DE10340864A1 - Laser diode component with numerous laser diodes in series, each with resistor in parallel, for use of large number of laser diodes in diode stacks - Google Patents

Laser diode component with numerous laser diodes in series, each with resistor in parallel, for use of large number of laser diodes in diode stacks Download PDF

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Abstract

Laser diode component comprises numerous laser diodes (D1...D5) in series, each with resistor (R1...R5) in parallel. At least one laser diode is a diode stack and laser diodes have different capacities.Preferably each parallel resistor, at switching of laser diodes, limits, or suppresses voltage at laser diodes in blocking direction. Typically resistors are coupled in parallel as discrete components and may be integrated in laser diodes. Resistor dimensioning provides fading time of diode voltages corresponding to their switching time.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Laserdiodenbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The Application relates to a laser diode device according to the preamble of claim 1

Beim Einsatz solcher Laserdiodenbauelemente werden zur Erzeugung hoher Leistungen eine Vielzahl von Laserdioden in Reihe geschaltet. Es kann sich dabei um bis zu 100 Laserdioden handeln. Vorzugsweise werden als Laserdioden Laserdiodenbarren, also Parallelschaltungen einzelner Laserdioden, die in der Regel monolithisch ausgeführt sind, verwendet.At the Use of such laser diode devices are used to produce high Services a variety of laser diodes connected in series. It can this can be up to 100 laser diodes. Preferably as laser diode laser diode bars, so parallel circuits individual Laser diodes, which are usually monolithic, used.

Beim Abschalten der seriell geschaltenen Laserdioden können an den Laserdioden hohe Sperrspannungen entstehen. Diese sind durch unterschiedliche Kapazitäten und Parallelleitwerte der jeweiligen Laserdioden bedingt. Dabei besteht die Gefahr, dass Laserdioden aufgrund einer zu hohen Sperrspannung beschädigt werden.At the Switch off the serially switched laser diodes can the laser diodes high blocking voltages arise. These are through different capacities and parallel conductance of the respective laser diodes conditional. there there is a risk that laser diodes due to an excessive reverse voltage damaged become.

Zum Schutz der Laserdioden können zu diesen jeweils Schutzdioden antiparallel geschaltet werden, die im Normalbetrieb in Sperrrichtung gepolt sind und beim Schalten den Aufbau einer Sperrspannung begrenzen, indem die in den Laserdioden angesammelte Ladung abgeleitet wird. Allerdings ist vor allem bei einer Serienschaltung mit einer Vielzahl von Laserdioden eine jeweilige Parallelschaltung von Schutzdioden vergleichsweise teuer. Zudem werden dadurch die Schaltzeiten limitiert.To the Protection of the laser diodes can are switched anti-parallel to these respective protection diodes, the in normal operation in the reverse direction are poled and when switching limit the structure of a blocking voltage by the in the laser diodes accumulated charge is derived. However, especially at a series circuit with a plurality of laser diodes a respective Parallel connection of protective diodes comparatively expensive. moreover This limits the switching times.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserdiodenbauelement mit verbesserter Beständigkeit bei Schaltvorgängen zu schaffen. Insbesondere soll beim Schalten eine Beschädigung einer Laserdiode aufgrund kurzfristig anliegender hoher Sperrspannungen mit möglichst geringem Aufwand vermieden werden.Of the The present invention is based on the object, a laser diode component with improved durability during switching operations to accomplish. In particular, when switching damage to a Laser diode due to short-term high blocking voltages with as possible little effort can be avoided.

Diese Aufgabe wird durch ein Laserdiodenbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.These The object is achieved by a laser diode component having the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Laserdiodenbauelement mit einer Mehrzahl seriell geschalteter Laserdioden vorgesehen, wobei den Laserdioden jeweils ein elektrischer Widerstand parallel geschaltet ist. Unter einer Laserdiode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung entweder eine einzelne Laserdiode oder ein Laserdiodenbarren mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten, vorzugsweise monolithisch integrierten Laserdioden zu verstehen. Die parallel geschalteten Widerstände können als diskrete Bauelemente vorliegen oder ebenfalls in die Laserdioden bzw. die Laserdiodenbarren integriert sein.According to the invention is a Laser diode component having a plurality of serially connected laser diodes provided, wherein the laser diodes each have an electrical resistance is connected in parallel. Under a laser diode is under the present invention either a single laser diode or a Laser diode bars with a plurality of parallel connected, preferably to understand monolithically integrated laser diodes. The parallel-connected resistors can be used as discrete components or also in the laser diodes or the laser diode bars be integrated.

Statt einer antiparallel geschalteten Schutzdiode ist somit vorgesehen, den Laserdioden einen elektrischen Widerstand parallelzuschalten. Durch diesen Widerstand werden Sperrspannungen reduziert. Zudem wird die Zeit, während der diese Spannungen anliegen, verkürzt, so daß kürzere Schaltzeiten erreicht werden können.Instead of an antiparallel-connected protective diode is thus provided paralleling the laser diodes with an electrical resistor. By this resistance blocking voltages are reduced. moreover is the time while of these voltages applied, shortened, so that reaches shorter switching times can be.

Im Vergleich mit einer Schutzdiode ist die Parallelschaltung eines Widerstandes deutlich billiger, einfacher zu montieren und darüber hinaus weniger störanfällig. Eine Schädigung einer Laserdiode durch überhöhte Sperrspannungen wird durch dieses einfache Bauelement zuverlässig verhindert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit einem parallel geschalteten Widerstand die Ladung des Laserdiodenbarrens beim Schalten schneller abgeführt und dadurch die Schaltzeit verkürzt wird.in the Comparison with a protection diode is the parallel connection of a Resistance significantly cheaper, easier to assemble and beyond less susceptible to interference. A damage a laser diode by excessive reverse voltages is reliably prevented by this simple component. Another advantage is that with a parallel resistor the Charge of the laser diode bar when switching faster dissipated and thereby shortening the switching time becomes.

Der Widerstand wird vorzugsweise derart dimensioniert, dass die Abklingzeit der an den Laserdioden anliegenden Spannung beim Schalten in etwa der Schaltzeit entspricht. Die Abkling zeit ist durch die Sperrkapazitäten der Laserdioden und die jeweils parallelen Widerstände bedingt.Of the Resistance is preferably dimensioned such that the cooldown the voltage applied to the laser diode when switching in about the Switching time corresponds. The decay time is due to the blocking capacity of Laser diodes and the respective parallel resistors conditional.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass durch die Verwendung eines Parallelwiderstandes zwar eine kleine Verlustleistung verursacht wird, jedoch dadurch die parallele Laserdiode und damit ein im Verhältnis wesentlich teureres Bauelement zuverlässig und einfach geschützt werden kann. Der elektrische, vorzugsweise ohmsche Widerstand tritt an die Stelle der üblichen Schutzdiode und weist gegenüber dieser darüber hinaus den Vorteil auf, dass gleichzeitig der Schaltvorgang einer Laserdiode durch schnellere Abführung der Ladung verkürzt wird.Of the Invention is the consideration underlying that by using a parallel resistor though a small power loss is caused, but thereby the parallel laser diode and thus a relatively much more expensive component reliable and just protected can be. The electrical, preferably ohmic resistance occurs in the place of the usual Protective diode and facing this one about it In addition, the advantage that at the same time the switching of a Laser diode through faster removal the cargo shortened becomes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:Further yield advantageous embodiments and refinements of the invention from those explained below in connection with the figures Embodiments. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelementes, 1 a schematic representation of a first embodiment of a laser diode device according to the invention,

2 eine schematische perspektivische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels, 2 a schematic perspective view of the first embodiment,

3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelementes, und 3 a schematic representation of a second embodiment of a erfindungsge dimensional laser diode component, and

4a, b jeweils den Verlauf der Spannungen über der Zeit beim Abschalten der Versorgungsspannung für unterschiedliche Widerstandswerte R bei dem zweiten Ausführungsbeispiel. 4a , b respectively the course of the voltages over time when switching off the supply voltage for different resistance values R in the second embodiment.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelementes. Mit den Bezugszeichen D1 und D2 ist jeweils eine La serdiode oder ein Laserdiodenbarren, umfassend mehrere parallel verschaltene Laserdioden, gekennzeichnet. Das Laserdiodenbauelement weist beispielhaft zwei in Serie geschaltete Laserdioden bzw. Laserdiodenbarren D1 und D2 auf, wobei im Rahmen der Erfindung auch eine größere Zahl von Laserdioden oder Laserdiodenbarren vorgesehen sein kann. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a laser diode device according to the invention. The reference numerals D1 and D2 each have a La serdiode or a laser diode bar, comprising a plurality of parallel-connected laser diodes, characterized. By way of example, the laser diode component has two laser diodes or laser diode bars D1 and D2 connected in series, wherein a larger number of laser diodes or laser diode bars may also be provided within the scope of the invention.

An der Serienschaltung der Laserdioden D1 und D2 liegt im Betrieb eine Betriebsspannung Uges an. Den Laserdioden D1 und D2 ist zwischen den Verbindungspunkten 1 und 2 bzw. 3 und 4 jeweils ein elektrischer, beispielsweise ohmscher Widerstand R1 bzw. R2 parallel geschaltet.During operation, an operating voltage Uges is present at the series connection of the laser diodes D1 and D2. The laser diodes D1 and D2 are between the connection points 1 and 2 respectively. 3 and 4 in each case an electrical, for example ohmic resistor R1 or R2 connected in parallel.

2 zeigt eine perspektivische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Laserdioden D1 und D2 sowie die parallel geschalteten Widerstände R1 und R2 sind auf einer gemeinsamen Wärmesenke 11 angeordnet. Die elektrische Verbindung ist über Leiterzüge 6, welche auf der Wärmesenke 11 aufgebracht sind, realisiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstände R1 und R2 als diskrete Bauelemente ausgeführt. Denkbar wäre jedoch auch, die Widerstände auf oder in den Laserdioden bzw. Laserdiodenbarren selbst vorzusehen. Die Widerstände könnten, beispielsweise als ohmsche Kontaktstruktur mit definiertem Wert, monolithisch integriert sein. 2 shows a perspective view of the first embodiment of the invention. The laser diodes D1 and D2 and the resistors R1 and R2 connected in parallel are on a common heat sink 11 arranged. The electrical connection is via conductor tracks 6 , which on the heat sink 11 applied, realized. In this embodiment, the resistors R1 and R2 are designed as discrete components. However, it would also be conceivable to provide the resistors on or in the laser diodes or laser diode bars themselves. The resistors could be monolithically integrated, for example as an ohmic contact structure with a defined value.

Ein erfindungsgemäßes Laserdiodenbauelement kann im Dauerstrichbetrieb (cw) oder im Pulsmodus betrieben werden. Typische Pulsweiten betragen dabei 1 ms bis 1 h bei Wiederholraten von 1 kHz bis 10–4 Hz. Bei der erstgenannten Betriebsweise verhindern die parallel geschalteten Widerstände in erster Linie eine Schädigung beim Abschalten, bei der zweitgenannten Betriebsweise eine Schädigung bei jedem Schaltzyklus.A laser diode component according to the invention can be operated in continuous wave mode (cw) or in pulse mode. Typical pulse widths amount to 1 ms to 1 h at repetition rates of 1 kHz to 10 -4 Hz. In the first-mentioned mode of operation, the resistors connected in parallel prevent damage primarily during switch-off, in the second-mentioned mode of operation damage during each switching cycle.

Statt der Montage des Widerstandes auf der gleichen Wärmesenke könnte eine nicht-integrierte Montage zwischen Anode und Kathode der Laserdioden selbst erfolgen.Instead of Mounting the resistor on the same heat sink could be a non-integrated assembly between the anode and cathode of the laser diodes themselves.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelementes. Aus den 4a und 4b können zugehörige Spannungsverläufe in Abhängigkeit der Zeit und unterschiedlicher Widerstandswerte zu der Schaltung aus 3 ersehen werden. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a laser diode device according to the invention. From the 4a and 4b may be associated voltage waveforms as a function of time and different resistance values to the circuit 3 be seen.

Das Laserdiodenbauelement weist vorliegend beispielhaft fünf Laserdioden D1...D5 auf. An jeder Laserdiode D1...D5 liegt eine jeweilige Spannung U1...U5 an, deren Gesamtsumme die Spannung Uges ergibt, welche zwischen den Verbindungspunkten 1 und 10 anliegt. Die Kapazitäten der Laserdioden D1...D5 können sich, beispielsweise fertigungsbedingt, unterscheiden. Beispielhaft wurde für die Simulation des zeitlichen Verlaufs der Spannungen angenommen, daß die Kapazität der Diode D1 in den 4a, 4b um ein Drittel geringer ist als die Kapazität der vier weiteren Dioden D2...D4. Zum Schutz sind den Laserdioden D1...D5 jeweils ohmsche Widerstände R1...R5 parallel geschaltet. Bei der 4a zugrundeliegenden Simulation beträgt der Widerstandswert der parallel geschalteten Widerstände R1,2,3,4,5 = R = 1 kΩ, bei der 4b zugrundeliegenden Simulation R = 20 Ω.In the present case, the laser diode component has, for example, five laser diodes D1... D5. At each laser diode D1 ... D5, a respective voltage U1 ... U5 is applied, the sum total of which gives the voltage Uges which is present between the connection points 1 and 10 is applied. The capacities of the laser diodes D1... D5 may differ, for example due to production. By way of example, it was assumed for the simulation of the time course of the voltages that the capacitance of the diode D1 in the 4a . 4b is one third smaller than the capacity of the four other diodes D2 ... D4. To protect the laser diodes D1 ... D5 each ohmic resistors R1 ... R5 are connected in parallel. In the 4a underlying simulation is the resistance of the resistors connected in parallel R1,2,3,4,5 = R = 1 kΩ, at the 4b underlying simulation R = 20 Ω.

Bei einem Widerstandswert von R = 1 kΩ für die Parallelwiderstände R1...R5 liegt aufgrund der höheren Kapazität der Laserdioden D2...D5 für eine gewisse Zeit von etwa 10 μs eine Spannung in Sperrrichtung an der Laserdiode D1 an, die ca. 1,8 V erreicht (4a).At a resistance of R = 1 kΩ for the parallel resistors R1 ... R5 is due to the higher capacity of the laser diode D2 ... D5 for a certain time of about 10 microseconds a reverse voltage at the laser diode D1, which is about 1 , 8 V reached ( 4a ).

In dem Beispiel der 4b bei einem Parallelwiderstand von R = 20 Ω wird hingegen die Diode D1 nicht mehr umgepolt. Weiterhin läuft die Entladung bei Verwendung des geringeren Widerstandswertes etwa fünfmal so schnell ab wie bei dem Widerstandswert R = 1 kΩ. Die richtige Dimensionierung des Widerstandes kann beispielsweise anhand von Tests und Simulationen ausfindig gemacht werden. Weiterhin stellt auch schon die Parallelschaltung von 1kΩ-Widerständen eine Verbesserung ge genüber einem Laserbauelement ohne parallel geschaltete Widerstände dar, bei dem die Spannung an der Laserdiode D1 in Sperrrichtung noch größer wäre. Wie sich aus 4b ergibt, ist jedoch ein niedrigerer Widerstandswert vorteilhafter.In the example of 4b with a parallel resistor of R = 20 Ω, however, the diode D1 is no longer reversed. Furthermore, when using the lower resistance value, the discharge runs approximately five times as fast as with the resistance value R = 1 kΩ. The correct dimensioning of the resistance can be found for example by means of tests and simulations. Furthermore, even the parallel connection of 1kΩ resistors is an improvement ge compared to a laser device without parallel-connected resistors, in which the voltage across the laser diode D1 in the reverse direction would be even greater. As it turned out 4b However, a lower resistance value is more advantageous.

Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist nicht als Beschränkung hierauf zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung auch jede Kombinationen der einzelnen in den Ausführungsbeispielen und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale, auch wenn diese Kombination nicht explizit Gegenstand eines Patentanspruchs ist.The explanation the invention with reference to the embodiments is not a limitation on this to understand. Rather, it includes the invention also any combination of the individual in the embodiments and the other description, even if these Combination is not explicitly the subject of a claim.

Claims (7)

Laserdiodenbauelement mit einer Mehrzahl seriell geschalteter Laserdioden (D1...D5), dadurch gekennzeichnet, dass den Laserdioden (D1...D5) jeweils ein elektrischer Widerstand (R1...R5) parallel geschaltet ist.Laser diode component having a plurality of serially connected laser diodes (D1 ... D5), characterized in that the laser diodes (D1 ... D5) each have an electrical resistance (R1 ... R5) in parallel is switched. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Laserdioden (D1...D5) ein Laserdiodenbarren ist.Laser diode component according to Claim 1, characterized in that at least one of the laser diodes (D1 ... D5) is a laser diode bar is. Laserdiodenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (D1...D5) unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.Laser diode component according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the laser diodes (D1 ... D5) different capacities exhibit. Laserdiodenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der jeweils parallel geschaltete Widerstand (R1...R5) beim Schalten der Laserdioden (D1...D5) eine Spannung in Sperrrichtung an den Laserdioden (1) begrenzt oder ganz unterdrückt.Laser diode component according to one of Claims 1 to 3, characterized in that during operation of the resistor (R1 ... R5) connected in parallel there is a reverse voltage on the laser diodes (D1, D5) when the laser diodes (D1 ... D5) are switched on. 1 ) limited or completely suppressed. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1...R5) als diskrete Bauelemente parallel geschaltet sind.Component according to one of Claims 1 to 4, characterized that the resistors (R1 ... R5) are connected in parallel as discrete components. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1...R5) jeweils in die Laserdioden (2) integriert sind.Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the resistors (R1 ... R5) in each case in the laser diodes ( 2 ) are integrated. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1...R5) derart dimensioniert sind, dass die Abklingzeit der an den Laserdioden (D1...D5) anliegenden Spannungen (U1...U5) der vorgesehenen Schaltzeit entspricht.Component according to one of Claims 1 to 6, characterized that the resistors (R1 ... R5) are dimensioned such that the decay time at the laser diodes (D1 ... D5) applied voltages (U1 ... U5) corresponds to the intended switching time.
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