektrostatische Energie wird in einen Starkstromimpuls umgewandelt. Wird als Energiespeicherkondensator ein Streifenleiter mit niedriger Impedanz verwendet, so ist die Pulsdauer des entstehenden Stromimpulses im wesentlichen gleich der doppelten Wellenlaufzeit im Kondensator.

Zur Verkürzung der Pulsdauer des entstehenden Laserimpulses wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen zu verwenden, so daß jeweils zwei einzelne Schalter gebildet werden. Licht der Triggerlichtquelle wird, beispielsweise mit Hilfe von faseroptischen Leitungen, auf die aktiven Flächen dieser beiden Schalter geführt. Sind die Lichtleiter unterschiedlich lang, so kommt derselbe Triggerlichtimpuls zu unterschiedlichen Zeiten bei den aktiven Flächen der beiden Schalter an.

Die Impulsdauer der im Hochleistungs-Laserarray erzeugten Laserimpulse wird durch die Laufzeitdifferenz δt zwischen diesen beiden Triggerimpulsen bestimmt. Insbesondere führt die erfolgreiche Kombination eines Energiespeicherkondensators mit niedriger Impedanz und dem von einer Laserdiode mit mittlerer Leistung getriggerten Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen zu einer Treiberstufe für einen kompakten, gepulsten Halbleiterlaser, der in der Lage ist, Lichtimpulse mit hoher Spitzenleistung und ultrakurzer Pulsdauer bei einer hohen Impulsfolgefrequenz zu erzeugen.

Wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, umfaßt der optisch aktiverbare Halbleiterschalter 50 einen Schalter mit drei Anschlüssen. Dieser Schalter mit drei Anschlüssen wird von drei Elektroden gebildet. Die Elektroden 53 und 54 bilden den ersten Schalter 51, der eine n-i-p-Struktur aufweist. Ein Querschnitt (entlang der Linie A-A der Fig. 2) durch den ersten Schalter 51 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Grundstruktur des Schalters wird von einem Halbleitersubstrat 56 mit hohem spezifischem Widerstand gebildet. Ein Bereich 57 des Substrates ist stark n-dotiert. Über dieser n-dotierten Schicht ist die erste Elektrode 53 aufgebracht. Die erste Elektrode 53 ist mit dem Energiespeicherkondensator 30 verbunden. Über einem stark p-dotierten Bereich 58 des Substrates ist die zweite Elektrode 54 aufgebracht. Die Elektrode 54 ist, gegebenenfalls über einen Anpassungswiderstand 70 (wie in Fig. 6 dargestellt) mit dem Hochleistungs-Laserarray 60 verbunden. Beide Elektroden sind im Dunkeln durch das Substrat 56 mit hohem spezifischem Widerstand gegeneinander isoliert. Bei Beleuchtung mit dem Triggerlichtimpuls 43 erhöht sich die Leitfähigkeit des Substrates 56 drastisch und Strom kann vom Kondensator 30 über die Elektrode 53, den n-dotierten Bereich 57, den p-dotierten Bereich 58 und die Elektrode 54 zum Hochleistungs-Laserarray fließen. Die Elektroden 54 und 55 bilden den zweiten Schalter 52, der eine p-i-p-Struktur besitzt. Der zweite Schalter 52 ist im Querschnitt (entlang der Linie B-B der Fig. 2) in Fig. 4 dargestellt. Der zweite Schalter 52 besteht aus der Elektrode 54 und dem darunter befindlichen p-dotierten Bereich und der dritten Elektrode 55, unter der ebenfalls ein p-dotierter Bereich 59 vorgesehen ist. Die Elektrode 55 ist geerdet. Der zweite Schalter 52 kann durch Beleuchtung der aktiven Fläche zwischen den Elektroden 54 und 55 mit Triggerlichtimpulsen 45 leitfähig gemacht werden.

Hauptaufgabe dieser Schalter 51, 52 ist die Steuerung des Zeitraums, in welchem elektrische Energie zur Erzeugung eines Laserlichtimpulses in das Hochleistungs-Laserarray 60 fließt. Anfänglich (ohne Beleuchtung durch Triggerlicht) sind beide Schalter in einem offenen Zustand. Wenn die aktiven Schalterflächen von Lichtimpulsen mit geeigneter Wellenlänge und ausreichender optischer Leistung beleuchtet werden, wechseln beide Schalter von einem Zustand mit hohem Widerstand (Schalter ausgestaltet) zu einem Zustand mit hoher Leitfähigkeit (Schalter eingeschaltet). Dabei kann das Triggerlicht sowohl von unten als auch von oben auf die zwischen den Elektroden befindlichen aktiven Flächen des Schalters geführt werden.

Allerdings sind die beiden Schalter 51, 52 hinsichtlich ihrer Funktionsweise unterschiedlich. Die Aktivierung des ersten Schalters 51 durch einen Lichtimpuls 43 des Triggerlichtes führt zu einem Fluß elektrischer Energie vom Energiespeicherkondensator 30 zum Hochleistungs-Laserarray 60. Der zweite Schalter 52 wird, bezogen auf den ersten Schalter, mit einer gewissen Zeitverzögerung eingeschaltet. Die Aktivierung des zweiten Schalters erzeugt einen elektrischen Kurzschluß über das Hochleistungs-Laserarray, so daß der Energiefluß in das Laserarray 60 zusammenbricht.

Wie in Fig. 5 dargestellt, besteht die Triggerlichtquelle 40 aus einer Laserdiode 41 mit mittlerer Leistung und zwei faseroptischen Lichtleitern 42, 44. Der Lichtimpuls der Trigger- Laserdiode wird in die beiden faseroptischen Leiter gekoppelt. Für die Laufzeit t eines Lichtimpulses in dem Kabel 42 der Länge L aus einem Material mit Dielektrizitätskonstante ε_r gilt die mathematische Beziehung:

t = (√)/(3 × 10⁺¹⁰ cm) Sekunden

Dabei ist L die Länge des faseroptischen Kabels in cm und ε_r die Dielektrizitätskonstante des Kernmaterials des faseroptischen Kabels. Die Laufzeitdifferenz δt von Lichtimpulsen in zwei faseroptischen Kabeln mit Längendifferenz δL ist daher gegeben durch:

δt = {(√)/30} × 10^-9 Sekunden.

Wird also die Längendifferenz δL geringer, so wird das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen kurz und Hochleistungs-Laserimpulse mit ultrakurzen Impulsdauern können erzeugt werden.

Die Gesamtlaufzeit im Kabel 44 der Länge L + δL beträgt also:

t + δt = t + (√)/30} × 10⁻ Sekunden.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Treiberstufe für einen gepulsten Halbleiterlaser mit ultrakurzen Impulsdauern beschrieben.

Zunächst übermittelt eine Eingangseinheit der Kontrolleinheit 10 das Betriebssignal. Die Kontrolleinheit aktiviert dann den Leistungswandler und den Ladeimpulsgenerator 20. Die über ein Wechselstrom-Netzkabel oder von einer Batterie gelieferte Primärleistung wird geeignet aufbereitet und mit Hilfe des Ladeimpulsgenerators wird der Kondensator des Energiespeichers 30 aufgeladen. Zu dem Zeitpunkt, an dem die pulsförmige Vorspannung am Kondensator ihren Spitzenwert +V erreicht, aktiviert ein von der Kontrolleinheit 10 ausgesandtes Steuersignal die in Fig. 5 dargestellte Triggerlichtquelle 40 und ihre zugehörige Treibereinheit.

Die Triggerlichtquelle erzeugt optische Impulse mit sehr schneller Anstiegszeit und mit sehr hoher Impulsfolgesequenz. Die erzeugten optischen Impulse werden in die beiden unterschiedlich langen faseroptischen Leitungen 42, 44 eingekoppelt, durch diese weitergeleitet und zur Aktivierung des Halbleiterschalters 50 verwendet.

Sobald optisches Triggerlicht in die aktive Fläche des Halbleiterschalters 50 eindringt, entstehen eine ausreichende Anzahl durch Photonen erzeugte Elektron-Loch-Paare, so daß der Zustand des Schalters von völlig offen (nicht leitend) zu völlig geschlossen (leitend) wechselt.

Wenn der von den Elektroden 53 und 54 des optisch aktivierbaren Halbleiterschalters 50 gebildete erste Schalter 51 durch den durch das faseroptische Kabel 42 der Länge L übertragenen Triggerlichtimpuls 43 eingeschaltet ist, beginnt die im Kondensator gespeicherte elektrostatische Energie in Richtung Hochleistungs-Laserarray 60 abzufließen. Kurz nachdem der erste Schalter eingeschaltet ist, wird der durch die Elektroden 54 und 55 des optisch aktivierbaren Halbleiterschalters 50 gebildete zweite Schalter 51 (dargestellt in Fig. 4) durch den durch das faseroptische Kabel 44 der Länge L + δL übertragenen optische Triggerimpuls 45 eingeschaltet, um einen Kurzschlußkanal über das Hochleistungs-Laserarray 60 zu bilden. Nach Erzeugung dieses Kurzschlusses, wird der Fluß elektrischer Energie in das Hochleistungs-Laserarray abrupt beendet.

Im Fall einer sehr schlechten Impedanzanpassung wird die Pulsdauer des entstehenden Laserlichtes sehr lang und ihre Abfallzeit ist sehr langsam. Ursache hierfür sind hauptsächlich die durch die schlechte Impedanzanpassung hervorgerufenen Mehrfachreflexionen der Wanderwelle. Bei sehr guter Impedanzanpassung entsteht bei der Entladung des Kondensators 30 ein Stromimpuls, der vom Energiespeicher 30 zum Laserarray 60 fließt und dessen Pulsdauer im wesentlichen der Wellenlaufzeit für Hin- und Rückweg in der Streifenleitung des Energiespeicherkondensators entspricht. Durch geeignete Schaltung der beiden Schalter 51 und 52 des Halbleiterschalters 50 kann die Pulsdauer des Stromimpulses, die bei einigen Nanosekunden liegen kann, weiter verkürzt werden, wodurch der Stromimpuls bei Eintritt in das Hochleistungs-Laserarray 60 eine Impulsdauer von nur einer Nanosekunde oder weniger haben kann. Die Impulsdauer des Stromimpulses im Laserarray entspricht dann auch der Impulsdauer des erzeugten Laserlichtes.

In Fig. 6 ist der Weg des Stromimpulses vom Energiespeicherkondensator 30 über den Halbleiterschalter 50 in das Hochleistungs-Laserarray 60 dargestellt. Der Energiespeicher 30, bevorzugt ein Streifenleiter mit ungleichmäßiger Impedanz, wird vom Ladeimpulsgenerator 20 mit einer Vorspannung +V aufgeladen. Wenn in dem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter 50 durch Beleuchtung der aktiven Fläche zwischen den Elektroden 53 und 54 mit einem Triggerlichtimpuls 43 eine leitende Verbindung hergestellt wird, fließt die im Kondensator 30 gespeicherte elektrostatische Energie in Form eines Stromimpulses zum Laserarray 60. Wird mit einem zweiten Triggerlichtimpuls 45 die Elektrode 54 über die Elektrode 55 geerdet, so wird der Stromfluß in das Laserarray 60 abrupt beendet und der im Array 60 ankommende Stromimpuls weist eine verkürzte Pulsdauer auf. In Fig. 6 ist ebenfalls dargestellt, daß zwischen Halbleiterschalter 50 und Hochleistungs-Laserarray 60 eine Anpassungsimpedanz 70 vorgesehen sein kann.

Die Schaubilder der Fig. 7 zeigen den zeitlichen Verlauf des Energieflusses in der Lasertreiberstufe. Zunächst wird zur Zeit t₀an den in Fig. 6 dargestellten Energiespeicherkondensator 30 eine impulsförmige Vorspannung +V gelegt, wie in Schaubild 7a dargestellt. Bei einer impulsförmigen Vorspannung +V wird der erste Schalter in Sperrichtung betrieben. Wenn die gewünschte Spannung am Kondensator erreicht ist wird zur Zeit t₁ ein Steuersignal zur Triggerlichtquelle 40 gesendet. Der in Fig. 3 dargestellte erste Schalter 51 wird dadurch eingeschaltet, daß man die aktive Schalterfläche mit dem Triggerlichtimpuls 43 bestrahlt, der durch das faseroptische Kabel 42 der Länge L übertragen wird.

Wenn der erste Schalter eingeschaltet wird, beginnt die im Kondensator gespeicherte elektrostatische Energie in Richtung Hochleistungs-Laserarray abzufließen. Der zweite, in Fig. 4 dargestellte Schalter 52, wird dadurch aktiviert, daß er mit dem durch das faseroptische Kabel 44 der Länge L + δL übertragenen Lichtimpuls 45 beleuchtet wird. Die beiden, ursprünglich als ein Lichtimpuls erzeugten Teilimpulse 43 und 45 kommen mit einer Zeitdifferenz δt am Halbleiterschalter 50 an. Sobald der zweite Schalter eingeschaltet ist, wird ein Kurzschlußkanal über das Hochleistungs-Laserarray erzeugt, so daß der elektrische Energiefluß in das Hochleistungs- Laserarray, wie in Schaubild 7c dargestellt, abrupt beendet wird. Insgesamt fließt also nur für die Zeit δt Strom in das Laserarray. Der zeitliche Verlauf der optische Leistung der beiden Triggerlichtimpulse ist in Schaubild 7b dargestellt. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist die Pulsdauer der Triggerlichtimpulse für die Pulsdauer unwesentlich. Sie spielt nur im Hinblick auf die erzielbare Pulswiederholfrequenz eine Rolle.

Die Dauer des so erzeugten Hochleistungs-Laserimpulses pw entspricht der Zeitdauer des Stromflusses in das Laserarray, also der Impulsdauer δt des Stromimpulses (pw = δt).

Die Zeiten t₁, t₁′ und t₁′′ sind idealerweise identisch. In Realität treten aber auch Laufzeiteffekte im Stromkreis auf.

Wie aus obiger Beschreibung ersichtlich, stellt die vorliegende Erfindung eine Treiberstufe für einen gepulsten Hochleistungs- Halbleiterlaser mit hoher Impulsfolgefrequenz zur Verfügung, wobei durch die Verwendung eines optisch aktivierbaren Halbleiterschalters mit drei Anschlüssen die Steuerung der Zeitdauer des elektrischen Energieflusses in das Hochleistungs- Laserarray ermöglicht wird. Durch geeignete Wahl der Längen der beiden faseroptischen Leitungen und der daraus resultierenden Zeitdifferenz δt der Laufzeit der Triggerlichtimpulse, können Laserlichtimpulse mit ultrakurzer Pulsdauer erzeugt werden.

Erfindungsgemäß werden die Hochleistungs-Laserimpulse mit schneller Anstiegs- und Abfallszeit bei hoher Impulsfolgefrequenz dadurch erzeugt, daß optische Triggerimpulse mit schneller Anstiegszeit, bevorzugt von einer Laserdiode mit mittlerer oder etwas gehobener Leistung erzeugt werden, diese Impulse in zwei faseroptische Leitungen mit unterschiedlicher optischer Weglänge eingekoppelt werden, und diese Triggerlichtimpulse zum Schalten eines optisch aktivierbaren Haltleiterschalters verwendet werden und so der elektrische Energiefluß in das Hochleistungs-Laserarray gesteuert wird.

Bevorzugt wird als kompakter Energiespeicherkondensator mit niedriger Impedanz ein Streifenleiter mit nicht gleichmäßiger Impedanz verwendet, dessen geometrische Charakteristik zu einem impulsförmigen Entladungsvorgang führt. Der Kondensator mit niedriger Impedanz verringert den Energieverlust bei der Energieübertragung von Kondensator zum Laserarray beträchtlich. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Treiberstufen für gepulste Hochleistungslaser besitzt die erfindungsgemäße Lasertreiberstufe einen sehr hohen Wirkungsgrad und kann auf eine Stromversorgung hoher Leistung und einen Lüfter zur Kühlung verzichten. Wenn also ein Speicherkondensator mit niedriger Impedanz verwendet wird, ist eine Treiberstufe für einen gepulsten Hochleistungslaser mit ultrakurzer Pulsdauer erhältlich, die sehr kompakt und leicht ist.

Claims

1. Treiberstufe für Halbleiterlaser mit einer Kontrolleinheit (10) zur Regelung von Steuersignalen, einem Ladeimpulsgenerator (20), der Mittel zur Aufbereitung der elektrischen Energie umfaßt, die das Steuersignal empfangen können und dabei elektrische Energie erzeugen, einem Energiespeicher (30), der diese elektrische Energie speichert, einer Triggerlichtquelle (40) mit Treibermitteln zur Erzeugung eines optischen Triggersignals, nachdem die elektrische Energie im Halbleiterspeicher gespeichert wurde, einem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter (50), um die kapazitiv gespeicherte elektrische Energie in einer starken Stromimpuls umzuwandeln und mit einem Hochleistungs- Laserarray (60), um den von dem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter (50) empfangenen starken Stromimpuls in einen optischen Impuls mit hoher Leistung umzuwandeln, der ausgestrahlt werden kann, wobei der optisch aktivierbare Halbleiterschalter (50) einen Schalter mit drei Anschlüssen umfaßt, die von drei Elektroden (53, 54, 55) gebildet werden.

2. Treiberstufe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (50) mit drei aus Elektroden (53, 54, 55) gebildeten Anschlüssen einen ersten Schalter (51), der von zwei (53, 54) dieser drei Elektroden gebildet wird und einen n-i-p-Aufbau aufweist und einen zweiten Schalter (52) umfaßt, der von einer (54) der zwei Elektroden des ersten Schalters und der verbleibenden Elektrode (55) gebildet wird und einen p-i-p-Aufbau aufweist.

3. Treiberstufe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Treiberstufe so beschaltet ist, daß beide Schalter (51, 52) im Ausgangszustand offen sind, solange sie nicht von Triggerlicht bestrahlt werden, und daß sie von einem Zustand mit hohem Widerstand in einen Zustand mit hoher Leitfähigkeit wechseln, wenn die aktiven Schalterflächen mit Lichtimpulsen des Triggerlichtes beleuchtet werden.

4. Treiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerlichtquelle eine gepulste Laserdiode geringer oder mittlerer Leistung ist.

5. Verfahren zur Erzeugung kurzer Laserlichtimpulse mit hoher Ausgangsleistung unter Verwendung einer Treiberstufe für Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem

- eine Kontrolleinheit ein Steuersignal zu einem Ladeimpulsgenerator sendet,
- der Ladeimpulsgenerator eine impulsförmige Vorspannung an einem Energiespeicher anlegt, so daß elektrostatische Energie kapazitiv gespeichert wird,
- nach Erreichen einer bestimmten Vorspannung ein Steuersignal ausgelöst wird, das zu einer Triggerlichtquelle gesendet wird, so daß die Triggerlichtquelle einen kurzen Lichtimpuls erzeugt, der in zwei Teilimpulse aufgespaltet und in zwei faseroptische Kabel unterschiedlicher Länge eingekoppelt wird,
- der erste Lichtimpuls durch ein faseroptisches Kabel der Länge L auf die aktive Fläche eines ersten Schalters eines optisch aktivierbaren Halbleiterschalters geleitet wird, so daß der erste Schalter während der Dauer des Triggerlichtimpulses eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Energiespeicher und einem Hochleistungs-Laserarray herstellt, so daß die kapazitiv gespeicherte Energie in Form eines Stromimpulses vom Energiespeicher zum Hochleistungs-Laserarray fließt,
- der zweite Lichtimpuls durch das faseroptische Kabel der Länge L + δL auf die aktive Fläche eines zweiten Schalters des optisch aktivierbaren Halbleiterschalters geleitet wird, so daß der zweite Schalter das Laserarray während der Dauer des Triggerlichtimpulses kurzschließt und so die Pulsdauer des in das Array fließenden Stromimpulses verkürzt,
- der Stromimpuls im Hochleistungs-Laserarray in einen Laserlichtimpuls hoher Leistung umgewandelt wird, und dieser Laserlichtimpuls ausgestrahlt werden kann.