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Laser: VCSEL-Arrays mit integriertem Treiber optimal ansteuern

Neben den klassischen kantenemittierenden Laserdioden drängen zunehmend VCSEL-Arrays auf den Medizintechnik-Markt. Einsatzgebiete sind zum Beispiel Endoskope, Sensoren und 3-D-Kameras oder in der Heilbehandlung. Wie lassen sich solche Arrays aber in vollem Umfang optimal nutzen?

iC Haus Bildquelle: © iC Haus

Durch die Mischung der vielen hundert bis tausend Einzel-Emitter weisen VCSEL-Arrays (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) kaum Speckle auf, haben eine große Apertur und lassen sich durch ihren speziellen Aufbau einfacher handhaben als Kantenemitter. Um den Stahl nachträglich zu formen, lassen sich wegen des runden Strahlprofils außerdem einfachere Optiken als bei Kantenemittern einsetzen. Der planare Aufbau wie bei integrierten Schaltkreisen und der Strahlaustritt senkrecht zur Bauteilebene vereinfachen die Montage von Arrays auf einer Leiterplatte.

Um die Leistungsfähigkeit solcher Laserdioden in vollem Umfang nutzen zu können, bedarf es – genau wie bei Kantenemittern – einer optimierten Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) sowie geeigneter integrierter Ansteuerschaltungen. Speziell das schnelle Schalten von hohen Ausgangsleistungen stellt auch bei VCSEL-Arrays eine Herausforderung dar. Die erreichbaren Leistungsdaten werden durch parasitäre Kopplungen und Impedanzen bestimmt, die mit einer AVT in Surface-Mount-, Hybrid- oder Stacked-Chip-Technologie minimiert werden können.

Für gepulste Anwendungen wird in diskreten Ansteuerschaltungen traditionell ein Kondensator mit einer vergleichsweise hohen Spannung (bis zu 50 V) aufgeladen und dann über einen schnellen Schalter (z.B. Avalanche-Transistor) in die Laserdiode »leergeschossen« (Gain Switching). Der resultierende Lichtpuls ist dabei in etwa proportional zu der im Kondensator gespeicherten Energie, die Pulsform jedoch völlig undefiniert. Heutzutage lassen sich gepulste Anwendungen deutlich kontrollierter und reproduzierbarer mit geregelten integrierten Lösungen realisieren. Damit sind bereits aus Spannungen kleiner 10 V Ströme bis in den Amperebereich und Pulsweiten bis zu wenigen Nanosekunden möglich. Die niedrigere Ansteuerspannung reduziert zudem die Verlustleistung im Treiber.

Der verwendete Schalter ist dabei entscheidend für die Lebensdauer der Laserdiode. Einfache Transistorschalter erzeugen beim Ausschalten, bedingt durch die parasitäre Miller-Kapazität, Stromüberhöhungen, die das VCSEL-Array zerstören oder zumindest schädigen und damit dessen Lebensdauer herabsetzen können. Mit geeigneten integrierten Treiber-ICs lassen sich diese Ausschalt-Spikes wirkungsvoll eliminieren.

Dem schnellen Schalten aus niedrigen Versorgungsspannungen steht jedoch die Leitungsinduktivität im VCSEL-Stromkreis (di/dt = u/L) entgegen. Auch hier spielen integrierte Schaltungen aufgrund der kompakten Bauform ihre Vorteile gegenüber diskret aufgebauten Schaltungen aus. Sie lassen sich dicht an das Array platzieren und reduzieren so die parasitären Zuleitungsinduktivitäten. Kompakte Treiber-ICs in modernen QFN-Gehäusen vereinfachen das Platinen-Layout, und die Verlustwärme lässt sich optimal abführen.

Viel hilft ausnahmsweise viel

Mit geeigneten Leiterplattenlayout-Strukturen lassen sich sowohl die Wärmeabfuhr als auch eine geringe Leitungsinduktivität im VCSEL-Stromkreis erzielen. Sowohl für den Wärmetransport von der Oberseite der Leiterplatte auf die Unterseite als auch besonders für den induktivitätsarmen Lagenwechsel auf der Leiterplatte gilt ausnahmsweise einmal die Devise »Viel hilft viel« – zumindest in Bezug auf die Anzahl der zu verwendenden Vias, den Verbindungen zwischen den einzelnen Kupferlagen auf der Leiterplatte. Um die Induktivität im Laserstromkreis klein zu halten, sollte man möglichst viele Micro-Vias parallelschalten, um die Gesamtinduktivität zu reduzieren.

Allerdings eignen sich Micro-Vias nur bei benachbarten Lagen, zum Beispiel auf den beiden Seiten einer vierlagigen Leiterplatte. Die Wärmeableitung von der Oberseite der Leiterplatte zur Unterseite erfolgt mit einer entsprechenden Anzahl »normaler« Vias. Mit diesen Maßnahmen lassen sich bereits mit Standardkomponenten in SMD-Technik einstellige Wärmewiderstände »Chip-zu-Leiterplattenunterseite« von typisch 4 K/W und durchaus beachtliche Schaltgeschwindigkeiten erzielen.

Möglich machen dies unter anderem hochintegrierte und optimierte Treiberbausteine, zum Beispiel der »iC-HG« von iC-Haus. Dieser Chip kann bis zu 3-A-Dauerstrich- und 9-A-Pulsströme Spike-frei in 600 ps (typ.) schalten. Damit lassen sich, je nach VCSEL-Array, Pulsleistungen von bis zu 10 W erzeugen. In der Praxis erzielt man diese Schaltgeschwindigkeiten allerdings nur, wenn es gelingt, die Leitungsinduktivitäten im Laserstromkreis auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.

Bild 1: Laserlicht (braun, optische Messung) aus einem VCSEL-Array, das vom Treiber-IC »iC-HG« angesteuert wird (50-ns-Puls mit 4 A bei einer Spannung von 9 V) Bildquelle: © iC Haus

Bild 1: Laserlicht (braun, optische Messung) aus einem VCSEL-Array, das vom Treiber-IC »iC-HG« angesteuert wird (50-ns-Puls mit 4 A bei einer Spannung von 9 V)

Der Puls in Bild 1 wurde mit einem nach obigen Layout-Vorgaben optimierten Modul erzeugt. Der Treiberbaustein iC-HG und das VCSEL-Array im SMD-Gehäuse sind dabei dicht nebeneinander auf der Leiterplatte angeordnet. Mit einem solchen Aufbau lassen sich Stromanstiegszeiten im unteren einstelligen Nanosekundenbereich erzielen. Dabei beschleunigt der Gain-Switching-Puls die steigende Flanke des Ausgangslichts auf Werte, die deutlich schneller sind als die tatsächliche Stromanstiegszeit. Dieser Effekt in Laser- und VCSEL-Elementen, bei dem sich beim Überschreiten der Laserschwelle schlagartig der angesammelte Ladungsträgerüberschuss als Lichtblitz entlädt, lässt sich wirkungsvoll zur optischen Beschleunigung der Schaltgeschwindigkeit nutzen.

In der Anordnung als SMD-Komponenten nebeneinander lassen sich sowohl das Array als auch der Treiber problemlos kühlen. Das macht diese Art des Aufbaus speziell für Applikationen interessant, für die Pulse mit größerem Tastverhältnis bis hin zum Dauerstrichbetrieb und damit einhergehender höherer Verlustleistung benötigt werden, wie dies zum Beispiel bei Beleuchtungen für 3-D-Kameras der Fall ist.

Chip-on-Chip-Montage

Durch ihren planaren Aufbau erlauben VCSEL-Arrays allerdings auch Aufbautechniken, welche die Leitungsinduktivitäten zwischen Treiber-IC und Laserdiode nahezu eliminieren. Dazu montiert man das Array auf ein für diese Montageart vorbereitetes Treiber-IC und stellt die Verbindungen mittels kurzer Bonddrähte her.

Bild 2: Chip-on-Chip-Montage von VCSEL-Array und Treiber-IC Bildquelle: © iC Haus

Bild 2: Chip-on-Chip-Montage von VCSEL-Array und Treiber-IC

Ein solches Chip-»Sandwich« lässt sich dann entweder in Chip-on-Board-Technik direkt auf eine Leiterplatte montieren oder als Ganzes in ein Standard-SMD-Gehäuse, ein sogenanntes optoQFN, verpacken (Bild 2).

Das Ergebnis ist ein konzentriertes Bauteil mit nach außen hin unkritischen Anschlüssen, da alle kritischen Verbindungen über Bonddrähte bauteilintern hergestellt werden. Nur die Versorgungsspannung für Treiber und Laserdiode, die Schaltsignale und die Steuerspannung zur Stromeinstellung müssen zugeführt werden. Dadurch reduzieren sich die Anforderungen an das Leiterplattenlayout im Wesentlichen auf eine optimale Wärmeabfuhr. Lediglich die Stützkondensatoren für die VCSEL-Versorgung müssen sehr dicht am Bauteil platziert werden, da sie Teil des VCSEL-Stromkreises sind.

Bild 3: 2-W-Puls aus 5 V ohne Bias-Strom (links) und mit Bias-Strom (rechts) bei einer Chip-on-Chip-Montage Bildquelle: © iC Haus

Bild 3: 2-W-Puls aus 5 V ohne Bias-Strom (links) und mit Bias-Strom (rechts) bei einer Chip-on-Chip-Montage

Auf diese Weise lassen sich bereits aus nur 5 V Treiberspannung Lichtpulse mit 2 W und mehr bei Schaltgeschwindigkeiten von wenigen 100 ps erzeugen. Auch hier beschleunigt der Gain-Switching-Puls die steigende Flanke des Laserlichts. Dadurch, dass die Leitungsinduktivitäten im VCSEL-Stromkreis aber nahezu eliminiert sind, liegen die Schaltgeschwindigkeiten des VCSEL-Stroms nachweislich im Bereich des Maximums dessen, was die eingesetzte Chiptechnologie erlaubt. Dies lässt sich demonstrieren, indem man mittels Bias-Strom den Gain-Switching-Puls eliminiert.

Durch das Einprägen eines DC-Stromes knapp über der Laserschwelle tritt der Effekt des Gain-Switchings nicht mehr auf. Der resultierende Lichtpuls spiegelt dann sehr gut den tatsächlichen Stromverlauf und damit die Schaltgeschwindigkeit des Treiberbausteins wieder. Auf diese Weise lässt sich zeigen, dass bereits aus einer niedrigen Versorgungsspannung definiert kurze Laserpulse mit sehr schnellen Flanken erzeugt werden können, wobei die Pulsform reproduzierbar und unabhängig von Pulslänge und Pulshöhe ist (Bild 3).

Über den Autor:

Uwe Malzahn ist im ASSP-Vertrieb und der Applikationsunterstützung bei iC-Haus tätig.