книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

1 новных характеристик ДИЛ. Участок отрицательного дифференциального сопротивления можно наблюдать в области малых токов вольт-амперной ха­ рактеристики (рис.2.80). Следует отметить, что при включении диода рабочая точка возвращается к обратному напряжению I Uf I <1 UBI. Это говорит о том,

что для стабильного переключения ДИЛ целесообразно использовать Импульсный режим питания, когда после включения диода импульс напряжения смещения прекращается. Зависимость напряжения включения от частоты повторения импульсов питания, обусловленная конечным временем процессов, - перезаряда глубоких уровней, приведена на рис.2.79. Из нее видно, что при / п =* 3 кГц имеет место максимальное значение £/в, а следовательно, обеспечивается наиболь­ шая амплитуда тока в нагрузке. Для создания генераторов накачки, работающих в широком температурном диапазоне, необходимо сопоставлять влияние температуры на напряжение 1/в (рис.2.80) и на ватт-амперную характеристику полупроводникового лазера (рис.1.15). Сопротивление открытого лавинного диода составляет доли - единицы Ом и зависит от тока, проходящего через него (рис.2.8'1). Принципиальная схема генератора накачки полупроводниковых лазеров с импульсным питанием лавинного диода представлена на рис.2.82 [79].

Рис.2.82. Принципиальная схема генератора накачки с импульсным питанием

с амплитудой 200-250 В, длительностью 250 нс и частотой повторения 0,5-20 кГц. Когда напряжение на накопительной емкости достигает пробивного, откры­ вается лавинный диод VZ)3 и через нагрузку A D t протекает импульс тока.

Как показано в гл.1, для обеспечения эффективной генерации излучения полупроводниковыми квантовыми генераторами при длительностях импульсов накачки т < 15 нс необходимо устранить влияние емкости рп перехода лазера,

форматора блокинг-генератора. Эксперименты показывают, что благодаря смещению мощность излучаемого импульса длительностью ^1 нс повышается в £10 раз. Влияние тока смещения на длительность излучаемых импульсов показано на рис.2.83. Данный эффект связан с наличием порогового уровня накачки.

Обмотки I, И и IV трансформатора Т j содержат соответственно 10,5 и 1 виток Провода ПЭВ-1 0 0,45, а обмотка III - 150 витков провода ПЭЛШО-0,1, намотанных На двух кольцах марки 1000ННИ 10x6x2. Объем генератора 10 см3, масса ~20 г,

141

Рис.2.83. Влияние тока импульсного смещения на длительность излучаемых импульсов при С5 = 560 пФ

Рис.2.84. Зависимость мощности (кривая 2) й длительности (кривая 2)

оптических импульсов от накопительной емкости

Рис.2.85. Изменение излучаемой мощ­ ности в диапазоне температуры окру­ жающей среды при С4 - 200 пФ

он обеспечивает стабильную работу при изменении питающего напряжения от 24 до 30 В. В генераторе используются конденсаторы КМ-5 и КМ-4 (С4), ре­ зисторы МЛТ-0,125. Цепь. C5R SVD4 служит для формирования отрицательных

синхроимпульсов с амплитудой 3 В и длительностью 3 нс, которые совпадают во времени с фронтом излучаемого импульса

Генератор используется для накачки инжекционного лазера с двойным гетеропереходом (пороговый ток 2,5 А). Зависимость мощности и длительности оптических импульсов от величины накопительной емкости С5 (рис.2.84) под­ тверждает возможность излучения сигналов с длительностью т > 0,5 нс. Генера­

напряжения включения (рис.2.80) и соответствующим уменьшением тока накачки. Генераторы накачки на импульсных лавинных диодах с внешним запуском могут выполняться с использованием транзисторного ключа, на выходе которого

142

Рис.2.86. Генератор накачки с питанием лавинного диода от транзисторного

переходом и / пор- 2,5 А

ости фотоприемных устройств, регистрация быстропротекающих процессов) ребуется обеспечить возможность переключения длительности импульсов акачки лазера Однако введение коммутирующих элементов в разрядный онтур невозможно из-за большой амплитуды тока (/„ > 20 А). Кроме того, несение индуктивности в цепь разряда накопительнрй емкости затрудняет армирование коротких импульсов и вызывает нежелательный колебательный арактер напряжения на лавинном диоде. В этом случае (рис.2.86,6) следует вреключать цепи заряда нескольких накопительных конденсаторов (С4-С б), Связанных между собой с помощью разделительных диодов VZ^-VD...

Работа переключаемого по длительности генератора заключается в сле- 'Ющем. При разомкнутых ключах S1- S 3 от повышающего трансформатора h

143

через резистор Д 4 заряжается конденсатор С3, величиной которого определяете^ минимальная длительность импульса, излучаемого после включения лавинного диода VD2 : xmjn =* С3Я0ткр,где Яоткрсопротивление открытого ДИЛ и лазера. При этом все разделительные диоды VD3- V D S закрыты, так как напряжение

на их базах 1/б, обусловленное обратным током, значительно меньше напряжения на катодах. После пробоя ДИЛ VD2напряжение на емкости с 3 резко уменьшается до величины остаточного напряжения цепи VD2, AD^ а конденсаторы С4-С 6 раз­

ряжаются через балластные сопротивления я^-яг

При замыкании одного из ключей, например Slt к трансформатору кроме

цепи Я4С3 подключается соответствующая дополнительная цепь заряда Я8С4Я5,

на конденсаторе С4, т.е. разделительный диод VD3 будет закрыт. Когда напряжение на емкости С3 достигает величины £/в, она начинает разряжаться через открытый

лавинный диод и лазер. Напряжение на катоде разделительного диода умень­ шается, и он открывается. В результате дополнительный конденсатор С4 также

разряжается через нагрузочную цепь, формируя токовый импульс увеличенной длительности. Подбирая сопротивление резисторов Я8-Я 10 (рис.2.8в,б), можно изменять напряжения, до которых заряжаются конденсаторы С4-С 6 к моменту включения лавинного диода. Это позволяет регулировать амплитуду тока накачки для выравнивания мощности излучаемых импульсов различной длительности, Разделительные диоды VD3-V D 5 должны иметь малую емкость, высокое до пустимое обратное напряжение и выдерживать кратковременные перегрузки

Рис.2.87. Схема генератора прямоугольных импульсов с субнаносекундным фронтом и срезом: VTX2Т926А, VD1—VD3 и VD6 - 2Д522А, VD4 - АА732Б,

VDS- два диода 2Д510А

144

по току. Поэтому в данной схеме использовались пары последовательно соеди­ ненных импульсных диодов 2Д510А. Емкости CXi С4, С5> С6 величиной 62, 220,

390 и 510 пФ соответственно обеспечивали набор длительностей излучаемых импульсов 1,5;3,5;7,5; 10 нс.

Поскольку импульсный лавинный диод является двухполюсником, то создать на его основе генератор наносекундных токовых импульсов с регули­ руемой амплитудой довольно сложно. Это связано с тем, что изменение сопро­ тивления разрядного контура приводит к искажению формы излучаемых им­ пульсов при увеличении постоянной времени разряда. На риа2.87 показана принципиальная схема генератора накачки с регулируемой в широких пределах амплитудой токового импульса при сохранении практически прямоугольной его формы [80].

Блокинг-генератор на транзисторе VTX работает либо в автоколебательном режиме (переключатель Sx зам кнут,/г = 10 кГц), либо в ждущем режиме с за­

пуском через цепь С3Д3. Высоковольтные импульсы с амплитудой 250 В с дли­ тельностью около 4 мкс с обмотки III трансформатора Тх поступают на емкость Сб и ДИЛ VD4, а также на формирующую линию Ьх. В момент пробоя диода VD4 через него и лазер ADX разряжается линия Ь1} определяющая длительность

импульса накачки (т= 2 -20 нс). Изменяя резистором Я7 напряжение, до которого линия успевает зарядиться к моменту пробоя, можно плавно регулировать амплитуду тока накачки от 1 до 5 А при эквивалентном нагрузочном сопротив­ лении Ян = 3 Ом. Длительность фронта и среза генерируемых импульсов не пре­ вышает 0,5 нс. Емкость С6 является ускоряющей при формировании фронта импульса, а диод VD6 корректирует его срез. Цепь С5, VD3, R6 вырабатывает

отрицательные синхроимпульсы с амплитудой 5 В и длительностью 5 нс, сов­ падающие с началом прямоугольного импульса накачки.

Для увеличения накапливаемой энергии и улучшения согласования с на­ грузкой формирующая линия L x выполнена из двух отрезков кабеля РК-50-2-22. i Импульсный трансформатор Tt содержит в обмотках 1, II, III 20, 10 и 150 витков провода ПЭВ-0,25 соответственно, сердечник марки 1000 НН К1 6x8x6. Описанный генератор накачки может применяться при исследовании переходной харак­ теристики импульсных излучателей, а формируемые оптические сигналы - для оценки быстродействия и чувствительности различных фотоприемных уст­ ройств - на основе лавинных фотодиодов, ПЗС-структур и т.д.

Для снижения напряжения источника питания малогабаритных генераторов накачки на импульсных лавинных диодах можно применять схему резонансного заряда до удвоенного напряжения (рис.2.88,а) или индуктивный буферный на­ копитель (рис.2.88,6) [81]. В первом случае транзисторный ключ VTX, работающий

на повышающий трансформатор, является также коммутатором резонансного <акопителя на элементах L XCX. Конденсатор Сх заряжается до удвоенного напряжения питания за счет последовательно включенного диода VDX. При

нодаче на вход ключа запускающего импульса в первичной обмотке трансфор­

to3> в результате чего в нагрузочной цепи формируется прямоугольный импульс гока Цепь VD2t R3 предотвращает воздействие выброса прямого напряжения ^а ДИЛ. Резистор R2создает отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному

гоку, обеспечивая температурную стабилизацию рабочей точки транзистора Емкость С3 устраняет ООС по переменному току.

Ю Легкий

145

Рис.2.88. Схемы генераторов накачки на лавинных диодах: а - с удвоением напряжения питания (VTX- КТ608, VDX- Д311, VD2 - Д223, VD3 - АА732); б - с индуктивным накопителем (VTX- КТ604, YD. - АА732)

При включении в цепи питания транзисторного ключа индуктивного нако­ пителя (рис.2.88,6) импульс тока транзистора создает в дросселе L x запас

энергии, за счет которого после запирания транзистора происходит резонансный заряд емкости линии 1Х до напряжения пробоями лавинного диода VDX. Индук­ тивность дросселя L x и длительность запускающего импульса определяются

энергией, необходимой для заряда накопительной линии до напряжения 200 В. Для создания малогабаритных генераторов накачки ПКГ с высокой частотой повторения импульсов следует применять лавинные диоды на основе эпитак­ сиальных п+-л-у-п-структур, которые имеют допустимый средний ток около 15 мА (табл.2.17) [82]. На рис. 2.89 показана принципиальная схема генератора мощных импульсов длительностью т = 1-15 нс с частотой повторения / п = 0-100 кГц [83]. Амплитуда тока накачки составляет / н = 10-80 А при сопротивлении эквивалента

с i-слоем (UB^ 200 В) последний открывается и разряжает конденсатор С4 через нагрузку Я н. Зависимость тока в нагрузке от значения сопротивления Я н пред*

ставлена на рис.2.90. Зависимость длительности импульса накачки т от вели*1

Частотные свойства ДИЛ, определяемые временем восстановления обра^ ного сопротивления (R^ > 1 ГОм), для различных значений сопротивления нз грузки представлены на рис.2.92. Некоторый максимум в районе 10-30 кГ обусловлен повышением напряжения пробоя с 200 до 250 В, что является т» личным для ДИЛ и связано с конечным временем перезарядки глубоких пр|

146

R $ 2 K

Рис.2.89. Принципиальная схема генератора накачки с высокой частотой повторения: VTX- КТ312В, VT2 - КТ603Б, VT3 - КТ805Б, VTA - KT926A,

Рис.2.90. Зависимость тока накачки от сопротивления нагрузки: Сн = 500 пФ, / п = 30 кГц

Рис.2.91. Зависимость длительности импульса от накопительной емкости: Ян=Ю м;/п=30кГц

Рис.2.92. Зависимость тока накачки от частоты повторения импульсов: 1 —Я» = 0,25 Ом; 2 - Ян * 1 Ом; 3-Дн=10 Ом

месных центров [82]. Следует отметить, что эпитаксиальные ДИЛ надежно работают на сопротивлениях нагрузки Д н = 1-10 Ом до частот порядка 100 кГц длительное время без существенного разогрева корпуса (Гк = 30 °С). При нагрузке Ян= 0,25 Ом и токе J= 80 А лавинный диод работал на частоте/п= 15 кГц

несколько минут, после чего вышел из строя в результате теплового пробоя Таким образом, ДИЛ на основе эпитаксиальной структуры типа л*-л-у-л, имеющий более высокую допустимую величину среднего тока (1^ = 15 мА) по

сравнению с серийно выпускаемыми диодами типа АА732 и АА742, при импульс-

ном режиме работы позволяет создавать мощные генераторы накачки субнаносекундных импульсов с высокой частотой-повторения для диодов Ганна, мощных светодиодов и полупроводниковых лазеров. Объем генератора около 80 см3. Трансформатор выполнен на феритовом кольце из материала М2000НМ1-17 размером 45x20x10. Первичная обмотка имеет 10 витков, провода ПЭВ-ОД вторичная - 400 витков провода ПЭЛШО-0,1.

Рте.2.93; Схема разрядного контура с тремя лавинными диодами - (а) : VDi “ КД212А, VD- - VD4 - эпитакисальные ДИЛ; б - зависимость напря­

жения включения (1) и излучаемой мощности (2) от числа последовательно включенных ДИЛ

Для питания решетки лазерных диодов мощностью Рп = 1 кВт в генераторе накачки с транзисторным ключом и повышающим трансформатором исполь­ зовался разрядный контур с последовательным соединением нескольких эпитаксиальных лавинных диодов (рис.2.93). Ток накачки измерялся с .помощью контрольного резистора Я2. Импульсная мощность излучения фиксировалась скоростным сильноточным фотоэлементом ФК-26. На цепочку ДИЛ VDa-V D 4 и накопительную емкость Сн подавались высоковольтные импульсы длитель­ ностью тн= 1 мкс с частотой повторения / п = 200 Гц. Напряжение включения трех лавинных диодов оказывается несколько меньше суммы напряжений UB при отдельном питании ДИЛ (и в = 270 В). Это объясняется разбросом напряжений

включения диодов VD2-V D 4. .Результаты измерений параметров импульсов накачки и излучаемых сигналов при различной емкости накопительного кон­ денсатора приведена в табл. 2.18.

148

) Полученные данные показывают возможность создания малогабаритных оптических передатчиков мощных коротких импульсов. Эквивалентные емкости лазерной решетки и индуктивность разрядного контура сказываются на эффек­ тивности излучения при т < 4 нс, когда мощность Ри снижается быстрее ампли­ туды токовых импульсов 1И. Интересно, что с увеличением емкости Сн, когда крутизна нарастания напряжения Uj- снижается, напряжение включения

повышается. Это объясняется характером процессов в лавинных диодах при питании короткими импульсами тп = 1 мкс, когда становится заметным влияние времени задержки включения [78]. В разрядном контуре с малой емкостью

чаемых импульсов от количества последовательно соединенных лавинных диодов (рис.2.93,6) показывает, что с увеличением количества ДИЛ энерге­ тические генераторы накачки от оптического передатчика в целом заметно улучшаются. Так, при последовательном соединении четырех лавинных диодов (С„ = 390 пФ) достигается напряжение включения 1/2 = 1100 В и мощность оп­ тических импульсов Рм= 1050 Вт.

Генераторы накачки с оптическим управлением ДИЛ

Внешняя синхронизация генераторов накачки на импульсных лавинных диодах без снижения быстродействия может осуществляться оптическим сиг­ налом. Согласно данным работы [84] ДИЛ обладают высокой чувствительностью к воздействию улучшения оптического диапазона Спектральная зависимость фоточувствительности структур, легированных хромом, имеет абсолютный максимум на длине волны 0,92 мкм и дополнительный максимум при к * 1,3 мкм,

зеличина которых зависит от напряжения обратного смещения. Коротковолновый максимум обусловлен переходами: зона проводимости - мелкий примесный вровень; а длинноволновый-зона-глубокий примесный уровень.

Как видно на рис. 2.94 обратные ветви ВАХ при подсветке существенно сублинейны I ~ U n, где п = 0,1-0,3, что в режиме генератора тока позволяет

получать высокую чувствительность более 10е В/Вт. При освещении ДИЛ проис­ ходит уменьшение напряжения включения, причем величина Д [/в возрастает ю мере увеличения интенсивности освещения и может достигать 0,3 1/в.Освецение диода, на который подано обратное напряжение U > UB-A U B, приводит

авинных диодов на основе GaAs:Fe:GaAs:Cr и AIGaAs:Fe приведена на рис.2.95, ри мощности засветки 10'7-1 0 -5 Вт наблюдается резкое уменьшение и *.

сследовано также воздействие на характеристики ДИЛ импульсного лазерного злученил с длинами волн 0,60; 0,88 и 10,6 мкм [84]. Описанные:эксперименты жазали, что возможен запуск лавинных диодов сигналом импульсных лазеров )и пороговой энергии К И -К И Д ж .

Для исследования особенностей оптического запуска сигналами нано- ‘кундной длительности и определения предельной фоточувствительности

149

Рис.2.94. Обратная ветвь ВАХ лавинного диода: 1 - темновая; 2,3 - при подсветке на длине волны 1,29мкм и 0,92мкм соответственно

к напряжению включения 1/в. Чтобы дестабилизирующие факторы (температура уровень фона, нестабильность питания) не влияли на положение рабочей точю лавинного диода на крутом участке ВАХ, следует применять схемы автомати

точка диода, задается дискретно с шагом С/ш = 2 мВ. Тактовый генератор выдает на счетчик тактовые импульсы и тс частотой несколько килогерц (рис. 2.96,6)

Реверсивный счетчик (например, на ИМС 564ИЕ11), установленный в исходное состоянии на максимальное число

работает в режиме вычитания. Соответственно снижается напряжение на выход' цифро-аналогового преобразователя (ИМС типа К572ПА2). В результате этог; транзистор УГХ закрывается, и напряжение на его коллекторе ступенчато во? растает, начиная с уровня 1/0.Когда накопительный конденсатор Си заряжаете1 до напряжения включения и ъ, ДИЛ открывается, формируя на сопротивлении Я

первый импульс 1/н..В этот момент схема обнуления открывает транзите VIv снимая напряжение смещения ДИЛ. В это же время схема управленк

увеличивает на единицу число на выходе счетчика, после чего на ДИЛ подаете напряжение и - UB - и ш. Далее, если диод не пробивается, схема управлен^

150