PL223883B1

PL223883B1 - Method for shaping the current pulse of laser diode

Info

Publication number: PL223883B1
Application number: PL407137A
Authority: PL
Inventors: Maria Michalska; Marcin Mamajek; Wiesław Pichola; Jacek Świderski
Original assignee: Wojskowa Akad Tech
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2016-11-30
Also published as: PL407137A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób formowania kształtu impulsu prądowego diody laserowej, zwłaszcza jednomodowej diody laserowej używanej jako generator zadający do wzmacniacza światłowodowego za pomocą sterownika prądowego.The present invention relates to a method for forming the shape of a current pulse of a laser diode, in particular a single-mode laser diode used as a reference generator for a fiber optic amplifier by means of a current driver.

Zgłaszany wynalazek kwalifikowany jest w dziedzinie elektronika.The submitted invention is qualified in the field of electronics.

Możliwość regulacji kształtu impulsu optycznego generowanego przez diodę laserową jest istotnym zagadnieniem w laserowych układach światłowodowych, w których jednomodowa dioda półprzewodnikowa jest używana jako generator zadający do wzmacniacza światłowodowego. Układ tego typu może być stosowany jako źródło promieniowania do dalmierzy laserowych, monitoringu atmosfery w radarach optycznych lub do obróbki materiałów. Możliwość swobodnej regulacji kształtu impulsu optycznego (modulacji) znajduje również zastosowanie w telekomunikacji - w przesyłaniu informacji i jej kodowaniu.The ability to adjust the shape of the optical pulse generated by the laser diode is an important issue in fiber optic laser systems where a single-mode semiconductor diode is used as a reference generator for the fiber amplifier. This type of system can be used as a radiation source for laser rangefinders, atmosphere monitoring in optical radars or for material processing. The possibility of free adjustment of the shape of the optical pulse (modulation) is also used in telecommunications - in the transmission of information and its encoding.

Znane są dwa podstawowe sposoby sterowania impulsowych diod laserowych umożliwiające zmianę kształtu impulsu optycznego. Pierwszy z nich to modulacja bezpośrednia, w której zmiana natężenia prądu sterującego diodę laserową, powoduje modulację sygnału optycznego. Natomiast druga metoda to modulacja zewnętrzna, która polega na pracy diody laserowej w trybie ciągłym (CW) oraz zastosowaniu zewnętrznego modulatora elektrooptycznego.There are two basic methods of controlling pulsed laser diodes that enable changing the shape of the optical pulse. The first one is direct modulation, in which the change of the intensity of the current driving the laser diode causes modulation of the optical signal. On the other hand, the second method is external modulation, which consists in continuous operation of the laser diode (CW) and the use of an external electro-optical modulator.

Znany jest sposób formowania kształtu impulsu prądowego diody laserowej, będący przykładem modulacji bezpośredniej, za pomocą generatora funkcji arbitralnych, czyli źródła sygnału elektrycznego o regulowanych parametrach czasowo-częstotliwościowych oraz amplitudzie wytwarzanego napięcia, opisany w artykule pod tytułem „Adaptive pulse shape control in a diode-seeded nanosecond fiber MOPA system, opublikowanym w Opt. Express 14 (23), 10996-11001,2006, którego autorami są Vu K. T., Malinowski A., Richardson D. J., Ghiringhelli F., Hickey L., Zervas M. N.There is a known method of forming the current pulse shape of a laser diode, which is an example of direct modulation, using an arbitrary function generator, i.e. an electric signal source with adjustable time-frequency parameters and the amplitude of the generated voltage, described in the article entitled "Adaptive pulse shape control in a diode- seeded nanosecond fiber MOPA system, published in Opt. Express 14 (23), 10996-11001,2006, whose authors are Vu K. T., Malinowski A., Richardson D. J., Ghiringhelli F., Hickey L., Zervas M. N.

Znany jest sposób formowania kształtu prostokątnego impulsu prądowego diody laserowej za pomocą sterownika prądowego poprzez włączanie i wyłączanie prądu płynącego przez diodę. St erownik wytwarza impulsy prostokątne o regulowanej amplitudzie prądu w każdym z dwu połączonych równolegle kanałów. Amplitudę prądu obydwu kanałów jednocześnie ustala się poprzez zmianę napięcia na wejściu sterującym oraz poprzez dobór wartości rezystancji rezystorów w obwodzie polaryzacji tranzystorów znajdujących się w obu kanałach. Włączenie poszczególnych kanałów następuje poprzez doprowadzenie do wejść sterujących impulsów prostokątnych o amplitudzie równej napięciu zasilania, co powoduje przepływ prądu przez diodę laserową.It is known to form the rectangular shape of a current pulse of a laser diode with a current driver by switching the current flowing through the diode on and off. The controller generates rectangular pulses with adjustable amplitude of current in each of the two channels connected in parallel. The current amplitude of both channels is set simultaneously by changing the voltage at the control input and by selecting the resistance value of the resistors in the bias circuit of the transistors in both channels. The individual channels are switched on by supplying the control inputs with rectangular pulses with an amplitude equal to the supply voltage, which causes the current to flow through the laser diode.

Celem wynalazku jest stworzenie rozwiązania umożliwiającego generację impulsów prądowych, do sterowania diody laserowej, o kształcie zadawanym przez użytkownika.The aim of the invention is to create a solution enabling the generation of current pulses for the control of a laser diode with a shape set by the user.

Sposób formowania kształtu impulsu prądowego diody laserowej 1 za pomocą sterownika prądowego 2, zbudowanego z dwóch kanałów z elementami aktywnymi w postaci tranzystorów, gdzie prąd przepływający przez diodę laserową jest sumą prądów z obu kanałów, charakteryzuje się tym, że klucze 15 i 16 sterownika prądowego zamykane są poprzez podanie napięcia stałego o wartości równej napięciu zasilania 7 na wejścia sterujące 5 i 6, a sygnał napięciowy z generatora funkcji arbitra lnych 9 podany przez wejście 8 na bramki tranzystorów 3 i 4 formuje kształt impulsu prądowego diody laserowej 1 włączonej pomiędzy dreny obu tranzystorów 13 i źródło zasilania 7.The method of forming the shape of the current pulse of the laser diode 1 using a current driver 2, built of two channels with active elements in the form of transistors, where the current flowing through the laser diode is the sum of the currents from both channels, is characterized in that the keys 15 and 16 of the current driver are closed are by applying a direct voltage equal to the supply voltage 7 to the control inputs 5 and 6, and the voltage signal from the arbitrary function generator 9 given by the input 8 to the gates of transistors 3 and 4 forms the shape of the current pulse of the laser diode 1 connected between the drains of both transistors 13 and power source 7.

Korzystnie, gdy źródła tranzystorów 10, 11 w obu kanałach sterownika prądowego połączone są bezpośrednio z masą układu 12. Szeregowo z diodą laserową 1 zostaje podłączony rezystor 14, który ogranicza natężenie prądu płynącego przez diodę i umożliwia jego pomiar. Podłączenie punktów 10 i 11 bezpośrednio do masy powoduje zwiększenie szybkości pracy układu i umożliwia gener ację impulsów o czasie trwania od pojedynczych nanosekund do sygnału ciągłego (CW). Wartość prądu w trakcie trwania impulsu zależy od wartości chwilowego napięcia przekazywanego z generatora funkcji arbitralnych 9 na wejście 8 sterownika prądowego. W ten sposób, w punkcie 13 możliwe jest uzyskanie impulsów prądowych nie tylko prostokątnych, ale o dowolnym, nawet bardzo skomplikowanym kształcie, zależnym od kształtu impulsu napięciowego generatora funkcji arbitralnych. Dioda laserowa 1 generuje impulsy optyczne o kształcie odpowiadającym kształtowi impulsów prądowych.Preferably, the sources of the transistors 10, 11 in both current driver channels are connected directly to the ground of the circuit 12. A resistor 14 is connected in series with the laser diode 1, which limits the current flowing through the diode and enables its measurement. Connecting points 10 and 11 directly to the ground increases the speed of the system and enables the generation of pulses with a duration from single nanoseconds to a continuous signal (CW). The value of the current during the pulse duration depends on the value of the instantaneous voltage transferred from the arbitrary function generator 9 to the input 8 of the current controller. In this way, at point 13 it is possible to obtain current pulses not only rectangular, but of any, even very complicated shape, depending on the shape of the voltage pulse of the arbitrary function generator. The laser diode 1 generates optical pulses with a shape corresponding to the shape of the current pulses.

Sposób według wynalazku, w przykładzie realizacji jest bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia sposób podłączenia sterownika prądowego, w celu formowania kształtu impulsów prądowych diody laserowej.The method according to the invention, in an exemplary embodiment, is explained in more detail with reference to the drawing, in which Fig. 1 shows the method of connecting a current controller for forming the shape of the current pulses of the laser diode.

Według zgłoszonego wynalazku dokonano formowania kształtu impulsów prądowych jednomodowej diody laserowej generującej promieniowanie o długości fali 1550 nm. Szeregowo z diodą lasePL 223 883 B1 rową 1 został podłączony rezystor 14 o rezystancji 20 Ω. Do układu sterownika prądowego podłączono także generator funkcji arbitralnych (AFG) 9 o szerokości pasma częstotliwości równej 240 MHz, szybkości próbkowania 2GS/s i amplitudzie napięcia wyjściowego regulowanej w zakresie ±5 V. Na wejścia sterujące 5 i 6 podano napięcie stałe o wartości napięcia zasilania równej +6 V. Podłączenie napięcia stałego na wejścia 5 i 6 powoduje zamknięcie kluczy 15, 16 i przepływ przez diodę laserową 1 prądu o natężeniu ustalonym przez wartość napięcia podawanego z generatora. Z generatora AFG na wejście 8 z częstotliwością powtarzania równą 100 kHz podano sygnał napięciowy U(t) opisany następującą funkcją U(t) = U_oexp ( gdzie U₀ = 1,2 V, t = 60 ns, t₀ = 300 ns. Na wyjściu sterownika prądowego, w punkcie 13 uzyskano impulsy prądowe generowane z częstotliwością 100 kHz, o czasie trwania równym 141 ns (określonym na połowie wysokości maksymalnej amplitudy), kształcie odpowiadającym funkcji napięcia wyjściowego z generatora AFG oraz wartości szczytowej natężenia prądu 135 mA.According to the invention, the shape of the current pulses of a single-mode laser diode generating radiation with a wavelength of 1550 nm was formed. A resistor 14 with a resistance of 20 Ω was connected in series with the laser diode 1. An arbitrary function generator (AFG) 9 with a frequency band of 240 MHz, a sampling rate of 2GS / s and an output voltage amplitude adjustable in the range of ± 5 V was also connected to the current driver. +6 V. Connecting DC voltage to inputs 5 and 6 closes the keys 15, 16 and the current flow through the laser diode 1 of the intensity determined by the value of the voltage supplied from the generator. From the AFG generator to input 8 with a repetition frequency of 100 kHz, a voltage signal U (t) was given, described by the following function U (t) = U _o exp (where U ₀ = 1.2 V, t = 60 ns, t ₀ = 300 ns At the output of the current controller, at point 13, current pulses generated at 100 kHz were obtained, with a duration of 141 ns (determined at half the height of the maximum amplitude), shape corresponding to a function of the output voltage from the AFG generator and the peak current value of 135 mA.

Claims

1. The method of forming the shape of the current pulse of a laser diode by means of a current driver consisting of two channels with active elements in the form of transistors, where the current flowing through the laser diode is the sum of the currents from both channels, characterized in that the keys (15) and (16) of the driver current (2) are closed by applying a direct voltage equal to the supply voltage (7) to the control inputs (5) and (6), and the voltage signal from the arbitrary function generator (9) by input 10 (8) to the transistor gates ( 3) and (4) form the shape of the current pulse of the laser diode (1) connected between the drains of both transistors (13) and the power source (7).

The method of forming the shape of the current pulse of a laser diode according to claim 1, characterized in that the sources of the transistors (10), (11) in both channels of the current driver (2) are connected directly to the ground of the circuit (12).