DE3331132C1

DE3331132C1 - Schutzschaltung fuer einen Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3331132C1
Application number: DE3331132A
Authority: DE
Inventors: Christian 7031 Holzgerlingen Hentschel; Wolfgang 7000 Stuttgart Schmid
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1985-02-07
Also published as: JPS6068683A; JPH0348674B2; US4872080A

Description

rend der Ein- und Ausschaltephasen erreicht.

Anspruch 5 betrifft eine Ausgestaltung von Anspruch 4.

Nach Anspruch 6 wird eine nicht ausreichende Speisespannung mit geringem Schaltungsaufwand erkannt, so daß die gesamte Schutzschaltung räumlich sehr klein ausgeführt, leicht integriert und unter Umständen direkt im Gehäuse des Halberleiterlasers angebracht werden kann. Dadurch wird ein noch zuverlässigerer Schutz erreicht, weil Leitungswege und unter Umständen Steckverbindungen entfallen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schutzschaltung;

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die schaltungstechnische Ausführung der Schutzschaltung gemäß F i g. 1;

Fig.3 zeigt eine weitere Ausformung der Schutzschaltung aus F i g. 2.

In F i g. 1 ist ein Halbleiterlaser 1 optisch an eine Lichtleitfaser 8 für das Übertragen von Lichtsignalen und ebenfalls an einen Meßwandler 3 zum Nachweis der abgestrahlten Lichtleistung angekoppelt. Eine Stromgeberschaltung 2 mit einer Treiberschaltung 9, die aus einer Speisespannungsquelle 6 gespeist wird, versorgt den Halbleiterlaser mit dem für das Erzeugen des Laserlichtes erforderlichen Anregungsstrom, dessen Größe gegebenenfalls durch eine in der Stromgeberschaltung enthaltene Regelschaltung 7 bestimmt werden kann. Die Regelschaltung kann beispielsweise über einen Strahlteiler 10 mit einem Teil der vom Laser ausgehenden Strahlung angesteuert werden und für einen beliebigen Gleichlicht- oder Wechsellichtbetrieb ausgelegt sein.

Mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Halbleiterlaser 1 und Treiberschaltung 9 verbunden ist eine dem Halbleiterlaser 1 parallel geschaltete Stromableitschaltung 5, die von einer mit dem Meßwandler 3 und der Spannungsquelle 6 verbundenen Begrenzerschaltung 4 ein stufenlos variables Steuersignal aufnimmt.

Die mit dem Anregungsstrom ansteigende Lichtleistung des Halbleiterlasers 1 wird durch den Meßwandler 3 in ein dazu proportionales Signal umgewandelt, das durch die Begrenzerschaltung 4 mit einem Höchstwert verglichen wird, der einer maximal zulässigen abgestrahlten Lichtleistung entspricht. Bei Erreichen dieses Höchstwertes wird die Stromableitschaltung 5 kontrolliert angesteuert, so daß sie einen zunehmenden Anteil des Anregungsstromes aufnimmt und die vom Halbleiterlaser 1 abgestrahlte Lichtleistung nicht weiter ansteigt. Diese unabhängige absolute Leistungsbegrenzung schützt den Halbleiterlaser, falls durch einen Fehler in der Stromgeberschaltung 2 ein zu hoher Anregungsstrom auftritt.

Ein Beispiel für die schaltungstechnische Ausführung der Schutzschaltung gemäß F i g. 1 ist in F i g. 2 dargestellt. Die Schaltung ist sehr einfach aufgebaut und enthält lediglich zwei Transistoren, zwei Widerstände und eine Diode. Der Laserdiode LD als Stromableitschaltung parallelgeschaltet ist der als Emitterfolger betriebene Transistor Ti, dessen Basis über den Widerstand RT mit Masse verbunden ist, während der Kollektor direkt an Masse liegt und der Emitter mit dem Verbindungspunkt der Laserdiode LD und der Treiberschaltung 9 verbunden ist.

Der zum Transistor 7*1 komplementäre Transistor T2 ist mit seinem Kollektor mit der im vorliegenden Beispiel negativen Speisespannung UB für die Treiberschaltung 9 verbunden. Zwischen Basis und Kollektor von T2 befindet sich ein Meßwiderstand RD, und der Emitter von T2 ist mit der Basis von Ti verbunden, so daß T2 ebenfalls als Emitterfolger betrieben wird.

Die von der Rückseite der Laserdiode LD abgestrahlte Lichtleistung fällt auf eine im selben Gehäuse montierte Photodiode PD, die mit dem zwischen Basis und Kollektor des Transistors T2 angeschlossenen Meßwiderstand RD verbunden ist. Die Photodiode PD ist in Sperrichtung vorgespannt, so daß bei Belichtung ein Photostrom iPH über den Widerstand RD fließt.

Bei der maximal zulässigen abgestrahlten Lichtleistung entsteht an der Laserdiode der Spannungsabfall UL, der am Emitter von Ti auftritt, und die Photodiode PD erzeugt einen entsprechenden maximalen Photostrom iPHmax. Der Widerstand RD wird nun zum Erzielen der Begrenzerwirkung nach der Formel

RD =

UB-UL iPHmax

dimensioniert.
Strahlt der Laser mit geringer Leistung, so ist iPH kleiner als iPHmax und die Spannung Ui an der Basis von T2 negativer als UL. Diese Spannung wird über den Emitterfolger T2 an die Basis von Ti übertragen, wobei sie um eine Basis-Emitter-Flußspannung angehoben wird. Da Ui negativer als UL ist, bleibt aber die zwischen der Basis und dem Emitter von Ti anliegende Spannung geringer als die zum Durchschalten des Transistors erforderliche Basis-Emitter-Flußspannung. Der durch 7*1 fließende Strom /5 ist demnach praktisch gleich Null, der Abschalttransistor greift also nicht ein.

Übersteigt der Photostrom iPH den maximal zulässigen Wert iPHmaXj so wird entsprechend der Wahl von RD die Spannung Ui größer als UL. Dadurch wird wiederum Ti leitend und übernimmt einen Teil iS des Anregungsstromes, so daß der durch den Halbleiterlaser fließende Stromanteil iL=iE—iS auf den maximal zulässigen Wert begrenzt wird.

Die Schutzschaltung spricht sehr schnell an, da sie aus zwei Emitterfolgern (Ti, T2) besteht, denen prinzipiell eine hohe Grenzfrequenz zu eigen ist. Die einzige für das Verhalten der Schaltung wesentliche dominante Zeitkonstante tDOM wird durch den Meßwiderstand RD und die in F i g. 2 angedeutete parasitäre Kapazität CP bestimmt. Die Kapazität CP ist aus den parasitären Kapazitäten der einzelnen am entsprechenden Punkt miteinander verbundenen Schaltelemente zusammengesetzt. Da nur eine dominante Zeitkonstante vorhanden ist, zeigt die Schaltung keine Schwingneigung. Ein typischer Wert für die dominante Zeitkonstante tDOM wäre

tDOM= RD χ CP= 1 kQ χ 5 pF=5 ns,

wodurch für die gesamte Schutzschaltung eine Ansprechzeit von typisch 11 ns erreicht würde. Dieser Wert kann durch eine höhere Vorspannung der Photodiode PD oder eine Verkleinerung von RD noch verbessert werden.

Durch die Antiparallelschaltung der komplementären Transistoren T1 und T2 kompensieren sich deren temperaturabhängige Basis-Emitter-Spannungen. Werden die Laserdiode LD und die Photodiode PD durch ein geregeltes Peltier-Element auf konstanter Temperatur gehalten, was eine bekannte Schaltungsmaßnahme ist,

so sind sämtliche Größen in Gleichung (1) in erster Näherung temperaturunabhängig. Bei nicht temperaturgeregelter Laserdiode LD und Photodiode PD kann deren Temperaturgang ausgeglichen werden, indem der Meßwiderstand RD durch prinzipiell bekannte Schaltungsmaßnahmen temperaturabhängig erzeugt wird.

Die Schutzschaltung gemäß F i g. 2 schützt auch während der Ein- und Ausschaltephasen der Speisespannung den Laser vor einer Überlastung, weil sie bereits bei geringen Betriebsspannungen arbeitet. Gemäß der in Kennlinie typischer Laserdioden ist eine Mindest-Flußspannung an der Laserdiode von etwa 2 V erforderlich, um einen wesentlichen Stromfluß zu bewirken. An der Treiberschaltung muß üblicherweise ebenfalls eine Spannungsdifferenz von mindestens 1 V vorliegen, ehe ein wesentlicher Strom fließen kann. Vom Einschaltzeitpunkt an bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Speisespannung etwa 3 V beträgt, ist also der Halberleiterlaser nicht gefährdet. Diese Spannung reicht aber schon völlig für den Betrieb der Schutzschaltung aus. Während ^o der gesamten weiteren Einschaltphase und während des entsprechenden Teils der Ausschaltphase ist die Schutzschaltung aktiv, so daß auch während dieser Zeiträume auftretende Ein- und Ausschwingvorgänge oder Defekte der Stromgeberschaltung den Halbleiterlaser nicht zerstören können.

Gleichung (1) kann nach dem Photostrom umgestellt werden und lautet dann

._.. UB - UL _ηΛ

lPHmax = — . (2) ^M

RIj

Hieraus ist ersichtlich, daß bei geringeren Speisespannungen UB die Begrenzerwirkung bei kleineren Photoströmen iPHmax und damit auch bei kleineren Lichtleistungen einsetzt, als dies bei voller Speisespannung der Fall ist. Die Schutzschaltung erlaubt also erst dann die volle Aussteuerung des Halbleiterlasers, wenn die volle Speisespannung erreicht ist.

Es ist auch eine Ausführung gemäß F i g. 3 möglich. bei der die Schutzschaltung ihre Betriebsspannung über die Zenerdiode Z und den Vorwiderstand RZ aus der Speisespannungsquelle bezieht. Solange die Speisespannung geringer ist als die Zenerspannung UZ der " Zenerdiode. hegt der Kollektor von Tl über RZ auf Masse, so daß Tl gesperrt und dementsprechend Ti voll durchgeschaltet,ist. weil der erforderliche Basisstrom für Π über den Widerstand RT fließen kann. Während des entsprechenden Teils der Ein- und Ausschaltphase ist also die Laserdiode völlig abgeschaltet und kann nicht zerstört werden. Bei Speisespannungen über der Zenerspannung arbeitet die Schaltung in der vorher beschriebenen Weise, wenn der Widerstand RD nach der Formel

_RD =

iPHmax

dimensioniert wird, wobei UH die dann am Kollektor von 7" 2 auftretende Spannung UH= UB- UZ ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 bensdauer oder sogar einer Zerstörung durch zu hohe Patentansprüche: Feldstärken an den beiden Laserspiegeln, d. h. durch zu hohe abgegebene Lichtleistung zu schützen. Zu hohe

1. Schutzschaltung für einen Halbleiterlaser (1), Lichtleistungen entstehen durch zu hohe Anregungsder durch eine Stromgeberschaltung (2) mit dem An- 5 ströme.

regungsstrom für das Erzeugen von Laserlicht ver- Bei einer bekannten Schutzschaltung dieser Art für sorgt wird, mit einem Meßwandler (3) zum Nachwei- einen Halbleiterlaser (DE-PS 29 11 858) wird ein abgesen der vom Halbleiterlaser abgestrahlten Lichtlei- zweigter Teil des Laserlichtes mit einer Photodiode in stung und mit einer mit dem Meßwandler zusam- einen zur auftreffenden Lichtleistung proportionalen menwirkenden Begrenzerschaltung (4) zum Begren- 10 Photostrom umgesetzt, der zur Regelung des Halbleizen der abgestrahlten Lichtleistung auf einen vorge- terlasers eingesetzt wird. Der Photostrom wird als Istgebenen Höchstwert, dadurch gekenn- wert am Summationspunkt eines nichtinvertierenden zeichnet, daß dem Halbleiterlaser eine Stromab- Regelverstärkers von einem als Sollwert vorgegebenen leitschaltung (5) parallel geschaltet ist, die ein Steu- Strom abgezogen, so daß ein dem Regelverstärker ersignal von der Begrenzerschaltung aufnimmt und 15 nachgeschalteter Treiber den Anregungsstrom durch dementsprechend den überschüssigen Anregungs- den Halbleiterlaser erhöht, wenn der Sollwert den Iststrom unter Begrenzung der abgestrahlten Lichtlei- wert übersteigt und umgekehrt den Anregungsstrom stung vom Halbleiterlaser (1) ableitet, wenn der vor- erniedrigt, wenn der Sollwert unter dem Istwert liegt, gegebene Höchstwert der Lichtleistung erreicht ist. Ein Schutz gegen eine fehlerhafte Sollwertvorgabe wird

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 dadurch erreicht, daß ein Transistor einen zusätzlichen kennzeichnet, daß die Stromableitschaltung (5) ein Strom vom Summationspunkt abzieht, wenn der durch als Emitterfolger geschalteter Transistor (Ti) ist, den Photostrom an einem Widerstand hervorgerufene dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt von La- Spannungsabfall eine vorgegebene Höchstgrenze überserdiode (1) und Stromgeberschaltung (2) verbunden steigt, die einer maximal zulässigen Lichtleistung entist, dessen Kollektor direkt mit Masse verbunden ist 25 spricht. Das täuscht eine Erhöhung der Lichtleistung und dessen Basis über einen Widerstand (RT) mit vor, so daß über den Regelverstärker und den Treiber Masse verbunden ist. der Anregungsstrom des Halbleiterlasers begrenzt und

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, bei der der ggf. herabgesetzt wird.

Meßwandler eine Photodiode (PD) ist, deren Strom Bei der bekannten Schutzschaltung ist es jedoch mögüber einen Meßwiderstand (RD) fließt, dadurch ge- 30 lieh, daß der Halbleiterlaser durch einen Fehler des Rekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung einen als gelverstärkers überlastet wird. Auch können in den Ein-Emitterfolger geschalteten, zum ersten Transistor und Ausschaltephasen des Gerätes die Versorgungskomplementären zweiten Transistor (T2) enthält, spannungen unterschiedlich schnell ihren Endwert erzwischen dessen Basis und Kollektor der durch den reichen und den Regelverstärker zu Einschwingvorgän-Strom der Photodiode (PD) erzeugte Spannungsab- 35 gen mit begleitenden unkontrollierten Überströmen anfall am Meßwiderstand (RD) auftritt, und dessen regen. Weil der bereits erwähnte Zerstörungsmechanis-Emitter mit der Basis des ersten Transistors (Ti) mus bei Halbleiterlasern nicht thermischer, sondern verbunden ist. elektrischer Natur ist und Laserdioden Bandbreiten bis

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge- in den Gigahertzbereich besitzen, genügen Zeiten von kennzeichnet, daß die Stromableitschaltung (5) den 40 einigen Nanosekunden, um sie zu beschädigen.
Anregungsstrom ganz vom Halbleiterlaser (1) ablei- Gegenüber dem dargelegten Stand der Technik wird tet, wenn das Steuersignal gleich Null ist, und daß die durch das Kennzeichen von Anspruch 1 bei einer Begrenzerschaltung (4) zusätzlich die Speisespan- Schutzschaltung nach dem Oberbegriff die Aufgabe genung der Stromgeberschaltung (2) mit einer Min- löst, einen Halbleiterlaser vor unkontrollierten Überdestspannung vergleicht und nur dann ein von Null 45 strömen zu schützen, die durch Fehler in der Stromgeverschiedenes Steuersignal an die Stromableitschal- berschaltung entstehen.

tung (5) abgibt, wenn die Speisespannung ihrem Be- Die Stromableitschaltung nach Anspruch 1 kann ein

trag nach größer als die Mindestspannung ist. gemäß Anspruch 2 als Emitterfolger geschalteter Tran-

5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch ge- sistor sein, der bei Abwesenheit eines von Null verschiekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung (4) ihre 50 denen Steuersignales an seiner Basis ständig durchge-Betriebsspannung über einen Schwellwertschalter schaltet ist und dementsprechend den gesamten Anre- (Z) aus der Speisespannungsquelle der Stromgeber- gungsstrom ableitet. Diese Schaltung schützt auch noch schaltung erhält, und daß der Schwellwertschalter bei einem Kurzschluß des Meßwandlers nach Masse (Z) die Betriebsspannung der Begrenzerschaltung den Halbleiterlaser vor einer Überlastung und ist durch (4) abschaltet, wenn und solange die Speisespannung 55 ihre Einfachheit sicherlich wesentlich zuverlässiger als der Stromgeberschaltung ihrem Betrag nach kleiner die aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung, bei als die Mindestspannung ist. der die Schutzwirkung nur dann gewährleistet ist, wenn

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch ge- der Stromverstärker, der Regelverstärker und der Treikennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (Z) eine bertransistor korrekt arbeiten.

Zenerdiode ist. 60 Wird die Begrenzerschaltung gemäß Anspruch 3

ebenfalls als Emitterfolger ausgestaltet, so erreicht man

eine Ansprechzeit der Schutzschaltung unter 20 ns, so

daß der Halbleiterlaser auch gegen kurzzeitige bzw. hochfrequente Überlastströme geschützt ist. Durch die

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen 65 komplementären Transistoren wird die Ansprechgren-Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. ze der Schutzschaltung gegen temperaturbedingte Derartige Schaltungen werden eingesetzt, um Halblei- Schwankungen kompensiert,
terlaser (Laserdioden) vor einer Verkürzung der Le- Nach Anspruch 4 wird ein verbesserter Schutz wäh-