Alimentatori per diodi laser

(1) La potenza in ingresso per un diodo laser a semiconduttore è molto più modesta di quella richieste da altri tipi di laser. In luogo dei kvolt in alimentazione richiesti dai laser a gas o a stato solido, i diodi laser sono tipicamente alimentati con batterie d apochi volt. Le tensioni di alimentazione dei diodi laser variano tra gli 1,8 ed i 2,5 volt. Le correnti di soglia e di funzionamento per un diodo laser dipendono dalla potenza del dispositivo. Per un laser di potenza 10 mW si hanno correnti di soglia di 30 - 60 mA e coorenti operative di 80 - 90 mA. Per un array di diodi laser da 100 W sia hanno correnti di soglia di  circa 7 A e correnti di funzionamento fino a 45 A. Qindi i diodi laser sonomolto più efficienti degl altri tipi di laser e questo li rende attraenti per molti tipi di applicazioni.

Fig. 1 Schema di principio di alimentatore per diodo laser

(2) Il laser a semiconduttore è un dispositivo controllato in corrente. L'alimentatore deve semplicemente fornire un flusso controllato e ben regolato di corrente. Questo circuito è sosanzialmente una batteria in serie con un resistore variabile ed un interruttore come mostrato nella fig. 1. Questo circuito di principio sarebbe adatto a pilotare un laser in maniera continua. E' estremamete semplice e presenta basso rumore, ma manca di alcune caratteristiche che sono indispensabili, quali la regolazione de il controllo della corrente e la limitazione dei picchi all'accensione. Un circuto reale è perciò abbastanza più complicato di quello mostrato in fig. 1.

(3) Idealmente, cosa dovrebbe fare un circuito di pilotaggio per un diodo laser? Una lista di caratteristiche importanti include

• Alta stabilità, migliore di 0,5 mA
• Buon controllo, migliore di 0,5 mA
• Basso rumore
• Limitazione di corrente per evitare danneggiamento del diodo
• Partenza lenta e filtri per evitare impulsi di corrente in accensione
• Capacità d modulazione

(4) La cosa più semplice potrebbe sembrare l'utilizzo di comuni alimentatori in CC da laboratorio. Ma la maggior parte degli alimentatori in CC non sono molto adatti a pilotare un diodo laser. Non presenta sufficiente stabilità e hanno di solito rumore elevato. Inoltre presentano picchi di corrente in transitorio associati con 'accensione, che possono facilmente danneggiare il diodo laser. Inoltre è abbastanza difficile modulare un alimentatore in CC. Perciò in pratica si utlizzano circuiti progettati apposta per il pilotaggio di diodi laser. Ce ne sono di molti tipi. Qui ne verranno presentati alcuni.

Fig. 2 Schema semplice per alimentatore diodo laser in continuo e senza modulazione

(5) La fig. 2 mostra un circuito relativamente semplice, adatto a pilotare in modo continuo e non modulato un diodo laser. Nell'uso di questo circuito, per evitare i transitori, il diodo laser può essere cortocircuitato con un interruttore prima di accendere l'alimentatore, Poi l'alimentatore può essere acceso e la corrente aumentata gradualemente, fino a raggiungere il livello desiderato. Per spegnere il diodo la procedura può essere eseguita al contrario.

Fig 3 Schema circuito pilotaggio per laser pulsato

(6) La fig. 3 mostra un circuito relativamente semplice, adatto a pilotare un laser in modo pulsato. Il capacitore viene caricato mentre il diodo controllato è mantenuto aperto, così il diodo laser non fa parte del circuito. Quando il diodo controllato viane chiuso, il caacitore si scarica attraverso un percorso che passa per il diodo laser. Il resistore in serie (di circa 2 ohm) limita la corrente ed aiuta a limitare le oscllazioni. Anche il diodo di protezione aiuta a sopprimere le oscillazioni.

(7) Finora sono stati mostrati solo alcuni schemi circuitali di base. Nelle applicazioni reali i circuiti tendono a doventare abbastanza complessi ed ad incorporare caratteristiche speciali. Sono anche specilaizzati a seconda dell'applicazione. Non è possibile descrivere la grande varietà di schemi possibili. Ne verranno presentati alcuni significativi.

Fig 4 Schema piltaggio laser pulsato per telecomunicazoni

(8) La fig. 4 mostra un circuito a interruttori a transistor sviluppato per applicazioni di telecomunicazione su fibra ottica, in gradi di produrre impulsi fino a 10 ns co una frequenza sopra ai 100 kHz.

(9) Molti gircuiti di pilotaggio per diodi laser includono il cosiddetto circuto di "partenza lenta". La funzione di questo circuito è di alzare la corrente gradualmente, evitando così i transitori che potrebbero danneggiare il dispositivo laser. Così si evita anche l'overshoot e le oscillazioni di corrente. Il circuito di partenza lenta fa salire la corrente in un tempo di circa 0,1 secondi. Un periodo sufficiente a smorzare tutti i transitori.

Fig. 5 Schema di circuito a partenza lenta

(10) La fig. 5 mostra un esempio  esempio di circuito a partenza lenta. I transistor forniscono uno shunt per il diodo laser fintantochè i capacitori non sono carichi abbastanza da polarizzare inversamente la giunzione di emettitore. Quando l'alimentatore viene spento, i capacitori si scaricano rapidamente ed il circuito torna al suo stato originario.

Fig. 6 Wsempio di circuito di pilotaggio con fotocellula e APC

(11) i costruttori di diodi laser offrono spesso moduli che contengono sia il diodo laser sia una fotocellula. Lo scopo è quello di fornire un controllo automatico della potenza (APC). Una parte dell'output del laser va ad alimentare la fotocellula.Il circuito APC agisce come un ciclo di controllo tra l'uscita della fotocellula e l'ingresso del diodo laer. Questo circuito è utile per fornire una uscita laser costante in un ambinete in cui la temperatura varia. La fig. 6 mostre un esempio di diodo laser con fotocellula e circuito APC.

Fig. 7 Schena circuito di pilotaggio con IC LM723

(12) L'uso di circuiti integrati può semplificare la progettazione dell'alimentatore. La fig. 7 mostra un circuito relativamente semplice che utilizza l'IC LM723. L' IC integra al suo interno una serie di transistor per il controllo della corrente in uscita, un amplificatore operazionale ed un riferimento di tensione. Il circuito mostrato in figura, a basso rumore, è adatto per pilotare diodi laser in continua.

Fig. 8 Schema di circuito di pilotaggio IC specifico (Sharp IRC302A)

(13) Inoltre i fabbricanti di laser hanno sviluppato anche modelli di IC progettati specificamente per alimentare i loro diodi laser. La fig. 8 mostra l'uso di un IC specifico (Sharp IRC302A), pr alimentare un diodo laser (questo esempio include anche una fotocellula integrata ed un circuito APC).