KR970003745B1 - 반도체 레이저 드라이버 - Google Patents

Abstract

요약없슴

Description

반도체 레이저 드라이버

제1도는 본 발명이 적용되는 반도체 레이저 드라이버의 제어블럭도.

제2도는 본 발명 광활성 반도체 스위치수단의 구성도.

(a)는 A-A선 단면도.

(b)는 B-B선 단면도.

제3도는 본 발명에 적용되는 트리거광원 및 구동수단의 구성도로서,

제4도는 본 발명 에너지 저장수단, 광활성반도체 스위치, 정합 임피던스 그리고 레이저 어레이에 대한 블럭도.

제5도는 본 발명 반도체 레이저 드라이버의 에너지 흐름을 나타낸 파형도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 제어수단200 : 전력조건 및 충전펄스수단

300 : 에너지저장수단400 : 트리거광 및 구동수단

500 : 광활성반도체스위치수단600 : 고출력레이저에레이

1,2,3 : 전극.

본 발명은 반도체 레이저 드라이버에 관한 것으로, 특히 광학적으로 동작하는 반도체 레이저 드라이버에 있어서, 고출력 및 초협역펄스폭을 갖는 광펄스를 출력할 수 있도록 한 반도체 레이저 드라이버에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 레이저 드라이버는 근본적으로 회로저항이 크므로 이저항이 큰 레이저드라이버를 저항이 낮은 반도체레이저와 결합할때, 두개의 전기회로 사이에 저항이 크게 차이가 나게 되고, 이로인하여 레이저드라이버에서 규제된 전기에너지가 반도체 레이저를 작동하려 할때 대부분 전기에너지가 광에너지로 바뀌는데 쓰여지지 못하고 레이저 드라이버에서 열로 손실된다.

따라서 고출력 반도체 레이저 드라이버가 작동하기 위해서는 일정량 이상의 전기에너지가 반도체 레이저 드라이버에 공급되어야 한다.

그러므로 상기 레이저 드라이버의 용량은 레이저 드라이버에서 열로서 손실이 예상된 에너지와 레이저를 작동하기에 필요한 에너지를 감안하여서 구성하여야 하는 바, 종래의 레이저 드라이버의 경우 손실된 에너지가 커질수록 레이저 드라이버의 용량은 급격히 커지게 되어 레이저 드라이버가 아주 크고 무겁게 될뿐만 아니라, 레이저 드라이버의 반복주파수, 진동폭 및 진동상승시간에 악영향을 미치게 되는 문제점을 가지게 되었다.

따라서 본 출원인이 선 출원한 출원번호(94-2144) 고출력, 고PRF, 컴팩트한 레이저 다이오드 드라이버에서는 고출력이 가능하면서도 컴팩트한 신규의 고출력 펄스형 레이저다이오드 구동장치를 설명한 바 있다.

이는 캐패시터로서 균일하지 않은 임피던스 스트립라인을 이용함에 따라 효율이 높은 레이저 다이오드 구동회로가 얻어지게 된다.

또한, 조화된 임피던스조건에서는 균일하지 않은 임피던스 스트립라인구조의 2방향파 천이사간이 고출력레이저의 출력펄스의 펄스폭이 된다.

따라서, 에너지저장 캐패시터를 적절히 설계하면, 단지 수 나노초(nanosecond)의 펄스폭을 갖는 레이저 출력펄스가 얻어지게 된다.

그러나, 레이저 출력펄스는 눈의 안전, 유효거리, 정확도, 고속데이타통신과 같은 이유때문에 수 나노초보다도 훨씬 작은 펄스폭을 갖는 고출력레이저펄스를 발생시키는 것이 아주 바람직하다.

상기 수 나노초의 펄스폭을 갖는 고출력의 레이저펄스를 발생시키기 위해서는 에너지저장 캐패시터로서 비균일 임피던스 스트립라인구조를 이용하는 것이 매우 효과적이다.

이상적인 작동조건에서는 비균일 스트립라인구조에서 얻어지는 최단의 출력레이저 펄스폭은 동일 에너지저장 캐패시터에 있어서의 2방향파 천이시간과 대체로 동일하다. 따라서 비균일 임피던스 스트립라인의 길이가 감소함에 따라 레이저출력펄스의 펄스폭은 좁아지게 된다.

이에 따라, 에너지저장 캐패시터의 물리적인 길이를 동일 캐패시터의 2방향파 천이시간이 수 나노초가 될때까지 단순히 감소시키게 되면, 수 나노초의 펄스폭을 갖는 출력광펄스가 얻어지게 된다.

그러나, 수 나노초미만의 펄스폭을 갖는 출력레이저펄스의 발생은 그렇게 쉽지만은 않다.

단순히 에너지저장 캐패시터의 물리적인 길이를 작게하는 것만으로는 초협역의 펄스폭을 얻을 수 없다. 이것이 한계이다.

초협역의 펄스폭(수 나노초미만의 펄스폭)에 대한 요건으로서 스트립라인을 너무 과도하게 작게 하면, 정전용량이 너무 작게 되어 에너지저장 캐패시터에 필요한 정전에너지를 저장할 수 없게 된다.

따라서, 새로운 기술의 개발이 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 반도체 레이저 드라이버에 광학적으로 동작되는 3단자형 반도체스위치를 구비하여 상기 3단자형 반도체스위치의 동작에 따라 고출력 및 초협역의 펄스폭을 갖는 레이저 광펄스를 출력할 수 있도록 하는 반도체 레이저 드라이버를 제공하고자 하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 입력되는 작동신호를 제어하는 제어수단과, 상기 제어수단에서 제어된 동작신호를 받아 전기에너지를 출력시키는 전력조건 및 충전펄스수단과, 상기 전력조건 및 충전 펄스수단으로부터 출력되는 전기에너지를 받아 저장하는 에너지 저장수단과, 상기 에너지저장수단에서 전기에너지가 저장되었을때 저출력의 레이저광을 발생하는 트리거광원 및 구동수단과, 상기 트리거광원 및 구동수단으로 부터 발생된 레이저광이 저장된 전기에너지를 고전류펄스로 변환시키는 광활성 반도체 스위치수단과, 상기 광활성 반도체 스위치수단으로 부터 전달되는 고전류펄스를 고출력 광펄스로 변환출력시키는 고출력 레이저로 구성되는 반도체 레이저드라이버에 있어서, 상기 광활성 반도체 스위치수단은 광전달 매체인 섬유광학 두개의피그테일(pig tail)을 갖는 트리거광원 및 구동수단으로 부터 들어오는 두개의 광펄스에 의해 트리거되는 3개의 전극으로 이루어지는 3단자형 반도체스위치로 구성하여서 된것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명 반도체 레이저 드라이버의 제어블럭도로서, 제어수단(100)은 입력단으로 부터 들어오는 신호를 제어하고 제어된 신호를 전력조건 및 충전펄스수단(200)에 출력하고 또한 트리거광원 및 구동수단(400)에 신호를 출력하게 된다.

상기 전력조건 및 충전펄스수단(200)은 상기 제어수단(100)으로 부터의 신호에 의하여 AC전원선 또는 밧데리로 부터 유도된 주전기에너지를 제어한후 소정의 에너지를 에너지 저장수단(300)에 출력하고 또한 소정의 에너지를 트리거광원 및 구동수단(400)에 출력하게 된다.

상기 에너지저장수단(300)은 저 임피던스와 일정하지 않은 스트립라인 구조의 캐패시터로 구성되면 상기 전력조건 및 충전펄스수단(200)에서 출력되는 에너지를 저장하게 된다.

상기 트리거광원 및 구동수단(400)은 두개의 섬유광학 피그테일을 갖는 중간 또는 약간 높은 출력의 레이저다이오드로 구성되어 상기 에너지저장수단(300)에서 에너지저장이 완료되는 시점에서 상기 제어수단 (100)으로 제어신호 입력시 트리거광원이 구동하면서 저 또는 중간 출력의 레이저광을 출력하게 된다.

상기 광활성 반도체 스위치수단(500)은 3개의 전극으로 이루어지는 3단자형 반도체스위치를 구성되어 상기 트리거광원 및 구동수단(400)으로 부터 레이저광에 의하여 스위칭 되면서 상기 에너지저장수단(300)에 저장된 정전에너지를 고전류임펄스로 변환 출력하게 된다.

상기 고출력 레이저 어레이(600)는 상기 광활성 반도체 스위치 수단(500)에서 변환된 고전류임펄스를 고출력 광펄스로 출력하게 된다.

따라서 제어수단(100)으로부터의 신호에 의하여 AC전원선 또는 밧데리로 부터 유도된 주전기에너지가 제어된 후 에너지 저장 수단(300)에 충전하는데 사용된다. 상기 트리거 광원 및 구동수단(400)의 두개의 섬유광학피그테일(pigtail)에 의해 전달되는 트리거 광원으로부터의 광이 광학적으로 동작되는 광활성반도체 스위치수단(500)내로 도입됨에 따라, 충전된 정전에너지가 고전류 임펄스로 변환된다.

이때 트리거광원 및 구동수단(400)에 의한 출력레이저광의 펄스폭은 연속적으로 트리거되는 두 광펄스간의 시간간격(δt)에 의해 결정되게 된다. 특히, 저 임피던스 에너지 저장커패시터와 저출력(또는 중간출력)레이저 다이오드로 트리거되는 3단자형 반도체스위치를 성공적으로 조합하면 고 PRF에서 초협역의 펄스폭을 갖는 고 피크출력 광펄스로 발생할 수 있는 컴팩트 펄스형 레이저 다이오드 구동장치가 얻어지게 된다.

제2도는 본 발명 광활성 반도체 스위치수단의 구성도로서, 광활성 반도체 스위치수단은 제2(a)도, 2(b)도 및 2(c)도에 도시한 3단자형 스위치로 구성된다.

상기 3단자형 스위치는 3개의 전극, 즉, 전극(1), 전극(2) 및 전극(3)으로 구성되어 있다. 전극(1)과 (2)에 의해 구성되는 제1스위치는 제2(b)도에 도시된 바와 같이 p-i-n구조를 가지고 있다.

이들 스위치의 주 기능은 레이저광펄스에 의해 고 출력레이저레이로의 전기에너지의 흐름기간을 제어하는 것이다. 초기(트리거되는 레이저광조사가 없는 상태)에, 두 스위치는 개방회로를 유지시킨다(즉, 스위치오프(OFF)상태에 있게 된다.) 이 상태에서 트리거레이저광펄스(충분한 광출력 적절한 파장을 갖는)가 스위치활성영역으로 들어오게 되면, 두 스위치 모두의 조건이 고저항도(스위치 오프)상태로 부터 고전도도(스위치 온(ON)상태로 변화되게 된다(여하튼, 트리거되는 광이 두 전극사이에서 상측으로부터 또는 하측으로부터 연장되는 스위치활성영역으로 들어오게 된다.

그러나, 이들 스위치의 기능은 서로 아주 다르다. 즉, 레이저광펄스에 의한 제1스위치의 동작은 에너지 저장커패시터로 부터 고출력레이저어레이로의 전기에너지의 흐름을 유발시키거나, 제3(a) 및 제3(b)도에 도시된 제1광펄스에 대해 소정시간만큼 지연된 광펄스에 의해 이루어지는 제2스위치의 동작은 고출력레이저어레이를 가로질려 단락회로를 발생시켜, 고출력레이저어레이로의 에너지의 흐름을 종료시키게 된다. 제3도는 본 발명에 적용되는 트리거광원 및 구동수단의 구성도로서, 제3(a)도 및 3(b)도에 도시된 트리거 레이저광 전달부는 두개의 섬유광학피그테일을 갖는 중간(또는 약간 높은)출력의 레이저다이오드로 구성되어 있다. 상기 트리거 레이저다이오드로부터 발생되는 광펄스는 두 섬유광학피그테일에 접속되게 된다. 제3(a)에 도시된 두 섬유광학피그테일간의 물리적인 길이차(δL)에 의해 제3(b)도에 도시된 연속된 두 광펄스간에 시간간격(δt)가 존재하게 된다. 섬유광케이블의 길이(L)와 이 케이블내를 통과하는 광펄스통과시간간의 관계는 다음과 같은 수학적인 공식으로 나타낼 수 있다.

(1)

여기서, L은 섬유광케이블의 길이(cm)이고, ε_r은 섬유광케이블의 코어매체의 유전상수이다.

따라서, 부가적인 섬유광케이블의 길이(δL)와 연관된 시간간격(δt)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

그러므로 물리적인 길이차(δL)가 감소함에 따라, 연속되는 두 광펄스간의 시간간격(δt)이 짧아지게 되며, 이에 따라 고출력레이저펄스의 초협역의 펄스폭이 얻어지게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다. 동작명령을 제어수단(100)에 전송하여 동작순서를 개시함에 의해 구동장치의 동작이 시작된다.

먼저 출력조건 및 충전펄스수단(200)이 구동되어 AC출력라인 또는 밧데리로 부터의 주출력이 제어되어 에너지저장수단(300)의 커패시터를 펄스충전시키는데 사용된다. 이때, 에너지저장수단(300)의 캐패시터에 펄스바이어스 전압은 피크전압에 도달되면, 제어수단(100)의 제어신호에 의하여 제3(a)도 및 제3(b)도에 도시된 바와같이 트리거광원 및 구동수단(400)이 구동된다. 이때 트리거광원 및 구동수단(400)은 매우 높은 PRF에서 신속한 상승시간의 광펄스를 발생시킨다. 발생된 광펄스는 섬유광학피그테일에 접속되어, 그 섬유광학피그테일을 통해 전달되며 광활성 반도체 스위치수단(500)을 동작시키기 위해 사용된다. 일단 트리거광이 반도체 스위치수단(500)활성영역내로 침투하게 되면, 트리거 광은 충분한 갯수의 광자발생 정공쌍을 발생시키게 되고, 이에 따라 스위치의 상태는 완전한 개방상태(비도통상태)로 부터 완전한 폐쇄상(도통상태)로 전환된다.

전극(1),(2)로 구성되는 제1스위치가 트리거거 광펄스(섬유광 케이블길이(L)를 통해 전송된)에 의해 온(ON)이되면 커패시터에 저장된 정전에너지는 고출력 레이저 어레이(600)로 흐르게 된다. 제1스위치가 온상태로 되자마자, 제2(c)도에 도시된 바와 같이 광활성반도체수단(500)의 전극(2),(3)으로 구성되는 제2스위치가 트리거광펄스(섬유광케이블길이(L+δL)을 통해 전송되는)에 의해 온상태로 되어, 고출력 레이저 어레이를 가로지는 단락채널을 형성시키게 된다.

일단 단락회로가 형성되게 되면, 고출력레이저어레이로의 전기에너지의 흐름은 바로 종료되게 된다.

심한 임피던스부정합이 발생된 경우에는, 출력레이저광의 펄스폭이 넓어지게 되어, 그의 하강시간이 느려지게 되는데, 이는 주로 심하게 부정합된 임피던스에 의해 초래되는 통과파의 다중반사에 기인한다. 그러나, 정합이 잘된 임피던스의 경우에는 출력레이저광의 펄스폭은 대체로 에너지저장수단(300)의 커패시터의 2방향파에 해당하게 된다.

제4도는 본 발명 에너지 저장수단과, 광활성반도체 스위치, 정합 임피던스 그리고 레이저 어레이에 대한 블럭도 이고, 제5도는 레이저 드라이버의 에너지흐름을 나타낸 파형도로서, 먼저, 제4도에 도시된 에너지 저장수단(300)은 제5도에 도시된 전압V으로 역펄스바이어스 되며, (펄스바이어스전압 V하에서 제1스위치는 역바이어스 된다) 이때, 제5(b)도에 도시된 제1스위치는 스위치활성영역에 섬유광케이블길이(L)를 통해 트리거광펄스가 조사되어 상기 제1스위치가 온상태로 된다.

제1스위치가 온상태로 되면, 에너지저장수단(300)의 커패시터내에 저장된 정전에너지가 제5(b)도에 도시된 바와 같이 고출력레이저어레이쪽으로 흐르기 시작하게 된다.

제2(c)도에 도시된 제2스위치는 섬유광케이블길이(L+δL)를 통해 전달된 트리거광펄스가 도입됨에 따라 동작되게 되는데, 제2스위치가 동작되자 마자 고출력레이저어레이를 가로질러 단락채널이 발생되고, 이에따라 제5(c)도에 도시된 바와 같이 고출력레이저어레이로의 정전에너지 흐름이 즉시 종료되게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 광학적으로 동작되는 3단자형 반도체스위치의 이용에 따라 고출력레이저어레이로의 에너지 흐름기간을 제어할 수 있게 된다.

두 섬유광학피그테일간의 시간간격(δt)을 적절히 설계하면, 초협역의 펄스폭을 갖는 광펄스가 발생되게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 저(또는 중간)출력의 레이저 다이오드로 부터 신속상승시간 광펄스를 발생시키고 이것을 두 섬유광학피그테일에 접속시켜 트리거광으로 사용함과 동시에 고출력레이저어레이로의 전기에너지 흐름을 제어함으로써, 고REF에서 신속한 상승시간에 고전류 펄스를 발생시킬 수 있게 된다.

본 발명은 균일하지 않은 스트립라인 구조의 기하학적 효과에 따라 임피던스가 매우 낮은 컴팩트한 에너지 저장 커패시터의 설계가 가능하게 된다.

그러므로 저임피던스 캐패시터는 캐패시터로 부터 레이저 어레이로의 에너지 전달중에 발생하는 에너지 손실을 크게 감소시켜 준다.

따라서 고출력 펄스형 레이저 구동장치와 다르게 매우 효율적인 펄스구동장치는 고출력 전원 및 열제거용 팬의 필요성을 배제시켜 준다.

이와같이, 저 임피던스 커패시터를 이용하는 본 발명고출력 펄스형 레이저 드라이버는 효율이 매우 높고, 아주 소형화시킬수 있으며, 아주 경량화 시킬수 있다.

Claims (3)

1. 제어수단, 전력조건 및 충전펄스수단, 에너지저장수단, 트리거광원 및 구동수단, 광활성반도체스위치수단 고출력레이저 어레이로 구성되는 반도체레이저드라이버에 있어서, 상기 광활성 반도체 스위치수단은 전극(1)(2)(3)으로 이루어지는 3단자형 스위치로 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 드라이버.
2. 제1항에 있어서, 상기 광활성 반도체 스위치수단은 전극(1)(2)로 이루어지는데 제1스위치와, 상기 제1스위치의 하나인 전극과 다른 하나의 전극(3)으로 이루어지는 제2스위치로 구성하되, 상기 제1스위치는 n-i-p다이오드로 구성하고, 상기 제2스위치는 p-i-p다이오드로 구성하여서 된 것을 특징으로하는 반도체 레이저 드라이버.
3. 제1항에 있어서, 상기 광활성 반도체 스위치수단은 초기 트리거되는 레이저광조사가 없는 상태에서, 두 스위치는 개방회로를 유지하고, 트리거 레이저광펄스가 스위치활성영역으로 들어오게 되면, 두 스위치 모두의 조건이 고저항도상태로 부터 고전도상태로 변화되게 구성하여서 된것을 특징으로 하는 반도체 레이저 드라이버.