Имитатор лазера помогает избежать разрушения диодов

Лазерные диоды могут разрушиться за несколько наносекунд, поэтому тестирование отклика и стабильности драйвера лазерного диода, стабилизированного обратной связью, может оказаться дорогостоящим занятием. В схеме имитатора на Рисунке 1 показан типичный корпус лазерного диода, который содержит не только диод, управляемый током I_L, но и фотодиод. Из передней грани лазерного диода во внешний мир излучается основной луч, а задняя грань излучает опорный луч, падающий на фотодиод.

Рисунок 1.	Сборка лазерного диода P-типа содержит фотодиодный датчик мощности.

Несмотря на то, что опорный луч значительно слабее основного, его мощность прямо пропорциональна мощности основного луча, как и ток I_P, вырабатываемый фотодиодом. Подключение фотодиода к драйверу лазерного диода через хорошо спроектированный усилитель замыкает петлю обратной связи, которая должна поддерживать мощность основного луча стабильной и постоянной. Самое сложное – обеспечить, чтобы лазерный диод ни при каких условиях не подвергался разрушительной перегрузке.

Вольтамперная характеристика лазерного диода имеет порог, или «излом», ниже которого его излучение становится слабым и некогерентным, также как и фототок IP. Выше излома возникает лазерный эффект, а оптический выход и фототок линейно растут с увеличением тока возбуждения.

Имитатор должен отражать эти характеристики, и схема на Рисунке 2 содержит управляемый напряжением простейший источник тока с порогом. Основанный на p-n-p транзисторе в корпусе TO-92 или E-line и двух резисторах и упакованный в каплю эпоксидной смолы, имитатор заменяет лазерный диод до тех пор, пока работа схемы не станет стабильной. Не составляет труда собрать несколько модулей для эмуляции лазерных диодов с различными параметрами.

Рисунок 2.	Для имитатора лазерного диода нужен всего один транзистор.

Во время работы драйвер лазера потребляет ток I_L и создает на резисторе R₁ падение напряжения V_S. Когда V_S превышает напряжение база-эмиттер (V_BE) транзистора Q₁, транзистор открывается и имитирует фототок I_P, подаваемый в обратную связь схемы управления. По мере увеличения I_L ток I_P увеличивается линейно пропорционально.

В качестве примера конструкции рассмотрим типичный лазерный диод с пороговым током I_TH, равным 10 мА, рабочим током при полной оптической мощности (I_LMAX) 30 мА и фототоком 100 мкА при полной мощности. Это значит, что сопротивление резистора R₁ должно быть равно V_BE/I_TH, или 560 мВ/10 мА, что дает значение 56 Ом. Тогда сопротивление R₂ равно

или приблизительно 11 кОм. Использование для V_BE значения 560 мВ дает наилучшее практическое соотношение между I_L и I_P.

Обратное (инверсное) включение транзистора, то есть перестановка подключений коллектора и эмиттера Q₁, делает пороговый переход более резким примерно на 500 мВ, но уменьшает наклон зависимости I_P от I_L. В этом примере инверсное включение транзистора требует снижения сопротивления резистора R₂ примерно до 7.5 кОм.

Схема с инверсным включением транзистора обеспечивает более резкий порог и, следовательно, более реалистичную модель, хотя для достижения оптимальных характеристик может потребоваться некоторое экспериментирование с номиналами резисторов. В качестве Q₁ можно использовать практически любой биполярный p-n-p транзистор, а уменьшение сопротивления R₂ на 30% позволяет получить величину I_P в пределах 5% от желаемого номинального значения.

Обратите внимание, что параметры лазерных диодов сильно различаются даже в пределах одной партии, поэтому использование резисторов R₁ и R₂ из стандартного ряда номиналов практически не влияет на характеристики. Типичное прямое падение напряжения на лазерных диодах составляет около 2 В, поэтому при полном токе падение напряжения на схеме имитатора не должно быть больше. Кроме того, схема имитатора реагирует медленнее, чем лазерный диод, но, если цепь обратной связи работает еще медленнее, как это обычно и бывает, замедленная реакция имитатора не представляет проблемы.

Для имитации лазерного диода N-типа требуется n-p-n транзистор и противоположное включение. Для более сложных лазерных диодов могут понадобиться более сложные схемы, включающие токовые зеркала и дополнительные связи. При наличии напряжения питания, достаточного для источника тока, можно последовательно с выводом I_L подключить светодиод для визуальной индикации работы схемы. Подключение осциллографа к резистору R₁ позволяет контролировать токи управления и модуляции лазерного диода. (В данном контексте обозначения «N-» и «P-тип» относятся не к легирующим примесям кристалла лазерного диода, а к полярности общего вывода).