Выбор контроллера для лазерного диода. Рекомендации Thorlabs

Выбор правильного контроллера лазерного диода важен для правильной работы диода и его долговечности. В этом разделе компания Thorlabs рассматривает некоторые из необходимых соображений при выборе правильного контроллера для лазерного диода. Большинство драйверов лазерных диодов допускают прямую аналоговую модуляцию, функцию, которая полезна для таких задач, как расширение ширины полосы и стабилизация длины волны, а также включение / выключение модуляции излучения лазера. 

Основы работы с драйвером лазерного диода

Идеальным контроллером лазерного диода был бы линейный, бесшумный и точный источник постоянного тока. Лазерные диоды – это, по своей сути, электрические устройства, и, следовательно, для точной работы диодов необходим постоянный и точный контроль тока. Важно отметить, что контроллеры напряжения не справляются с этой задачей. Несмотря на то, что они осторожно увеличивают напряжение при включении, они не регулируют ток, что может привести к значительным и, возможно, катастрофическим - колебаниям тока для передачи на диод. Невозможно использовать источник постоянного напряжения для управления лазерным диодом.

Контроллеры тока предназначены для управления постоянным и линейным током и могут управлять диодами в широком диапазоне сопротивлений. Кроме того, они являются источниками с низким уровнем шума. Токовый шум преобразуется лазерным диодом в частотный шум. Для некоторых широкополосных лазеров это может быть не особенно заметно. Однако влияние шума усугубляется в лазерах со стабилизированной длиной волны или узкой шириной полосы, таких как одночастотные лазеры, где необходима точная работа.

Кроме того, источники тока сконструированы таким образом, что они не будут увеличивать ток, если он достигнет предельного напряжения; это то, чего не может сделать источник постоянного напряжения (еще одно предупреждение против использования источника напряжения для управления лазерным диодом). Напряжение согласования обычно является врожденным свойством драйвера тока, хотя некоторые модели имеют регулируемый предел напряжения, важно убедиться, что напряжение согласования драйвера тока соответствует лазерному диоду. Следует отметить, что, когда ток регулируется напрямую через контур обратной связи, необходимо контролировать реакцию контура. Это необходимо для предотвращения перегрузки лазерного диода. Требуется полный контроль над контуром обратной связи.

Есть некоторые ключевые характеристики источников тока, которые следует учитывать перед принятием решения о покупке. Источник тока должен быть адаптирован к лазерному диоду; не существует универсального источника тока. Например, если лазерный диод с максимальным номинальным током 180 мА, следует выбрать источник тока с максимальным выходом как можно ближе к нему (например, в данном случае 200 мА).

Токовый шум от источника масштабируется с максимальным выходным током. Если используется источник 1 А для лазера на 180 мА, то напрасно вносится шум в систему. Кроме того, легко подать слишком большой ток, если не соблюдать осторожность, что уменьшает срок службы лазерного диода. Лучше всего подгонять драйвер под диод. Кроме того, все контроллеры тока лазерных диодов будут иметь короткозамкнутый выход, медленный запуск, защиту от перенапряжения, подавление переходных процессов в линии питания и ограничение тока. Многие также предлагают функцию постоянной мощности в дополнение к режиму работы с номинальным постоянным током.

Короткозамкнутый выход

Особенность короткозамкнутого выхода помогает обеспечить защиту от повреждения электростатическим разрядом (ESD), когда диод подключен к источнику питания. Короткозамкнутый выход сохраняет потенциал на выходе неизменным, когда выход источника тока отключен. Обычно короткозамкнутый выход может быть реализован через реле или полевой транзистор (FET). Различие в том, что реле будет поддерживать защиту от короткого замыкания, даже когда сам источник тока выключен, тогда как полевой транзистор может поддерживать свою защиту только при включении источника питания.

Медленный запуск

Функция медленного запуска помогает обеспечить защиту от переходных процессов, когда включен источник тока. Во время медленного запуска выходной ток лазерного диода чрезмерно демпфируется, что обеспечивает его постепенное увеличение. Как только переходные процессы подавлены, источник тока будет выводить свой полный ток. Времени медленного запуска, около 100 мс, достаточно, чтобы гарантировать, что переходные процессы от включения подавлены.

Защита от перенапряжения

Защита от перенапряжения помогает обеспечить защиту от колебаний тока, вызванных изменением импеданса цепи. Нагрузки с высоким сопротивлением могут вызвать насыщение цепи управления током, не позволяя достичь установленного значения. И наоборот, если полное сопротивление уменьшается быстро, регулировка тока будет принудительно достигнута пределом короткого замыкания. В любом случае лазер может выйти из строя, что может привести к повреждению. Защита от перенапряжения отключит ток контроллера в случае перенасыщения контура управления.

Подавление переходных процессов в линии питания

Эта функция помогает обеспечить защиту от переходных процессов в сети переменного тока, скачков высокого напряжения и быстрых электронных переходных процессов (EFT). Емкостные фильтры и правильно экранированные трансформаторы помогают исключить переходные процессы, которые попадают на входную мощность регулятора тока и не достигают самого лазерного диода. Этот тип подавления переходных процессов может защитить лазерные диоды только от переходных процессов в линии питания контроллера. Следует отметить, что подавление переходных процессов в линии питания не может защитить от переходных процессов, которые излучаются непосредственно в лазер или приводные кабели (например, загрязнение EFT).

Два примера источника питания с ограничением по току

Ограничение тока

Ограничение тока защищает от чрезмерного тока возбуждения в результате случайной регулировки, аналоговой модуляции или работы с постоянной мощностью. Ограничение по току устанавливает жесткое ограничение для тока схемы контроллера. Эта функция не только предотвращает случайную установку слишком высокого тока для лазерного диода, но также ограничивает выходной ток в случаях, когда модуляция может вызвать перегрузку по току. Большинство современных регуляторов тока лазерных диодов имеют такое ограничение; однако характеристики могут отличаться при аналоговой модуляции. Контроллеры могут фиксировать ток точно на пределе, предотвращая превышение током привода предельного значения во всех случаях.

Режим постоянной мощности

Некоторые модели диодных драйверов имеют режим работы с постоянной мощностью. Чтобы использовать эту функцию, лазерный диод должен иметь встроенный фотодиод. Обязательно нужно отметить, заземлен ли фотодиод: анод или катод, и убедиться, что на драйвере выбран правильный режим. Рекомендуется устанавливать предел мощности на значение, которое ниже абсолютной максимальной номинальной мощности для диода, поскольку работа с постоянной мощностью не так точна, как работа с постоянным током, поскольку этот режим зависит от эффективности связи фотодиода и линейности его отклика.

Модуляция драйвера лазерного диода

В зависимости от применения может быть полезно модулировать ток лазерного диода. Он может принимать форму модуляции слабого или сильного сигнала. Для этого контроллеры тока обычно имеют входы с внешней аналоговой модуляцией и триггерный вход для внешней синхронизации (TTL). Модуляция слабого сигнала – это модуляция, которая обычно составляет небольшой процент от общего выходного тока. Его можно использовать либо для расширения ширины линии, либо для точного управления длиной волны (например, для привязки длины волны к внешнему сигналу, например, к поглощению насыщения или к сигналу синхронизации дихроичного лазера на атомном паре).

С другой стороны, сильная модуляция сигнала может управлять выходным сигналом от 0% до 100% от заданного значения. Это можно сделать либо через аналоговый вход модуляции, либо через цифровой вход TTL. Аналоговая модуляция позволяет осуществлять непрерывную модуляцию тока, подаваемого на лазерный диод, и, если она управляется синусоидальной волной, то может реализовать полную ширину полосы модуляции. Чтобы предотвратить искажения выходной мощности лазерного диода, нижний уровень модулирующего сигнала должен соответствовать значению тока, которое чуть выше порогового тока для лазерного диода. Цифровая модуляция TTL будет включать / выключать прямоугольную волну. Однако следует отметить, что использование прямоугольной волны уменьшает функциональную ширину полосы модуляции. Это связано с тем, что прямоугольные волны содержат большое количество высокочастотных компонентов.

В общем, существует три параметра, которых необходимо придерживаться при модуляции лазерного диода: коэффициент модуляции, входное сопротивление и ширина полосы модуляции, все из которых обсуждаются ниже. Эти значения зависят от текущего контроллера и будут перечислены в технических характеристиках контроллера. Кроме того, некоторые драйверы будут поддерживать режимы вывода с низкой пропускной способностью (CW) и высокой пропускной способностью. Для таких драйверов настройка низкой полосы пропускания предназначена для вывода CW и может не подходить для модуляции, выходящей за рамки низкочастотной модуляции слабого сигнала. Режим вывода с высокой пропускной способностью предназначен для целей модуляции и имеет более широкую полосу пропускания модуляции.

Модуляция источника тока

Коэффициент модуляции

Коэффициент модуляции, иногда называемый передаточной функцией, представляет собой преобразование напряжения модуляции в выходной ток (обычно выражаемый в мА/В). Например, LDC202C имеет коэффициент модуляции (в режиме постоянного тока) 20 мА/В. Сигнал модуляции +1 В постоянного тока увеличит выходной ток на 20 мА по сравнению с установкой (поэтому, если контроллер установлен на 100 мА, добавление этого сигнала модуляции постоянного тока увеличит выходной сигнал до 120 мА). И наоборот, сигнал -1 В постоянного тока снизит выходной сигнал на 20 мА.

Модуляция также может быть достигнута с помощью сигналов; если использовать синусоидальную волну 200 кГц с размахом напряжения 2 В с центром на 0 В, то выходной ток будет иметь значение от 80 до 120 мА при 200 кГц (заданное значение при 100 мА). Большинство современных источников питания позволяют использовать для модуляции сигналы произвольной формы, но следует отметить, что при использовании формы волны, отличной от синусоидальной, ширина полосы модуляции будет уменьшена.

Входное сопротивление

Входное сопротивление - это сопротивление цепи модуляции, интегрированной в регулятор тока. Она имеет номинальный диапазон от 50 Ом до 10 кОм (например, LDC202C имеет входное сопротивление 10 кОм). Функциональные генераторы обычно имеют выходное сопротивление около 50 Ом. Это означает, если входное сопротивление регулятора тока низкое, функциональный генератор будет загружен довольно значительно, вызывая искажения выходной волновой функции. В этом случае трюк состоит в том, чтобы установить модуляцию с генерацией функции, подключенной к источнику тока, но с отключенным токовым выходом. Это позволит просматривать сигнал модуляции, не подвергая риску сам лазерный диод. Как только уровни модуляции и частота установлены на желаемый выход, можно включить токовый выход.

Полоса пропускания модуляции

Ширина полосы пропускания модуляции, которая часто устанавливается точкой 3 дБ, представляет собой диапазон частот модуляции, который можно использовать без значительных искажений в выходном токовом сигнале. LDC202C имеет небольшую полосу пропускания сигнала от постоянного тока до 250 кГц, что означает, что ток может быть модулирован малым сигналом синусоидальной волной до 250 кГц без значительных искажений выходного тока. Это, опять же, означает, что использование формы волны, отличной от синусоиды, уменьшит функциональную полосу модуляции. Например, прямоугольная волна уменьшит полосу пропускания примерно в 10 раз.

Перегрузка модуляции приведет к искажению и ограничению выходного сигнала лазерного диода. Кроме того, модуляция на более высоких частотах вызовет приблизительный сдвиг π-фазы между формой волны модуляции и выходной интенсивностью лазерного диода (хотя в пределах полосы пропускания источника тока выходной сигнал не будет значительно искажен). При модуляции на высоких частотах с помощью прямоугольной волны следует отметить, что на выходе будет колебаться (из-за множества более высоких частот). Это колебание может на короткое время превысить ограничение по току.

Источник тока сильно перегружен прямоугольной волной

Источник тока модулируется на высоких частотах (в пределах полосы пропускания контроллера)

Модуляция на высоких частотах с помощью прямоугольной волны

Контроллеры лазерных диодов Thorlabs

Когда дело доходит до выбора контроллера лазерного диода, есть над чем подумать. Однако, потратив время, оценив потребности системы и сопоставив контроллер с лазерным диодом, можно найти правильный драйвер, обеспечивающий точную и долговечную работу. Thorlabs предлагает разнообразную линейку драйверов для лазерных диодов.

Контроллеры тока серии LDC - это популярный выбор, который может удовлетворить большинство потребностей в приложениях с лазерными диодами и доступен как в моделях с низким, так и с высоким энергопотреблением. Эти источники тока бесшумны, обеспечивают короткозамкнутый выход, медленный запуск и регулируемый предел тока с фиксатором модуляции.

Контроллеры PRO8 включают в себя все необходимые средства защиты для работы контроллеров лазерных диодов серии LDC. Эти контроллеры, больше ориентированы на промышленное применение и могут безопасно управлять несколькими лазерными диодами. Опции Ethernet позволяют удаленное управление.

Контроллер лазерного диода K-Cube™ использует встроенное программное обеспечение Kinesis® для управления установленным лазерным диодом с любой конфигурацией контактов. Прибором можно управлять с помощью элементов управления на верхней панели или с ПК через USB-соединение.

Thorlabs также производит множество контроллеров тока и температуры для лазерных диодов. Эти контроллеры предлагают надежность и защиту своих независимых блоков, предлагая при этом компактный и удобный единый корпус. Все те же соображения, перечисленные выше, применимы к этим контроллерам. Важно изучить свойства и возможности этих контроллеров, чтобы оценить, подходят ли они для конкретной системы.