レーザーダイオード駆動基盤

質問

レーザーダイオードの駆動基盤について質問です。レーザーダイオードのパルス発振ってどうやるのかがわからずに困っています。
　レーザーダイオードのパルス幅は パルス幅 ＜0.1μs, Duty 50%　と書いてあるのですが、いまいちわかりません。
　専門の方かどなたか、アドバイスをお願いします。

回答No.3

electron11

パルス発振は簡単です　ダイオード駆動は難しいです　電気屋でないと無理です
3端子レギュレーター＆パルス発振はタイマIC555では無理です
パルス幅 ＜0.1μs, Duty 50% と言う事は周期は0,2μs以下　つまり周波数は5ＭＨｚ以上ですね
立ち上がり/下がり0.01μs以下が必要でしょう　高速とは言えませんが遅いとも言えません

周波数安定度を気にしないならロジックＩＣが簡単です
例えば74ＨＣ14（シュミットインバーター）で10ＭＨｚ発振　（検索キイーワード　シュミットインバータ　発振）
気にするなら74ＨＣ04でX'tal発振にします　次にＦＦのＨＣ74で1/2分周して正確なDuty 50% が作れます

難しいのは駆動法です
レーザーダイオードの駆動用ＩＣが出てます　これを使った方が楽ですが技術が必要です

大抵のレーザーダイオードには出力制御の為にパワーセンサーとしてフォトダイオードが内臓されております
レーザーダイオードの電極をどちらをアースにするかでアノードコモン＆カソードコモン有り　静電気に弱いので扱いに注意
更にフォトダイオードの向きに二種ありますので計4種あります　足が3本です　
どれでも工夫すれば同じですが回路技術が必要です

レーザーダイオードのドライブ条件は幾つかありますが最も重要なものは電流、電圧、消費電力、光出力、温度特性です

光出力は温度に敏感なので一定にするには先のフォトダイオードで検知してフイードバックします　出力をオーバーしますと直ぐ劣化します
放熱もしなければなりません　しないとこれも劣化の原因になります
大変扱い難いもので使いこなすのは初心者では無理と思います　フイードバックは必要です

何が何でも作らなければならないのでしたら　レーザーダイオードドライバIC を使われた方が良いでしょう
（検索キイーワード　レーザー　ダイオード　ドライバ　IC）サンヨーからも出てますし他にもあります
色々出てますが手に入りやすいのは限られるでしょう　先の4種ある事を念頭において選んで下さい。

回答No.2

inara1

＞光出力を一定にするためには、3端子レギュレーターではだめなのでしょうか
定電圧駆動という意味ならダメですね。半導体レーザは、周囲温度によって電流-電圧特性が変わるので、定電圧で駆動しても、素子に流れる電流が温度によって大幅に変わってしまいます。本当は光出力を一定にするAPC駆動すべきですが、簡易的には定電流駆動でもいいです（ただし、定電流駆動でも高温になると光出力が落ちます）。

定電流回路はOPアンプを使うのが良いですが、３端子レギュレータを使って定電流回路を作ることもできます。以下のように、可変電圧３端子レギュレータ（NJM317）を使って定電流源を作り、トランジスタでON/OFFすれば定電流パルス駆動できます。パルス入力が2V以上でトランジスタがONになるのでレーザがOFFとなり、パルス入力が2V未満でレーザがＯＮとなります。

　　　　　　　　　　NJM317
　　　　　　　　in ┏━━┓out　　　　　　　　2SC1815
　　Vcc ─┬─┨　　　┠┬ R1 ┬─────┬─┬─-┐
　　　　　　 │　 ┗━┯┛│　　 │　　　　　　　 C　　│　　 │
　　　　　　C1　　adj └─ ）──┘　┌─┬ B　　　 ▲D　 ▼ Laser Diode
　　　　　　 │　　　　　　　│　　　　　R2　 R3　　E　　│　　 │
　　　　　　 │　　　　　　　C2　　　　　│　 │　　│　 │　 　│
　　GND　┴─────┴───　) ─┴─-┴─┴─-┘
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 │
パルス入力 ─────────┘

　　Vcc（電源電圧） > レーザの動作電圧[V] + R1[Ω]*駆動電流[A] + 2.5V
　　C1 = 0.1μF（積層セラミック）、C2 = 1000pF(積層セラミック）
　　R1 [Ω] = 1.25/駆動電流 [A]、R2 = 1kΩ、R3 = 1kΩ
　　D：小信号用ダイオード（1N4118、1S2076など）

＞パルス発振はタイマIC555ではできませんでしょうか？
555 を使うのなら、そんなに速いパルスじゃないわけですね。555 のデータシート[5] の5ページ目の FIGURE4 に回路が出ています。FIGURE4のOUTPUT端子（3pin）を上の回路のパルス入力とすればパルス駆動できます。発振周波数を f [Hz]、Duty を D ( 0～0.5) としたとき
　　　RA = 1.44*( 1 - 2*D )/( f*C )
　　　RB = 1.44*RA/( f*C )
となります（Rの単位はΩ、Cの単位はF）。抵抗の値が1kΩ～1MΩの範囲となるようにCの値を決めてください。

555の出力パルスのDutyは0～50% の範囲でしか変えられません。555の出力がHレベルのときレーザがOFFになるので、上の回路と組み合わせたときのレーザの発光Dutyは 50～100% になります。もし、レーザの発光Dutyを 0～50% にしたいときは、上の回路を下のように変更してください（トランジスタを変え、コレクタとエミッタを入れ替えるだけ）。下の回路の場合、パルス入力が3V以上でレーザがONとなり、パルス入力が3V未満でレーザがOFFとなります。

　　　　　　　　　　NJM317
　　　　　　　　in ┏━━┓out　　　　　　　　2SA1015
　　Vcc ─┬─┨　　　┠┬ R1 ┬─────┬─┬─-┐
　　　　　　 │　 ┗━┯┛│　　 │　　　　　　　 E　　│　　 │
　　　　　　C1　　adj └─ ）──┘　┌─┬ B　　　 ▲D　 ▼ Laser Diode
　　　　　　 │　　　　　　　│　　　　　R2　 R3　　C　　│　　 │
　　　　　　 │　　　　　　　C2　　　　　│　 │　　│　 │　 　│
　　GND　┴─────┴───　) ─┴─-┴─┴─-┘
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 │
パルス入力 ─────────┘

[1]　NJM317
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　　　　データシート　http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=1004
[2]　2SC1815
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　　　　データシート　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SC1815_ja_datasheet_071101.pdf
[3]　2SA1015
　　　　価格 20個で\100　http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-00882%22&s=popularity&p=1&r=1&page=0&cl=1
　　　　データシート　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SA1015_ja_datasheet_071101.pdf
[4]　1N4148
　　　　価格 50本で\100　http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-00941%22&s=popularity&p=1&r=1&page=0&cl=1
[5]　LMC555(CMOS)
　　　　価格 5個で\100　http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-00958%22&s=popularity&p=1&r=1&page=0&cl=1
　　　　データシート　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMC555.pdf

回答No.1

inara1

元・半導体レーザエンジニアです。
パルス発振とは、半導体レーザにパルス電圧（電流）を印加して間欠的に動作させるものです。
印加するパルスは以下のような波形です。駆動電流が大きい部分でレーザが発振しますが、駆動電流が小さい部分では発振しません。

　　　　　←─ 周期 →
　　　　パルス幅
　　　　　 ←→
　駆　↑┌─┐　　　┌─┐
　動　││　 │　　　│　 │
　電　├┘　 └──┘　 └
　流　└───────→
　　　　　　　　　時間

駆動電流が大きい部分の時間幅がパルス幅です。Duty というのは「パルス幅/周期」のことで、それが50%だと、１周期の半分が発振している状態になります。

どのような理由でパルス駆動したいのか分かりませんが、パルス幅 < 0.1μs で Duty50% を実現するのは簡単ではありません。周波数が 5MHzで、パルスの立上がり/立下り時間が 10ns くらいの高速パルス発生回路が必要となります。さらに、半導体レーザの場合、単に電流駆動すれば良いというものではなく、動作電流の温度依存が非常に大きいため、光出力が一定となるように、APC（Auto Power Control）駆動させる必要があります。具体的には、レーザ素子に内蔵されている光出力モニタ用のPD（フォトダイオード）の信号を駆動回路にフィードバックさせ、上図のパルス幅の部分で光出力が一定となるように駆動電流を制御する回路です。

パルス駆動でなくＤＣ駆動（連続発振）であれば、資料 [1] になるようなAPC回路で実現できますが、0.1μs 未満の幅の電流パルスを発生させるには超高速のOPアンプ（スルーレート 1000V/μs以上、利得帯域幅積 500MHz以上）が必要です。

計測か何かで狭いパルス幅が必要ならそのようなパルス幅にしなければなりませんが、その場合は専用の駆動電源を使ったほうが良いと思います（半導体レーザは過電流に大変弱い素子ですので、自作のパルス駆動回路では、サージ対策にかなりの注意が必要です）。単に平均光出力を下げたいためにパルス駆動するのであれば、資料 [1] のAPC回路で光出力を絞って使うほうが簡単です。

[1]　半導体レーザの駆動回路（PDFファイル18-19ページ）　http://www.sanyo-photonics.com/images/company/2008Catalog_JPN.pdf

お礼

私のために長文をありがとうございます。
　高出力を一定にするためには、3端子レギュレーターではだめなのでしょうか。パルス発振はタイマIC555ではできませんでしょうか？もしも可能であれば、回路の作り方のアドバイスをお願いします。