ITMI950450A1 - Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore - Google Patents
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Abstract
Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevato che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore comprendente, in combinazione tra loro, un'unità di controllo, un'unità per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi che riceve un segnale dall'unità di controllo e che genera energia elettrica, un'unità comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo che riceve un segnale dall'unità di controllo ed emette un segnale laser di attivazione a bassa potenza, un'unità monolitica a semiconduttore comprendente mezzi d'accumulo dell'energia elettrica ed attivata dal segnale laser per convertire l'energia accumulata in un impulso di corrente elevato, ed un sistema laser a potenza elevata che converte l'impulso di corrente elevata ricevuto dall'unità monolitica a semiconduttore in un impulso ottico d'uscita a potenza elevata.
Description
"Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore."
Campo dell1invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore e più precisamente ad un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore capace di generare gli impulsi laser con elevata potenza di picco ed elevata frequenza di ripetizione degli impulsi (PRF) con durata d’impulso di pochi nanosecondi e che amplia in modo significativo la capacità del dispositivo di controllo per laser a semiconduttore.
Descrizione della tecnica anteriore
Nella Domanda di Brevetto coreana No. 94-2144 depositata dal Richiedente è già stato proposto un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato, compatto, ad elevata frequenza di ripetizione degli impulsi e potenza elevata. Tale dispositivo di controllo utilizza una struttura a micrcstriscia ad impedenza non uniforme come condensatore d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente come commutatore a potenza elevata. Tale utilizzazione porta ad un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore con elevate prestazioni, estremamente compatto e molto efficiente. In tale schema, la durata dell'impulso d'uscita del laser a semiconduttore a potenza elevata è determinata dal tempo di transito dell'onda che muove nelle due direzioni (two-way wave) nel mezzo d'accumulo dell'energia, in particolare nella struttura a microstriscia ad impedenza non uniforme. In una condizione operativa ideale, la durata dell'impulso d’uscita del laser a semiconduttore a potenza elevata è circa eguale al tempo di transito dell'onda che muove nelle due direzioni nel mezzo d'accumulo dell'energia. Perciò, se il mezzo d'accumulo dell'energia diventa più piccolo la durata dell'impulso di uscita della luce laser diviene breve.
L'uso della struttura a microstriscia ad impedenza non uniforme come condensatore d'accumulo dell'energia e di un commutatore a semiconduttore attivato otticamente come commutatore a potenza elevata costituisce un mezzo molto efficace per generare impulsi laser con elevata potenza di picco, elevata frequenza di ripetizione degli impulsi e durata di alcuni nanosecondi. Tuttavia, per ragioni pratiche come sicurezza della vista, distanza utile, precisione e comunicazioni dati ad alta velocità è molto desiderabile generare impulsi laser con elevata potenza di picco e durata brevissima. Perciò, per generare la luce laser a potenza elevata con durata d'impulso breve è necessario ridurre la lunghezza fisica del mezzo d'accumulo dell'energia. Ma quando la lunghezza fisica del mezzo d'accumulo dell'energia diventa molto piccola, gli effetti dell'induttanza e della capacità parassite sulle prestazioni del circuito diventano molto seri. Di conseguenza, si può avere un serio peggioramento dei tempi di salita e di discesa e dell’ampiezza dell'impulso.
Riducendo semplicemente la lunghezza fisica del mezzo d'accumulo dell'energia non si possono quindi produrre impulsi di corrente elevata con durata inferiore a pochi nanosecondi. E' necessario minimizzare sia l'induttanza parassita sia la capacità parassita ai punti d'interconnessione.
Sommario dell'invenzione
Costituisce perciò uno scopo dell'invenzione fornire un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore atto ad eliminare la resistenza e la capacità parassite ai punti d’interconnessione tra un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente, generando in tal modo impulsi laser d'uscita a potenza elevata con durata estremamente breve e tempi di salita e di discesa veloci con frequenza di ripetizione degli impulsi elevata, estendendo in modo significativo la capacità del dispositivo di controllo per laser a semiconduttore.
Secondo la presente invenzione, tale scopo può essere raggiunto mediante un dispositivo di controllo per laser semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore che comprende un mezzo d'accumulo dell'energia per accumularvi energia elettrica ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente per convertire un'energia elettrostatica caricata capacitivamente in un impulso di corrente elevata quando attivato dalla luce ricevuta da mezzi comprendenti una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo, detto mezzo d'accumulo dell'energia e detto commutatore a semiconduttore essendo entrambi integrati in un singolo substrato semiconduttore .
Breve descrizione delle figure
Altri scopi ed aspetti dell’invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di forme preferite di realizzazione con riferimento alle figure allegate, dove:
- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore realizzato secondo la presente invenzione;
- le figure 2a e 2b mostrano un dispositivo monolitico a semiconduttore attivato otticamente, che comprende un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore verticale attivato otticamente secondo la presente invenzione, dove
la figura 2a mostra una vista dall'alto del dispositivo monolitico a semiconduttore, e
la figura 2b mostra una sezione trasversale fatta secondo la linea A-A' di figura 2a;
- le figure 3a e 3b mostrano un altro dispositivo monolitico a semiconduttore attivato otticamente, che comprende un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore laterale attivato otticamente secondo la presente invenzione, dove
la figura 3a mostra una vista dall’alto del dispositivo monolitico a semiconduttore, e
la figura 3b mostra una sezione trasversale fatta secondo la linea B-B' di figura 3a;
- le figure da 4a a 4c mostrano forme d’onda che illustrano rispettivamente le sequenze grafiche del flusso d'energia del dispositivo di controllo per laser a semiconduttore secondo la presente invenzione.
Descrizione dettagliata delle forme di realizzazione preferite. La figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato a potenza elevata realizzato secondo la presente invenzione- Come illustrato in figura 1, il dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato comprende un'unità di controllo 100, un'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi, un'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo, un'unità monolitica a semiconduttore attivata otticamente 400 ed un sistema laser a potenza elevata 500.
L'unità di controllo 100 controlla un segnale introdotto da uno stadio d'ingresso ed invia il segnale controllato all'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi. L'unità di controllo 100 invia inoltre un segnale all'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo.
L'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi regola 1'energia elettrica primaria prelevata dalla rete di alimentazione in corrente alternata oppure da batteria dal segnale inviato dall'unità di controllo 100 ed invia parte dell’energia all'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo. L'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi invia inoltre parte dell'energia all'unità monolitica a semiconduttore attivata otticamente 400.
L'unità 300, comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo, serve ad attivare l'energia elettrica primaria ricevuta dal'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi ed emette perciò luce laser ottica di bassa o media potenza per l'unità monolitica a semiconduttore 400.
L'unità monolitica a semiconduttore 400 comprende un mezzo d'accumulo dell'energia per accumularvi energia elettrica ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente per convertire l'energia elettrostatica caricata capacitivamente nell'impulso di corrente elevata quando è attivato dalla luce laser ricevuta dall'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo. Le funzioni del mezzo d'accumulo dell'energia e del commutatore a semiconduttore sono integrate in un singolo substrato semiconduttore.
Il sistema laser a potenza elevata 500 emette l'impulso di corrente elevata che viene convertito nell'unità monolitica a semiconduttore attivata otticamente 400 in un impulso ottico a potenza elevata.
Mediante il segnale inviato dall’unità di controllo 100, l'energia elettrica primaria, prelevata dalla rete di alimentazione in corrente alternata oppure da una batteria, viene regolata e poi usata per caricare capacitivamente il mezzo d'accumulo dell'energia, ad esempio un condensatore, del dispositivo monolitico a semiconduttore 400. Quando la luce ottica proveniente dall’unità 300 (comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo) è introdotta nel commutatore attivato otticamente, l'energia elettrostatica caricata capacitivamente si trasforma nell’impulso di corrente elevata da inviare al sistema laser a potenza elevata 500. Di conseguenza, il sistema laser a potenza elevata 500 emette l'impulso ottico a potenza elevata.
Le figure da 2a a 3b mostrano dispositivi monolitici a semiconduttore attivati otticamente secondo la presente invenzione; le figure da 4a a 4c mostrano forme d'onda che illustrano rispettivamente le sequenze grafiche del flusso d'energia del dispositivo di controllo per laser a semiconduttore secondo la presente invenzione.
Secondo la presente invenzione, il dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato utilizza i dispositivi monolitici a semiconduttore illustrati nelle figure 2a e 2b, rispettivamente nelle figure 3a e 3b , dove le funzioni del condensatore d'accumulo dell'energia e del commutatore attivato otticamente sono combinate in un singolo substrato a semiconduttore. Il dispositivo monolitico attivato otticamente mostrato nelle figure 2a e 2b comprende un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore verticale avente una struttura a microstriscia non uniforme a forma di ventaglio oppure una struttura a microstriscia non uniforme a forma di striscia concentrica. In particolare, la struttura del commutatore verticale consente di estendere la geometria di un dispositivo monolitico che incorpora la struttura del commutatore verticale in una forma circolare finita.
Analogamente, il dispositivo monolitico attivato otticamente mostrato nelle figure 3a e 3b comprende un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore laterale.
Il mezzo d'accumulo dell'energia viene creato metallizzando degli elettrodi su entrambi i lati del substrato semiconduttore. Il mezzo d'accumulo dell'energia mostrato nelle figure 2a e 2b ha una struttura n-i-p. La capacità del condensatore monolitico d'accumulo dell'energia può essere espressa dalla seguente equazione
dove €Q è la permettività del materiale, €p è la costante dielettrica del materiale dielettrico, A è l’area dell'elettrodo e d è lo spessore del dispositivo. La durata attesa dell’impulso laser uscente dal dispositivo monolitico può essere espressa dalla seguente equazione
[secondi] dove t è il tempo di transito di un'onda unidirezionale nel mezzo d'accumulo dell'energia e L è la lunghezza dell'elettrodo tra il bordo interno e quello esterno del mezzo d'accumulo dell’energia. I commutatori a semiconduttore attivati dal laser a semiconduttore possono essere sia un commutatore verticale n-i-p, mostrato in figura 2b , sia un commutatore laterale n-i-p, mostrato in figura 3b.
Per un dispositivo monolitico a semiconduttore attivato otticamente con un commutatore verticale n-i-p, l'impulso ottico di attivazione viene introdotto in un'area attiva attraverso un foro aperto nello strato di tipo n. Un dispositivo monolitico a semiconduttore con un commutatore laterale n-i-p può essere invece attivato illuminando il commutatore sia dall'alto sia dal basso.
L'azione del dispositivo di controllo inizia fornendo l'istruzione operativa all'unità di controllo 100 che avvia una sequenza di azioni. Per prima cosa viene attivata l'unità 200 per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi. La potenza primaria prelevata dalla rete di alimentazione in corrente alternata oppure da una batteria viene regolata ed usata per caricare ad impulsi il condensatore che costituisce il mezzo d' accumulo dell' energia dell'unità monolitica a semiconduttore attivata otticamente 400.
Quando la tensione di polarizzazione ad impulsi raggiunge la tensione di picco , il circuito di controllo del laser a semiconduttore di attivazione dell 'unità 300 comprendente una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo genera un impulso ottico di attivazione con tempo di salita molto veloce a frequenza di ripetizione degli impulsi molto elevata. Allora, l' impulso ottico di attivazione generato viene introdotto nel commutatore a semiconduttore dell ' unità monolitica a semiconduttore 400.
Quando una luce ottica d’ attivazione è penetrata nell ' area attiva del commutatore a semiconduttore , i suoi fotoni generano un numero di coppie elettrone-lacuna sufficiente a far cambiare lo stato del commutatore da completamente aperto (non conduttore) a completamente chiuso ( conduttore) . Quando il commutatore è attivato , l ' energia elettrostatica accumulata nell ' unità monolitica a semiconduttore 400 diventa un' onda progressiva e perviene al sistema laser a potenza elevata 500 sotto forma di un impulso di corrente elevata. La successione di eventi del flusso di energia è mostrata nelle figure 4a, 4b e 4c.
Come risulta dalla precedente descrizione, la presente invenzione fornisce un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore a potenza elevata che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore ottenuto integrando in un singolo substrato semiconduttore un mezzo d ' accumulo dell ' energia ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente. Utilizzando un dispositivo monolitico a semiconduttore di tale tipo , il dispositivo di controllo per laser oggetto della presente invenzione è atto ad eliminare la resistenza e la capacità parassite ai punti d ’ interconnessione , anche se il circuito impiega componenti discreti . Il dispositivo di controllo per laser è inoltre atto a generare impulsi laser d'uscita a potenza elevata con durata brevissima e tempi di salita a di discesa veloci con frequenza di ripetizione degli impulsi molto elevata. Inoltre, integrando in un singolo substrato semiconduttore le funzioni del mezzo d' accumulo dell'energia e del commutatore si amplia signicativamente la capacità del dispositivo di controllo per laser. Un dispositivo di controllo per laser che utilizza un dispositivo monolitico a semiconduttore attivato otticamente si traduce perciò in un dispositivo di controllo per laser a semiconduttore impulsato molto efficiente, estremamente compatto e poco pesante . Benché le forme di realizzazione preferite dell ' invenzione siano state descritte a puro titolo d' esempio, un tecnico del ramo può rilevare che sono possibili varie modifiche, aggiunte e sostituzioni senza uscire dallo scopo e dallo spirito del trovato, quali risultano dalle rivendicazioni allegate
Claims (6)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore comprendente mezzi di controllo per controllare un segnale di controllo d 'ingresso; mezzi per regolare la potenza elettrica e caricare ad impulsi per ricevere detto segnale di controllo controllato in detti mezzi di controllo e generare un'energia elettrica; mezzi comprendenti una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo per ricevere un segnale di controllo dai mezzi di controllo e generare una luce ottica di attivazione a bassa potenza; mezzi monolitici a semiconduttore attivati otticamente per convertire l'energia elettrica caricata capacitivamente in un'onda progressiva ed in un impulso di corrente elevata quando sono attivati otticamente da detta luce ottica di attivazione emessa da detti mezzi comprendenti una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo; ed un sistema laser a potenza elevata per convertire detto impulso di corrente elevata ricevuto da detti mezzi monolitici a semiconduttore attivati otticamente in un impulso ottico a potenza elevata da emettere.
- 2. Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 1, dove detti mezzi monolitici a semiconduttore attivati otticamente comprendono un mezzo d'accumulo dell'energia per accumularvi energia elettrica ed un commutatore a semiconduttore attivato otticamente per convertire un'energia elettrostatica caricata capacitivamente in un impulso di corrente elevata quando è attivato da detta luce ricevuta da detti mezzi comprendenti una sorgente di luce di attivazione e mezzi di controllo, detto mezzo d'accumulo dell'energia e detto commutatore a semiconduttore essendo entrambi integrati in un singolo substrato semiconduttore.
- 3- Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 1, dove detti mezzi monolitici a semiconduttore attivati otticamente comprendono un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore verticale attivato otticamente, integrati entrambi in un singolo substrato a semiconduttore.
- 4. Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 1, dove detti mezzi monolitici a semiconduttore attivati otticamente comprendono un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore laterale attivato otticamente, integrati entrambi in un singolo substrato a semiconduttore.
- 5. Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 1, dove detti mezzi monolitici a semiconduttore attivati otticamente comprendono un mezzo d'accumulo dell'energia ed un commutatore a semiconduttore verticale attivato otticamente avente una struttura a microstriscia non uniforme a forma di ventaglio oppure di striscia concentrica.
- 6. Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 3. dove detto mezzo d'accumulo dell'energia comprende elettrodi metallizzati disposti su entrambi i lati di detto substrato semiconduttore per formare una struttura n-i-p. 7- Dispositivo di controllo per laser a semiconduttore come alla rivendicazione 3.dove detta struttura n-i-p del mezzo d'accumulo dell'energia è di tipo verticale oppure di tipo laterale. (COG/lm)
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