книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Рис.196. Стукрутра системы автоматического регулирования смещения ДИЛ (а) и эпюры, поясняющие ее работу

устанавливает заданную разность Д И = nUmза счет подачи на счетчик л-импульсов.

Таким образом, обеспечивается напряжение смещения ДИЛ £7^, отличающееся от напряжения включения на величину д и = 2 мВ - 10 В. Если интенсивность

оптического сигнала, подаваемого теперь на кристалл ДИЛ, обеспечивает достаточный для его включения сдвиг вольт-амперной характеристики, то фор­

Интервал обнуления^ должен превышать время восстановления обратного сопротивления лавинного диода Иначе резко возрастает разность напряжений Ш ,

необходимая для предотвращения повторного пробоя лавийного диода Рис. 2.97 показывает, что время практически полного восстановления сопротивления закрытого ДИЛ данного типа составляет около 1 мс.Изменение фоточувстви­ тельности лавинного диода в зависимости от разницы напряжений включения и смещения показано на рис. 2 .9 8 ., В соответствии с ним при напряжении сме­ щения с д и = 10 мВ энергия переключения составляет примерно 20Х10"12 Дж

(с учетом потерь в оптической системе и того, что на площадь л-v- перехода фокусируется примерно десятая часть излучения ПКГ типа ЛПИ-101).

Как показали измерения, энергия управления диодом зависит от частоты повторения оптических импульсов (рис. 2 .9 9 ). Так, при увеличении/п от 200 Гц

151

Рис.2.97. Зависимость минимальной разности напряжений от протяженности интервала обнуления

Рис.98. Изменение фоточувствительности ДИЛ в зависимости от напряжения

Рис.2.99. Зависимость энергии оптического управления от частоты повто­ рения импульсов: т.= 85нс '

Рис.2.100. Влияние длительности оптического импульса на пороговую мощность включения ДИЛ:/П= 700Гц

до 10 кГц энергия импульса переключения уменьшается в 12 раз. Зависимость, приведенная на рис. 2.97 - 2 .9 9 , была получена с помощью ПКГ типа ЛПИ-101 с длительностью импульсов т = 85 нс и мощностью Рн = 5 Вт.

Для определения влияния длительности оптических импульсов на чувстви­ тельность лавинных диодов использовался генератор, которым длительность импульсов регулируется в пределах 1-15 нс. Измерения показали (рис. 2.100), что в указанном диапазоне длительностей энергия переключения практически не изменяется, т.е. пороговая импульсная мощность управления Р ~ 1 /т .

При исследовании параметров ДИЛ и использовании их в измерительных системах необходимо учитывать значительную задержку переключения, обусловленную перезарядом , глубоких центроа На рис. 2.101 показана зависи­ мость времени задержки пробоя от отношения UCM/ u n&p.

152

РисЛ02. Длительность фронта и амплитуда импульсов накачки, формируемых Полупроводниковыми элементами: 1 - диод Ганна; 2 - лавинный транзистор; 3 - биполярный и полевой транзисторы; 4 - динистор и тиристор; 5 - се­ рийные ДИЛ; 6 - опытные ДИЛ

Таким образом, лавинные диоды имеют достаточно высокую потенциальную чувствительность - десятки пикоджоулей, которая в сочетании с высоким быстродействием позволяет считать эти приборы весьма перспективными для использования в различных измерительных системах, датчиках и в генераторах накачки с оптическим запуском.

Сравнение параметров токовых импульсов, формируемых арсенидгаллиевыми ДИЛ и другими полупроводниковыми приборами, показывает (рис. 2.162), что импульсные лавиннЫе диоды отличаются и высоким быстро­ действием, и высокими амплитудными возможностями.

Генераторы мощных субнаносекундных импульсов тока на лавинно-ключевых диодах

Как было показано Хоффлингером [85], при работе лавинно-ключевого диода (ЛКД) вблизи частоты лавинного резонанса существует возможность значительно уменьшить реактивную мощность в диоде и соответственно потери на последовательном сопротивлении. При этом на частоте лавинного резонанса возникает напряжение большой амплитуды с последующим возникновением и распространением фронта ударной ионизации, захватом накопленной плазмы и ростом индуцированного тока Распространение ударного фронта может вызываться не только предшествующим импульсом лавинно-пролетного режима или отражением напряжения, приводящим к его резкому увеличению [86]. Если Инструкция внешней цепи позволяет пропускать через диод прямоугольные импульсы тока, то увеличение индуцированного тока приводит к возникновению /дарного фронта и без использования высокодобротной линии длиной / = х /2 .

Таким образом, используя эффект распространения фронта ударной иони­ зации и>захват плазмы за время менее 10 -10с, представляется возможным Нормировать на низкоомной нагрузке мощные субнаносекундные токовые

153

импульсы, амплитуда которых определяется накопительной емкостью, подклю- 4 ченной параллельно цепи диод - полупроводниковый лазер.

с амплитудой более 100Д длительностью порядка 100 нс и частотой повторения до 4 кГц, полученные с помощью мощного ключа на транзисторе 2Т926А и им­ пульсного трансформатора с насыщающимся сердечником, подавались на ЛКД через LC-фильтр (рис. 2.103). Генерируемые колебания (рис. 2.104) наблюда­ лись на скоростном осциллографе С7-10А (полоса пропускания 1200 МГц, время

нарастания переходной характеристики 0,3 нс).

+120В

Рис.2.103. Схема субнаносекундного генератора на ЛКД: VT, - . 2Т926А. VDt —ЛКД

Рис.2.104. Осциллограмма колебаний на нагрузке RH * 0,5 Ом: 2,5 нс/см по горизонтали; 5 В/см по вертикали

Во время фронта импульса питания (его форма близка к колоколообразной) за счет обратного тока ЛКД на нагрузке формируется линейно нарастающий ток до 0,5 А. Затем наступает лавинный пробой и вырабатываются мощные колебания, время установления которых составляет 10^20 нс, а амплитуда достигает 20 А. Ток нагрузки содержит ” пьедесталы” (импульсы длительностью примерно 1,2 нс), на которые накладываются сверхкороткие (т < 0,4 нс) импульсы (рис. 2.104).

Рис.2.105. Зависимость мощности (а), периода повторения (б, кривая 1) и длительности (б, кривая 2) импульса тока от накопительной емкости при RK• 0,5 Ом

154

У Зависимость мощности импульсов тока от емкости Сн (рис. 2.105,а ) имеет минимум при Сн = 40 пФ, что связано с потерями в накопительном конденсаторе типа КТ-1 или КТ-2. По мере увеличения Сн длительность и период повторения импульсов возрастают (рис. 2.105,6), соответственно влияние потерь в накопи­ тельном конденсаторе ослабляется.

Амплитудные и временные параметры генерируемых колебаний при

в пределах 0,25-5 Ом мощность колебаний оставалась практически постоянной,

При этом мощность субнаносекундных токовых импульсов составляет 200 Вт. Использование полосковой линии или сосредоточенной накопительной емкости позволяет существенно уменьшить размеры генератора и упрощает перестройку частоты колебаний в широких пределах. "Пьедесталы” могут обеспечивать импульсное предпороговое смещение рабочей точки ПКГ, повы­ шающее эффективность излучения субнаносекундных сигналов.

Применение в генераторах накачки диодов с задержкой лавиннного пробоя

Формирование коротких импульсов накачки может осуществляться полу­ проводниковыми диодами в режиме с задержкой лавинного пробоя [69]. В этом случае на диод подается импульс обратной полярности с амплитудой ип превы­ шающей статическое напряжение лавинного пробоя в 1,5-2 раза. Однако волна Ударной ионизации образуется с некоторой временной задержкой t 3. При этом ^костный ток диода создает на нагрузке "пьедестал” напряжения величи- Н°й иш(рис. 2.106). После прохождения базы за время tHударная волна оставляет за собой электронно-дырочную плазму и напряжение на диоде спадает до нуля, а

155

о

t

Рис.2.107. Схемы формирователей на диодах с задержкой лавинного

в табл. 2.20. Время нарастания напряжения на нагрузке составляет 0,2-0,25 н( Формирователь с тиратронным коммутатором (рис. 2.107,а ) обеспечивав при Сн= 22 пФ длительность импульса по полувысоте т = 3 нс и величину пер< пада им = 1000 В. Форсирующий конденсатор Сх необходим в связи с довольн большой индуктивностью тиратрона L x. Подключение отрезка коаксиальног кабеля \хдлиной 20 см и увеличение емкости Сн до 100 пФ позволяет уменьши

длительность импульса (т = 2нс) при амплитуде 1 ^ = 5 0 0 В.

Устройство* показанное на рис. 2.107,б,за счет сокращения длины разря,

156

"fl

Чого контура CH,V D UR H формирует субнаносекундный импульс с параметрами т = 0,75 нс, LrH6=-1 кВ при Сн= 10 пФ и т = 0,5 нс, и л = 600 В при Сн = 3,9 пФ.

Меньшая по сравнению со схемой рис. 2.107,а амплитуда импульсов обуслов­ лена тем, что в данном случае накопительная емкость заряжена в исходном состоянии до напряжения смещения, а не до суммарного напряжения Еш + Е.

Использование тиратронного коммутатора* обусловлено необходимостью получения фронта обостряемого импульса длительностью, не превышающей время нахождения диода в открытом состоянии t n ^ 2 -3 нс. После этого запи­

рающие свойства диода восстанавливаются за время 1 - 2 нс. Поэтому если при t > t„ напряжение на выходе коммутатора Lx превышает напряжение лавин­

ного пробоя, то на диоде выделяется значительная импульсная Мощность.

2.5.Особенности построения генераторов накачки излучателей

снепрерывной генерацией

Параметры полупроводниковых лазеров и светодиодов непрерывного действия, рассмотренные в гл. 1, определяют требования к соответствующим генераторам накачки. Так, ограниченная допустимая мощность и существенная зависимость параметров непрерывных излучателей приводят к необходимости минимизации длительности переходных процессов (фронта и среза) тока на- <ачки при высокой частоте модуляции. В связи с высокой крутизной ваттамперной характеристики лазеров следует обеспечить достаточную стабильность <арактеристики генератора накачки. Для работы лазерного передатчика в ши- ч юном температурном режиме в генераторе накачки должна быть предусмотрена юзможНость введения цепей автоматического регулирования, термостабили- !ации й т.д. Реализация потенциальных частотных возможностей требует юздания генераторов накачки с частотой модуляции до 50-100 МГц.

Форма тока накачки определяется назначением оптического передатчика, i системах автоматического контроля, наведения, фотографирования в ИК-лучах i т.д. может применяться немодулированный световой поток. В устройствах вязи, системах дальнометрии и управления излучение модулируется периодиеским сигналом либо кодовой последовательностью. Рассмотрим некоторые арианты соответствующих генераторов накачки.

Рис.2.108. Генераторы постоянного и с увеличенной мощностью (б)

Генераторы постоянного тока можно выполнять на основе операционных ‘Илителей (ОУ) [87]. При этом достигаются миниатюризация блока накачки Прерывных лазеров, а также высокая стабильность работы оптических пе-

157

редатчиков. При последовательном включении двух генераторов ток? (рис.2.108,а) практически исключается влияние коэффициента передачи эмиттер, ного тока выходного транзистора /z^16 и напряжения питания £ п:

где /2216“ коэффициент передачи тока эмиттера транзистора VT1.Таким образом

желательно применять транзисторы с близкими параметрами, например, сборку 1НТ251А с максимальным током транзистора / ки = 0,8 А. Для увеличения токе накачки используется схема рис.2.108,6, где влияние h21б ослабляется за csei

дополнительного резистора делителя. Изменение эмиттерного тока транзис тора VTX создает сигнал обратной связи и в результате компенсируется

В двухполярном источнике стабильного тока, работающем на заземленные лазер (рис.2.109), изменение напряжения питания компенсируется за счет глу бокой обратной связи по цепям питания,-а хорошие частотные свойства схемь обеспечиваются управлением выходным каскадом по цепи питания операционн^ усилителем. Основные параметры генератора определяются выражениям*

где к' - коэффициент передачи операционного усилителя. Универсальность one

рационных усилителей позволяет создавать простые малогабаритные гене ра'торы накачки полупроводниковых лазеров с требуемой формой выходного тока

Генераторы гармонических импульсов, показанные на рис.2.110 [88], могу* использоваться в качестве задающих генераторов, выходной сигнал которые

после усиления по мощности (например, эмиттерный повторитель) подаете! на ПКГ. Особенностью первой схемы (рис.2.110,а) является возможность регу лировки амплитуды (резистором Яб) от 0,5 до 9 В при малых искажениях форм* колебаний. Частота колебаний при указанных номиналах элементов состав ляет 1 кГц. В генераторе с регулированной частотой колебаний (рис.2.110,6)1 уменьшением сопротивления потенциометра Я2 увеличивается частота (/м:

= 1/2лС v^ T Д2), уменьшается сигнал обратной связи на неинвертирующе* входе ОУ Ш 2, пропорционально возрастает усиление ОУ DAX. Таким образен

регулировка частоты колебаний не вызывает изменения амплитуды выходног сигнала.

158

Рис. 2.111

Генератор накачки непрерывных лазеров, обеспечивающих малую длиельность фронта и среза формируемого меандра, может быть выполнен по хеме рис.2.111. На микросхеме собран задающий генератор, определяющий астоту модуляции/м= 0,01-50 МГц. Элемент DDU служит для развязки задающего енератора и усилителя на транзисторах VTX (усилитель напряжения) и VT2,

Т3 (усилитель гока). Резистор Д10 позволяет контролировать и изменять ток акачки, максимальная амплитуда которого составляет 0,7 А. Высокая крутизна )ронта (тф* 2,5 нс) и среза (тс * 5 нс) уменьшает разогрев лазера ADX и увели-

ивает таким образом максимальную мощность излучения.

Рис.2.112. Генератор накачкй лазера ИЛПН-201: V T X - 2Т312В, VT2 - 2П305И, V T 3 - 2П901Б

Схема генератора накачки с мощным МДП-транзистором в выходном касаде (рис.2.112) предназначена для питания ПКГ типа ИЛПН-201. Колебательный эитур h C 3, являющийся нагрузкой первого каскада, позволяет получить гар-

оническую форму выходного тока при запуске меандром соответствующей *стоты, что удобно, например, в дальномерах с цифровым фазовым детектором, вухзатворный полевой транзистор VT2 обеспечивает плавный вход лазера на

-жим (цепь С5Дб) и связь с блоком стабилизации излучаемой мощности. Крутые фронты импульсов накачки при частоте повторения до 100 МГц

^спечивает схема генератора (рис.2.113), работающая по принципу после-

159

довательного усиления - ограничения амплитуды формируемого сигнала [Еф Особенностью схемы является использование в качестве формирователя вхс% ного колебания трех приемников с линии, соединенных параллельно по схец переключателя тока и СВЧ-транзистора V 7\. При достижении входным коле, банием уровня логической единицы микросхема DAt переключается, открывая

транзистор VTi

Рис.2.113. Генератор накачки с частотой повторения импульсов до 100 МГц:

D D I - К500ЛП16, V Tl9 VT2 - 2Т355А, VT< - VTA - KT610A, VT5, V T6 -

KT913A, VT7 - КТ913Б (три параллельно соединенных транзистора)

„Формирователь (DAlf VTJ, согласующий генератор накачки с источника

на эмиттерно-связанной логике, характеризуется коэффициентом передач примерно 10 при времени нарастания и среза выходного импульса не боле 1,5 нс. Затем сигнал'поступает на эмиттерный повторитель (ГТ2)-и каскадны усилитель ОЭ-ОБ (VT3i VTA). Трансформаторная связь с нагрузкой транзистор VTX и каскада VT3 - VT4 позволяет передавать сравнительно длинные импульс!

(т< 60 нс) без спада вершины и затягивания фронта и среза.

Дальнейшее усиление-ограничение по току формируемых импульсов ос) ществляется эмиттерными повторителями VT5, VT6 и коаксиальными линиями /1(<

(сопротивление нагрузки линии превышает их волновое сопротивление). Око! чательное усиление мощности колебаний обеспечивается эмиттерным ключо:

160