Überblick

• Einführung
• Komponenten und Aufbau
• Ergebnisse

Einführung

Laserdioden verhalten sich elektrisch ähnlich herkömmlicher Halbleiterdioden. Sie besitzen einen stark ausgeprägten exponentiellen Zusammenhang zwischen der angeleget Spannung (in Durchlaßrichtung, i.A. 2-4 V) und dem resultierenden elektrischen Strom (im Bereich von 40-5000 mA je nach Laserdiode). Bei Laserdioden existiert zusätzlich eine (schwache) Wechselwirkung zwischen dem erzeugten Photonenfeld und dem elektrischen Stromverlauf. So verursacht z.B. eine Laserdiode mit defekten Spiegelfacatten eine andere Stromcharakteristik als eine Laserdiode mit einwandfreien Spiegeln.

Eine Laserdiode muß mit einem konstanten Strom betrieben werden, um eine konstante Ausgangsleistung des emittierten Laserlichts zu erzielen. Es betsteht jedoch eine nicht zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeit zwischen dem Diodenstrom und der emittierten Lichtleistung.

Der Betrieb einer Laserdiode mit einem konstanten Strom ist aufgrund des exponentiellen Zusammenhangs zwischen Spannung und Strom nicht einfach zu realieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterdioden ist der Abstand zwischen Betriebs- und Grenzstrom klein, i.A. nur ein Faktor 2-3. Wird der Grenzstrom überschritten wird nicht die Diode selbst beschädigt, sondern aufgrund einer zu hohen Leistungsdichte der optischen Strahlung die Laserspiegel der Laserdiode irreversibel beschädigt.

Bei der elektronischen Stromregelung einer Laserdiode dürfen daher keine kritischen Überschwingungen oberhalb des Betriebsstroms auftreten. Diese Randbedingung stellt hohe Anforderungen an die Regelungselektronik. Herkömmliche analoge Regelungselektronik bedarf daher einer präzisen Dimensionierung und Konzeptionierung, die für jeden Laserdiodentyp neu angepasst werden muß. Die exponentielle Strom-Spannungscharakteristik führt häufig zu unerwünschten Schwingungsvorgängen.

Eine Realisierung der Stromregelung mit digitalen Systemen bietet eine deutlich flexiblere Lösung. Es können Regelungstypen realisiert werden, die mit analogen Systemen nicht erreichbar sind. Umfangreiche Schutzmaßnahmen wie eine Überspannungsabschaltung können mit verhältnismäßig geringen Aufwand implementiert werden. Eine Überspannung kann z.B. aufgrund eines Kabeldefekts auftreten, wodurch der Regler die Spannung erhöht, aber keine Stromrückkopplung mehr erhält.

Der Einsatz eines Mikrokontrollers oder eines speziellen Digitalen Signalprozessors (DSP) für die Stromregelung ist möglich, bedingt jedoch Grenzen in der maximalen Regelungsfrequenz aufgrund der sequentiellen Ausführung des Regelungsprogramms. Eine Reaktionszeit im Bereich 100 ns - 1 us ist anzustreben. Die Reglerfrequenz, bei der Soll- und Istwerte auf der Eingangsseite verglichen und Ausgangssignale zur Verringerung des Regelungsfehlers generiert werden, liegt daher im Bereich von 1-10 MHz.

Der Regler benötigt als Eingangsgröße den Wert des aktuellen elektrischen Stroms, der durch die Laserdiode fließt, und den Vorgabewert. Als Ausgangsgröße wird in Abhängigkeit vom Regelungsfehler eine Steuerspannung erzeugt, die der Laserdiode zugeführt wird. Wie bereits oben aufgeführt, muß für eine konstante optische Ausgangsleistung der Laserdiode die Temperatur der Laserdiode als zweite Eingangsgröße berücksichtigt werden. Die Schnittstelle zwischen analoger und digitaler Welt wird durch Digital-Analog- (DAC) und Analog-Digital-Wandler (ADC) realisiert.

Die Implementierung eines Reglers mit Grenzwertüberwachung ist mit programmierbarer Digitallogik, hier einem FPGA (Field Programmable Gate Array), einfach zu realisieren. Man kann Regelungsfrequenzen zwischen 10-100 MHz erreichen. Durch Parallelisierung können Regelung, Grenzwertüberwachung und externe Parametereinstellung sowie Kommunikation gleichzeitig durchgeführt werden.

Der einzige Reglertyp, der garantiert sicher gegen Überschwingungen ist, ist der Rampenregler. Bei diesem Regler ist das Ausgangssignal eine Summe aus einer differentiellen Größe DO in Abhängigkeit vom aktuellen Fehlersignal ERR=I_set - I_meas und dem letzten Ausgangssignal O(n-1):

DO(ERR) = if ERR > 0 then (+D) else if ERR < 0 then (-D) else 0

O(n)=O(n-1)+DO

Daher kann sich bei einem Regelungsvorgang n der Wert O immer nur um eine Einheit D ändern. Sofern die Reglerfrequenz f kleiner als die Bandbreite der analogen Meß- und Steuerelektronik ist, sind Über- und Unterschwingungsvorgänge vernachlässigbar, und werden nur durch die analoge Peripherie sowie dem DA-Wandler bestimmt.

Komponenten und Aufbau

Die zentrale digitale Komponente besteht aus einem FPGA (Xilinx Spartan II), das den Stromregler, die Grenzwertüberwachung und die externe Kommunikation beinhaltet. Die Kommunikation mit dem Reglersystem findet über eine serielle Schnittstelle statt. Über diese können Register des Reglers im Klartextformat gesetzt und gelesen werden. So setzt z.B. der Befehl "W014F" das erste Reglerregister mit dem hexadezimalen Wert 0x14F. Dieses Register enthält in diesem Fall den Vorgabewert für die Stromeinstellung. Die Schnittstelle zur analogen Peripherie wird jeweils durch zwei AD- und DA-Wandler mit 12 Bit Auflösung hergestellt. Die Strommessung erfolgt auf der Potentialseite mittels Messung des Spannungabfalls über einen niederohmigen Widerstand. Die Ausgangsspannung eines DA-Wandlers wird einer MOSFET-Leistungsendstufe in Drainschaltungsanordnung zugeführt. Folgende Abbildung zeigt den vereinfachten schematischen Aufbau.

Der Rampenregler, die Steuerung der AD- und DA-Wandler sowie die Kommunikation werden mittels Moore-Zustandsautomaten parallel im FPGA implementiert. Die Grenzwertüberwachung arbeitet unabhängig vom Regler und kann jederzeit (wenn auch taktsynchron) in die Stromsteuerung eingreifen. Überwacht wird der aktuelle Stromwert, der sprunghaft z.B. aufgrund eines Kurzschlusses vom Sollwert abweichen kann, und die über der Laserdiode abfallende Spannung, welche mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Eine Überschreitung des Spannunggrenzwertes deutet z.B. auf einen Kabeldefekt hin, aufgrund dessen der Regler die Steuerspannung erhöht, ohne daß ein Stromanstieg resultiert.

Der Spannungsbereich der AD- und DA-Wandler beträgt -2.5 .. +2.5 V, was bei 12 Bit Digitalauflösung einer Spannungsauflösung von 1.2 mV entspricht.

Ergebnisse

Folgende Abbildung zeigt den Einschaltvorgang einer Laserdiode mit einem Konstantstrom von I=40mA. Der Einschwingvorgang des Reglers ist ideal und beinhaltet keine Über- und Unterschwinger (Stromspitzen). Das Rauschen in den Messungen ist bedingt durch Störeinstrahlung vom Digitalteil des Reglers und dem Meßvorgang.

Der Ausschaltvorgang ist ebenfalls frei von Über- und Unterschwingern, gezeigt in der folgenden Abbildung.

Wie bereits oben erwähnt, stellt die Störstrahlung, die von einem digitalen System aufgrund eines diskreten Frequenzgemisches emittiert wird, ein nicht zu vernachlässigendes Problem bei der Stromregelung von Laserdioden dar. Der exponentielle Strom-Spannungszusammenhang bei einer Laserdiode führt schon bei sehr kleinen Änderungen der Steuerspannung zu relativ großen Stromänderungen. Legt man eine IU-Steigung von typischerweise 1mA/10mV zugrunde, bewirkt, bei einer direkten Ansteuerung der Laserdiode durch die Stromquelle, eine ausgangsseitige Störspannung von 1.2mV (Auflösungsgrenze des DA-Wandlers) immerhin eine Stromänderung von 0.12 mA. Eine Verkleinerung der IU-Steigung läßt sich durch Einfügen eines Serienwiderstands vor der Laserdiode erreichen. Störungen bei der Strommessung können zu einem (wenn auch gering ausgeprägten) Schwingungsverhalten des Reglers führen.