ie Ansteuerung von Laserdioden ist kein „Hexenwerk“, wenn

man sich dabei an ein paar Grundregeln hält, die sich im we-

sentlichen aus den Eigenschaften der Laserdiode ergeben.

Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Laserdiode mit ihren ver-

schiedenen Halbleiterschichten. Die Kantenlänge beträgt nur einige

100 µm. Das Laserlicht entsteht in der nur wenige nm dicken „ak-

tiven Zone“ und tritt an der halbverspiegelten Stirnfläche aus (Pfeil).

Die Spiegel an den Stirnflächen des „Laserwürfels“ sorgen für eine

stehende Lichtwelle in der aktiven Zone (optischer Resonator nach

Fabry-Perot). Dies ermöglicht erst die induzierte Emission und somit

die „Lichtverstärkung“, den eigentlichen Laser-Effekt.

Unterhalb des Schwellstroms emittiert die Laserdiode lediglich LED-

Licht (spontane Emission). Ab der Schwellstromstärke beginnt die

Diode Laserlicht zu erzeugen. Oberhalb des Schwellstroms steigt die

optische Ausgangsleistung sehr stark mit wachsendem Dioden-

strom an (hoher differentieller Wirkungsgrad). Der Zusammenhang

zwischen optischer Ausgangsleistung und Diodenstrom ist bis zur

Maximalleistung (CW oder Pulsbetrieb) linear (Bild 2).

1 Vorsichtsmaßnahmen

Die vom Hersteller angegebene maximale Ausgangsleistung darf auf

gar keinen Fall überschritten werden. Überstrom oder Überspan-

nung, selbst für kurze Zeit, können eine Schädigung oder gar den

Totalausfall der Laserdiode verursachen. Die Einstellung der Aus-

gangsleistung muss auf jeden Fall mit Hilfe eines optischen Leis-

tungsmessgerätes oder einer kalibrierten großflächigen Photodiode

erfolgen. Aufgrund der großen Toleranzen bzw. Exemplarstreuun-

gen der Laserdioden reicht es nicht aus, den Laserstrom entspre-

chend den Angaben im Datenblatt des Herstellers einzustellen.

Schon bei kurzzeitiger Überlastung tritt meist eine Schädigung der

Spiegel ein, erkennbar durch ein „fleckiges“ Strahlbild und eine

deutlich gestiegene Stromaufnahme bei gleicher Ausgangsleistung.

Laserdioden sind ebenfalls extrem empfindlich gegenüber elektro-

statischen Entladungen (ESD = Electro-Static Discharge). Daher sind

die von den Laserdiodenherstellern bei der Handhabung empfohle-

nen Erdungsarmbänder und eine geerdete Arbeitsunterlage im La-

bor nicht übertrieben.

2 Temperaturverhalten

Ein oft vernachlässigter aber entscheidender Effekt ist der Einfluss der

Temperatur auf den Zusammenhang zwischen optischer Ausgangs-

leistung und Laserdiodenstrom (Bild 2). Mit steigender Temperatur

erhöht sich der Schwellstrom. Die optische Ausgangsleistung und der

differentielle Wirkungsgrad hingegen sinken. Eine geregelte An-

steuerschaltung sollte daher eine Begrenzung oder Sicherheitsab-

schaltung besitzen, da sonst eine Temperaturänderung über einen

weiten Bereich zur Zerstörung der Laserdiode führen könnte.

Grundlagen der Laserdiodenansteuerung –

Laserdioden verstehen und sicher ansteuern

LASERTECHNIK

Uwe Malzahn,

iC-Haus GmbH, Bodenheim

042

2 Photonik 5/2003

Bild 1: Laserdiode, schematisch

Bild 2: Ausgangsleistung als Funktion des Eingangsstroms für 2 ver-

schiedene Diodentemperaturen

3 Ansteuerung

Für Ansteuerschaltungen von Laserdioden braucht man sehr gut ge-

siebte Netzteile, die Störquellen wie induktive Lasten möglichst gut

abblocken. Der Batteriebetrieb ist hier deutlich unkritischer. Ein-

kopplungen können generell durch kurze Verbindungen speziell

zwischen Laserdiode und Treiberschaltung verringert werden.

LASERTECHNIK

Photonik 5/2003 3

Bild 3: Laserdiodenkonfigurationen für N-, P-, M-Typ-Dioden

Bild 4: Ansteuerprinzipien je nach Laserdiodenkonfiguration

Wichtig ist, dass Laserdioden immer mit einem geregelten Treiber

angesteuert werden; entweder im Konstantstrom- (ACC = Auto-

matic Current Control) oder Konstantleistungsbetrieb (APC = Auto-

matic Power Control). Ein Standardlabornetzteil ist nicht dazu ge-

eignet, Laserdioden direkt zu betreiben!

Integrierte Ansteuerschaltungen sind diskreten Lösungen vorzuzie-

hen. Die erhältlichen Lasertreiber-ICs bieten eine große Funktiona-

lität und eine Vielzahl von Schutzmechanismen für die Laserdiode

und benötigen nur wenige zusätzliche Bauelemente. Die Arbeits-

punkteinstellung ist meist ganz einfach über einen Trimmer mög-

lich. [1]

3.1 ACC

Die Wellenlänge von Laserdioden variiert mit der Temperatur. Bei ei-

ner typischen GaAlAs-Diode sind das etwa 0,25 nm/°C. Dabei steigt

die Wellenlänge nur jeweils in kleinen Bereichen monoton mit der

Temperatur an, dazwischen kommt es zu treppenartigen Sprüngen,

den Modensprüngen (Mode Hopping).

Im Konstantstrombetrieb mit präziser Temperaturregelung der La-

serdiode erzielt man daher die beste Stabilität der optischen Aus-

gangsleistung. Wegen des oben beschriebenen Temperaturverhal-

tens ist der Konstantstrombetrieb ohne Temperaturregelung nicht

zu empfehlen; die Ausgangsleistung wäre nicht konstant und könn-

te leicht den Grenzwert überschreiten.

3.2 APC

In Industrieapplikationen wie Lichtschranken oder Abstandssenso-

ren, in denen die Umgebungstemperatur variiert, bevorzugt man

der Einfachheit halber meist APC. Typische Treiberschaltungen mit

APC beinhalten außerdem einen weichen Anlauf und filtern Span-

nungsspitzen, Überspannung und andere Transienten heraus. [1]

Die Leistungsregelung stellt auf einfache Weise eine konstante Aus-

gangsleistung sicher. Ohne Temperaturregelung kann es jedoch

nach wie vor zur Verschiebung der Wellenlänge und zu Moden-

sprüngen kommen. Selbst in Applikationen, in denen dies unkritisch

ist, muss auf ausreichende Wärmeabfuhr geachtet werden. Anson-

sten sinkt mit steigender Temperatur (z.B. Eigenerwärmung) der

Wirkungsgrad der Laserdiode, was die Regelschaltung durch immer

höheren Laserstrom ausgleicht, um die Ausgangsleistung konstant

zu halten. Ohne eine Strombegrenzung oder Sicherheitsabschal-

tung droht hier sonst eine Schädigung oder Zerstörung der Laser-

diode.

Die für die APC benötigte Messgröße proportional zur optischen

Ausgangsleistung liefert im allgemeinen eine im Laserdiodenge-

häuse integrierte Monitordiode (MD). Laserdioden mit integrierter

Monitordiode für APC gibt es in drei verschiedenen Anschlussvari-

anten (Bild 3). Der gemeinsamer Anschluss ist gleichzeitig mit dem

Laserdiodengehäuse verbunden, welches, auch aus wärmetechni-

schen Gründen, meist elektrisch und thermisch leitend in das Gerä-

tegehäuse (GND-Potenzial) eingebaut wird.

Die eingebaute Monitordiode macht die externe Leistungsmessung

nicht überflüssig: Durch Exemplarstreuungen kann der Monitor-

diodenstrom bei gleicher Ausgangsleistung um den Faktor 10 vari-

ieren.

Diese Konfigurationsvarianten müssen bei der Auswahl der An-

steuerschaltung berücksichtigt werden. Bild 4 zeigt die entspre-

chenden Ansteuerprinzipien, wenn das Laserdiodengehäuse auf

GND liegen soll. Die N-Typ-Diode benötigt dabei einen Ausgangs-

treiber aus einer negativen Versorgungsspannung und auch einen

minusbezogenen Monitorstromeingang. Die P-Typ-Diode benötigt

entsprechend einen Ausgangstreiber aus einer positiven Versor-

gungsspannung mit einem plusbezogenen Monitoreingang. Die M-

Typ-Dioden benötigt eine duale Versorgung mit dem Treiberausgang

aus Plus und einem minusbezogenen Monitorstromeingang. Streng

genommen benötigt jede der drei Anschlussvarianten eine eigene

optimierte Treiberkonfiguration. Einige Treiberbausteine erlauben

aber, zwei oder durch einen zweiten komplementären Monitorein-

gang alle drei Diodenvarianten auch ohne duale Versorgungsspan-

nung anzusteuern. Dabei gilt die Einschränkung, dass das Laserdio-

dengehäuse nicht in jedem Fall auf GND-Potenzial gelegt werden

kann. [1]

4 Kühlung

In den meisten Anwendungen, speziell CW-Betrieb, ist ein Kühl-

körper für die Laserdiode unerlässlich, um einen zu starken Anstieg

der Chip-Temperatur und damit eine Schädigung oder Zerstörung

der Laserdiode zu verhindern (s. o.). Generell verlängert eine niedri-

gere Betriebstemperatur die Lebenserwartung der Diode. Mit einer

Reduzierung der Betriebstemperatur um etwa 10 °C wird sich die

Lebensdauer der Laserdiode statistisch gesehen verdoppeln.

5 Fehlerbehandlung

Selbst bei Ansteuerung der Laserdiode durch einen geeigneten in-

tegrierten Treiber ist stets auf einen sorgfältigen Aufbau zu achten.

Ohne Sicherheitsabschaltung oder Strombegrenzung im Treiber-

baustein kann eine Leitungsunterbrechung z.B. im Monitorpfad zur

Zerstörung der Laserdiode durch Überstrom führen. Beim Einsatz ei-

nes Trimmers zur Leistungs- oder Stromeinstellung sind bei der

Schaltungsauslegung die möglichen Fehlerbilder des Trimmers zu

berücksichtigen (kein Kontakt des Schleifers, Kurzschluss, etc.). Die

Verbindung zwischen Treiber und Laserdiode darf auf keinen Fall

über einen Schalter oder ein Relais unterbrochen werden. Zum

schaltspitzenfreien Ein- und Ausschalten bzw. Pulsen der Laserdio-

de bieten die verschiedenen Treiberbausteine entsprechende Funk-

tionalität [1].