JP2619661B2 - レーザーパルス発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、パルスレーザーダイオードを用いて光パ
ルス波の発生する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

こうした装置において、例えば、10W程度の出力の光
パルスを得るには、従来は、例えば、浜松ホトニクス株
式会社発行「高出力パルスレーザダイオードL2376シリ
ーズ」カタログなどに示されているように、第３図Ａの
ように、LC分布型パルス成形回路２を組み合わせたSCR
（サイリスタ素子）１にトリガー信号を与えて得られる
パルス電流を用いてパルスレーザーダイオード３の発振
を行なわせるか、または第３図Ｂのように、LC分布型パ
ルス成形回路２を組み合わせたリレースイッチ４にトリ
ガー信号を与えて得られるパルス電流をパルスレーザー
ダイオード３に与えることにより光パルスを発生させて
いた。

そして、発生するパルスの立ち上がり時間を速くし、
パルス幅をせまくするためには、起動性のよいSCRを用
い、電源電圧VHとパルス成形回路２の構成とをそれに対
応して適切に条件付けるなどの方法がとられている。

しかし、この方法では、第３図Ｃのように、立上り時
間T1も、また、パルス幅T2も、せいぜい、50nS（ナノ
秒）程度、のものしか得られていない。

また、特開昭55−27750、特開昭56−140686にアバラ
ンシェトランジスターを用いたパルス発生手段が開示さ
れている。これらのパルス発生手段は高圧を各アバラン
シェトランジスターに均等化するため各アバランシェト
ランジスターに並列に接続された抵抗をさらに直列に接
続している。また、特開昭55−27750においては、複数
のアバランシェトランジスターに同時に入力を与えるた
めの光ファイバを設けている。特開昭56−140686におい
ては、大半のアバランシェトランジスターに同時に入力
を与えるトランスを設けている。このため、特開昭55−
27750、特開昭56−140686のパルス発生手段には各アバ
ランシェトランジスターに並列に抵抗を接続した回路の
浮遊容量が存在する。さらに、複数のアバランシェトラ
ンジスターに同時に入力を与えるため回路構成が複雑に
なっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一方、パルスレーザーダイオードにパルス電流を与え
て、レーザー・パルスを発振させこれを用いる計測技術
の分野では、例えば、反射計測などの場合、さらに、も
う１桁短い5nS程度の光パルスを発生する装置及び、光
パルスの立上りを鋭くする装置の出現が期待されている
という問題点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記のパルスレーザーダイオードに与え
るパルス電流の発生回路を、アバランシェ効果を有する
トランジスター（この発明において、アバランシェトラ
ンジスターという）を用いて、さらに高圧を各アバラン
シェトランジスターに均等化するための抵抗を装着せず
に、またアバランシェトランジスターを駆動する信号を
複数のアバランシェトランジスターに同時に入力するこ
となく構成することにより、光パルスの立上り時間の急
峻化を可能にし、当該アバランシェトランジスターを並
列接続することにより、パルスレーザーダイオードの内
部インピーダンスに近付けて光パルスの出力を増大する
ことを可能にしたものである。

なお、アバランシェ効果の起こす原理については、例
えば、昭和54年３月オーム社発行電子通信ハンドブック
530頁に記載されている。

〔実施例〕

以下、実施例を図面により説明する。

第１図Ａにおいて、パルスレーザーダイオード11は、
例えば、上記のL2326シリーズのパルスレーザーダイオ
ードであり、それに接続した後記の駆動回路ブロック10
1によりパルス電流が与えられて、光パルスの出力信号S
10の立上り時間T1とパルス幅T2とを、それぞれ5nS程度
にした出力約10Wの光パルスを20〜40μＳの繰返周期T3
で発生するようにしたものであり、各部の信号波形は第
２図Ａのようになっている。

駆動回路ブロック101の駆動端子21には、第２図Ａの
クロック信号S1のような周期20〜40μＳの矩形波パルス
が与えられており、クロック信号S1は微分回路22によっ
て、その始縁時点の短時間分を切り取った形にパルス化
され、これを微分信号S2として出力する。

微分信号S2は、パルスレーザーダイオード11に与える
パルス電流を発生する後記の回路の動作トリガー信号に
相当する。

微分回路22は、例えば、DC電源V1によって動作するSN
74128型ICのインバーター素子D101〜103・AND素子D104
などの組み合わせによって構成された周知の微分回路で
ある。

結合回路23は、微分信号S2によって初段駆動回路24を
駆動するための結合回路であり、後続のアバランシェト
ランジスターTR201のベース・エミッター間入力（入力
インピーダンス２〜５Ωとして設定）に結合するための
トランスT101、例えば、１対１の巻線比の超高周波トラ
ンスと、微分回路22の出力回路のインピーダンス50Ωに
対する負荷保護抵抗R101とを直列接続したものである。

トランスT101の巻数は、１次・２次間の分布容量結合
によるパルス波形への悪影響をさけるため、１回巻程度
のものとするのが望ましい。

初段駆動回路24は、アバランシェ効果を起こさせるの
に十分な電圧のDC電源V2をCR時定数をもつ給電回路を介
して給電する構成のアバランシェトランジスターTR201
によるパルス発生回路である。

アバランシェトランジスターTR201は、例えば、株式
会社日立製作所製の2SC454型（シリコンNPNエピタキシ
アル形）トランジスターであり、１次給電回路を構成す
る可変抵抗R201とコンデンサーC201とは、可変抵抗R201
の調整により、アバランシェ動作が安定に行なえる電圧
値に分圧調整するとともに、安定蓄積するための回路を
形成しており、例えば、抵抗R201の抵抗値とコンデンサ
ーC201の容量とによる時定数を繰返周期T3の10倍程度に
してある。

抵抗R202とコンデンサーC202は、発生する駆動パルス
信号S3のパルス幅T5を作り出すための時定数給電回路を
形成するものであり、このパルス幅T5は後続の次段駆動
回路25によるパルス発生を支障させないように、出力信
号S10のパルス幅T2よりも狭い幅、例えば、約1/2程度の
幅にしてあり、抵抗R202の抵抗値とコンデンサーC202の
容量値とによる時定数をそれに対応するように選定する
とともに、駆動パルス信号S3の立上り時間T4がアバラン
シェトランジスターTR201の導通時の内部抵抗値とコン
デンサーC202の容量を主体にして決まることを考慮して
各値を選定してある。

抵抗R203は、アバランシェトランジスターTR201の出
力側負荷整合用の抵抗であり、後続の次段駆動回路25の
入力インピーダンスに整合させている。

抵抗R203は、インダクタンス成分によるパルス波形へ
の悪影響をさけるため、短小固体型の無誘導抵抗器を用
いるのが望ましい。

次段駆動回路25は、複数のアバランシェトランジスタ
ーを直列接続した直列型パルス発生回路25Aを複数列設
けて並列接続した直並列型のパルス発生回路を、駆動パ
ルス信号S3によって駆動して、パルスレーザーダイオー
ド11に光パルスを発生させるためのパルス電流となる駆
動信号S4を発生するように構成した回路である。

直列型パルス発生回路25Aは、直列された各素子に同
時にアバランシェ効果を起こさせるのに十分なDC電源V3
をCR時定数をもつ給電回路を介して給電する構成の直列
接続アバランシェトランジスターTR301〜TR304によるパ
ルス発生回路である。

アバランシェトランジスターTR301〜304は、例えば、
前記のアバランシェトランジスターTR201と同一のアバ
ランシェトランジスターであり、入力回路と出力回路が
設けられる側に配置したアバランシェトランジスターTR
304だけが、ベース・エミッター間入力回路が設けてあ
り、それより給電側に配置したアバランシェトランジス
ターTR301〜303は、すべてベース・エミッター間を短絡
したダイオード接続型にしてある。

これらのダイオード接続型にされた部分のアバランシ
ェトランジスターTR301〜303は、アバランシェ効果が同
時に円滑に行なわれるようにするために、コレクター・
エミッター間にμＡオーダー程度の漏洩電流が流れるよ
うな特性をもつものを選択する方が安定にパルス発生動
作を行ないやすい。

トランスT301は、前記のトランスT101と同様の超高周
波用トランスであり、アバランシェトランジスターTR30
4のベース・エミッター間入力（入力インピーダンス約
２〜５Ωとして設定）に駆動パルス信号S3を与えるため
の整合トランスであり、直列型パルス発生回路25Aの並
列数によって、その巻線比が異なってくるが、この場合
の８列による並列構成において、３対１の巻線比にして
ある。

トランスT301の巻数は、１次・２次間の分布容量結合
によるパルス波形への悪影響をさけるため、最小巻数側
を１回巻程度のものとするのが望ましい。

抵抗R301とコンデンサーC301とは、前記の抵抗R202と
コンデンサーC202による時定数給電回路と同様の役目を
果たす回路であるが、この場合は、抵抗R301の抵抗値と
コンデンサーC301とによる時定数が駆動信号S4のパルス
幅T7を作り出すように選定するとともに、トリガー信号
S4の立上り時間T6がアバランシェトランジスターTR301
〜304の導通時の内部抵抗値とコンデンサーC301の容量
を主体にして決まることを考慮して各値を選定してあ
る。

また、コンデンサーC302は、DC電源V3の回路に対する
デカップル用バイパスコンデンサーであり、DC電源V3の
回路インピーダンスに対してデカップル作用を果たせる
ような適宜の容量値に選定すればよく、また、設置数も
直列型パルス発生回路25Aごとに設けず、適宜に集約的
に配置してもよい。

各直列型パルス発生回路の出力回路側に配置した各ア
バランシェトランジスターTR304の各エミッターの出力
側は、すべて１つに接続され、各エミッターからの出力
電流は合流して駆動信号S4になり、パルスレーザーダイ
オード11のパルス電流印加電極に駆動パルス電流として
与えられるように構成してある。

DC電源V2とDC電源V3の電圧は、それぞれ、アバランシ
ェトランジスターにアバランシェ効果を起こさせるのに
十分な電圧に設定してあり、DC電源V3の電圧調整は、負
荷側の電流容量が大きいので、可変電圧型のスイッチン
グレギュレーター（図示せず）によって行なうようにし
てある。

なお、第１図Ａの実施例の実験セットにおける各部の
数値は、図中に示したとおりであるが、目的に応じて、
適宜変更できることは言うまでもない。

〔変形実施〕

この発明は次のような変形実施が可能である。

（１）微分回路22を、他の回路構成によるもので出力振
幅が安定して得られるもの、例えば、CR微分回路を安定
動作化したものによって構成する。

（２）パルスレーザーダイオード11に駆動信号４を与え
る構成を、第１図Ｂのように、パルスレーザーダイオー
ド11をコンデンサーC301のアース側とアース間に配置し
て構成する。

（３）パルスレーザーダイオード11に駆動信号４を与え
る構成を、第１図Ｃのように、アバランシェトランジス
ターTR301のコレクターとコンデンサーC301の分岐点と
の間に配置して構成する。

（４）小出力の光パルスを発生する目的の場合、初段駆
動回路23の出力電流をパルスレーザーダイオード11に与
えるようにし、抵抗R202とコンデンサーC202による時定
数を出力信号10に対応した値に設定する。

この構成により、前記（２）項の構成を行なうとき
は、DC電源V2がパルスレーザーダイオード11を介して与
えられるように構成する。

（５）次段駆動回路を１列の直列型パルス発生回路25A
だけで構成する。

（６）直列型パルス発生回路25Aのアバランシェトラン
ジスターの直列数を少なくし、または、増加して構成す
る。

（７）初段駆動回路24と次段駆動回路25とのパルス波形
の生成に直接寄与する時定数素子の値、つまり、抵抗R2
02・コンデンサーC202と抵抗R301・コンデンサーC301の
値を変更するなどにより、出力信号S10の立上り時間T1
を上記と同程度に短くし、パルス幅T2を上記よりも広く
した光パルスを得る構成にする。

この場合、パルス幅T2に対する周期T3の比率が、パル
スレーザーダイオード11の破損限界以下の実働率（デュ
ーティ・レシォー）になるように設定しなければならな
いことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

この発明によれば、上記のように、時定数給電回路付
きのアバランシェトランジスターによるパルス発生回路
を用いさらに高圧を各アバランシェトランジスターに均
等化するための抵抗を装着せず、パルスレーザーダイオ
ードに印加するパルス電流を得る構成にしてあるため、
パルスレーザーダイオードの動作時の内部インピーダン
スに対する整合と出力の増大とを、アバランシェトラン
ジスターを直列並列接続するだけの簡単な構成ででき
る。また、アバランシェトランジスターを駆動する信号
を複数のアバランシェトランジスターに同時に入力する
ことなく構成することにより、回路構成を複雑にするこ
となく極めて簡素に構成できる。さらに、市販価格の非
常に安い素子（ちなみに、2SC454型トランジスターの価
格は50円／個程度である。）のみで作ることができるの
で、立上がり時間とパルス幅のごく短い光パルスおよび
その出力が10W程度におよぶ比較的出力の大きい光パル
ス発生装置を、極めて軽便安価に提供することができる
などの特長がある。

【図面の簡単な説明】

図面は実施例を示し、第１図Ａは回路構成図、第１図Ｂ
・第１図Ｃは要部回路構成図、第２図Ａ・第３図Ｃは要
部信号波形図、第３図Ａ・第３図Ｂは従来の回路構成図
である。 １……SCR ２……LC分布型パルス成形回路 ３……パルスレーザーダイオード ４……リレースイッチ 11……パルスレーザーダイオード 21……駆動端子 22……微分回路 23……結合回路 24……初段駆動回路 25……次段駆動回路 101……駆動回路ブロック V1・V2・V3……DC電源

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−35494（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−46172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−140686（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−27750（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−50457（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のアバランシェトランジスタを直列接
   続した回路によって得られる立上がり時間が急峻でパル
   ス幅の狭いパルス信号をレーザーダイオードに与えるこ
   とにより光パルスを発生するレーザーパルス発生装置で
   あって、 a.前記複数のアバランシェトランジスタのうちの前記直
   列接続の一端側に配置した前記アバランシェトランジス
   タを除く、他のアバランシェトランジスタのベースとエ
   ミッタの間を他の回路素子を介在させることなく直接的
   に接続するとともに、前記一端側に配置した前記アバラ
   ンシェトランジスタのベースとエミッタとの間に前記複
   数のアバランシェトランジスタを駆動するための駆動パ
   ルス信号を与えるベース・エミッタ間回路手段と、 b,前記複数のアバランシェトランジスタの各前記アバラ
   ンシェトランジスタのコレクタ・エミッタ間には他の回
   路素子を接続することなく、また、前記複数のアバラン
   シェトランジスタのうちの前記直列接続の両端側に配置
   した前記アバランシェトランジスタを除く、他の前記ア
   バランシェトランジスタのコレクタと隣接する前記アバ
   ランシェトランジスタのエミッタとの間を他の回路素子
   を介在させることなく直接的に接続するコレクタ・エミ
   ッタ間回路手段と、 c,前記複数のアバランシェトランジスタのうちの前記直
   列接続の両端側に配置したアバランシェトランジスタの
   うちの一方のアバランシェトランジスタのエミッタ側ま
   たはコレクタ側に前記レーザーダイオードを接続するレ
   ーザーダイオード接続手段と を具備することを特徴とするレーザーパルス発生装置。
2. 【請求項２】前記複数のアバランシェトランジスタを直
   列接続した回路の複数列を並列に接続するとともに、前
   記複数列のそれぞれに対して、前記コレクタ・エミッタ
   間回路手段を備え、前記複数列のそれぞれにおける前記
   複数のアバランシェトランジスタのうちの前記直列接続
   の両端側に配置したアバランシェトランジスタのうちの
   １つのアバランシェトランジスタのエミッタ側またはコ
   レクタ側を前記レーザーダイオードを接続する前記レー
   ザーダイオード接続手段を備える特許請求の範囲第１項
   記載のレーザーパルス発生装置。
3. 【請求項３】前記複数のアバランシェトランジスタとは
   別個に設けたアバランシェトランジスタによって得られ
   るパルス信号を前記駆動パルス信号とした前記コレクタ
   ・エミッタ間回路手段を備える特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項のいずれかに記載のレーザーパルス発生装
   置。