JP2005530332A - 複数のレーザダイオードを備えるレーザダイオード装置 - Google Patents

Abstract

レーザダイオード装置が電気的に直列に接続された複数のレーザダイオード（２）を含み、これらレーザダイオードに各々バイパス装置（４）が電気的に並列に接続され、バイパス装置は、通常運転時は高抵抗を呈し、レーザダイオード（２）が電流回路を高抵抗中断状態にする高抵抗故障を生じた時にそのレーザダイオードを低抵抗でバイパスする。この結果、1個のレーザダイオードの故障に伴い、直列の他のダイオードが点灯不能になるのを防止できる。

Description

本発明は、電気的に直列に接続された複数のレーザダイオードを備えるレーザダイオード装置に関する。

大容量レーザダイオードは適用可能な多くの応用分野を持っている。特に固体レーザや材料処理装置などのポンプがそれに属する。大容量レーザダイオードはレーザ活性部材として、互いに並置され、電気的に並列に接続された複数の単独発光体からなり、直方体形状の半導体構造物、所謂レーザダイオードアレイを含んでいる。かかるアレイは、典型的には長さが約１０ｍｍ、幅が０．３〜２．０ｍｍ、更に高さが０．１〜０．１５ｍｍである。ｐｎ接合領域で発生したレーザ光は、レーザダイオードアレイの長手方向側面から放射する。レーザダイオードアレイは、電気的な接触や冷却のために用いられる基板と蓋板との間に配置される。レーザダイオードアレイ、電気接触板および冷却手段からなる構造部品がレーザダイオードと称される。このようなレーザダイオードの典型的な光学的出力容量は製品仕様および運転様式に応じて約１Ｗないし数百Ｗに達する。

出力容量を一層高めるべく、複数のレーザダイオードを幾何学的に水平方向に並置したり（＝水平スタック）、上下方向に積み重ねたり（＝垂直スタック）して配置している。
この種積層体においては、典型的には２〜数百個のレーザダイオードを電気的に直列に接続する。積層体の運転時、例えばレーザダイオードアレイの自然発生的な破壊又はレーザダイオードアレイの電気的接触の機能不全により、積層体内に配置した単数又は複数のレーザダイオードの欠落という事態に至ることがある。そこでそのような個々のレーザダイオードの高抵抗化故障によって、直列回路を経て積層体に流れる電流が中断され、そのため全積層体が使用不能、即ち故障という事態になる。そのため個々のレーザダイオードの故障により積層体全体を交換せねばならなくなる。これはレーザ設備全体の運転停止につながり、かなりの経済的損失を招く。このような運転停止は、原理的には並列接続したレーザダイオード積層体を備えた冗長配置によって回避できる。しかしながらそれはレーザ源に相当高いコストを要することになる。

従って本発明の課題は、個々のレーザダイオードの故障時でも運転を継続可能な、電気的に直列に接続された複数のレーザダイオードを備えたレーザダイオード装置を提供することにある。

この課題は本発明によれば、請求項１に記載の構成を持つレーザダイオード装置により解決される。電気的に直列に接続した複数のレーザダイオードの各々に少なくとも１つのバイパス装置を電気的に並列に接続し、該バイパス装置が通常運転時に高抵抗を呈し、レーザダイオードの高抵抗化故障時には該ダイオードを低抵抗でバイパスする故、レーザダイオードの故障にも係わらず、故障を生じたレーザダイオードで電流が中断されないように、それに直列に接続した残りのレーザダイオードを経て電流が流れ続けるように保障できる。積層体全体は無視しうる程度の容量減少を伴うが、更なる運転を継続することができる。従って、場合によっては必要となる交換作業や復旧作業を、このレーザダイオード装置を備えたレーザ設備の予め計画された停止時間迄先延ばしすることができる。

場合によっては、レーザダイオード積層体に冗長レーザダイオードを設けたり、容量予備を付加したりすることができる。それにより個々のレーザダイオードの欠落時でも、レーザダイオードスタックの計画した定格容量を下回らないようにできる。

なお、「低抵抗」、「高抵抗」なる概念は次のように理解するものとする。即ち、バイパス装置の抵抗は、通常時はバイパス装置の損失電力がレーザダイオードの電力消費より少ない程度に大きい。好ましくは前者の損失電力は後者のそれの１／１０より少ない。バイパス時には、バイパス装置の抵抗が、通常運転時のレーザダイオードの抵抗値のオーダを実質的に上回らない値、特に明らかにそれより小さい値に低下する。その際、レーザダイオードの電流の流れもバイパス装置の電流の流れも、オーム抵抗および拡散電圧（ダイオード特性の場合）又は点弧電圧又は閾値電圧（サイリスタ又はトランジスタの場合）の影響を受ける特徴的な電圧閾値によって影響を受けることに注意せねばならない。

他の好ましい構成では、自己スイッチング型バイパス装置を設ける。ここで自己スイッチング型なる概念は、レーザダイオードの電圧が閾値を超えたとき、バイパス装置が外部からの制御なしに必然的に低抵抗になることを意味する。

自己スイッチング型バイパス装置として、特にレーザダイオードの運転領域の電圧下で高抵抗を示す単数のダイオード又は複数のダイオードからなる回路が設けられる。

本発明の好ましい構成では、可制御スイッチング素子として単数のサイリスタ又は複数のサイリスタで構成される回路を含む自己スイッチング型バイパス装置を設ける。サイリスタは３端子を持つ可制御スイッチである。サイリスタのアノードとカソードはダイオードと同様に接続される。サイリスタは、制御のために用いる第３の端子に素子固有の閾値電圧より高い電圧を印加することで導通する。この電圧は高抵抗レーザダイオード故障時の電圧上昇の結果としてサイリスタのアノードで捕捉するのがよい。バイパス装置として簡単なダイオードに比較し、この装置の損失電力がかなり少ないと言う利点がある。ダイオードで構成したバイパス装置は、常に定格運転においてバイパスされたレーザダイオードより多くの損失電力を生ずるので、故障後のレーザダイオード積層体の電力消費は定格運転に対し増大する。それに対しサイリスタバイパスは、バイパスすべきレーザダイオードより少ない損失電力（容量）を示す。それは、サイリスタの駆動電圧が点弧電圧より明らかに低くても再び高抵抗になることがないからである。このことは、バイパスの長寿命化、低冷却コスト化および低消費エネルギー化に導く。

サイリスタは、レーザダイオードの最高運転電圧より少し高い電圧値で確実に点弧させるのがよい。そのためサイリスタの必要な動作閾値は、サイリスタの適切な設計や特定の動作閾値を有する付加的な素子、例えばツェナーダイオードによって達成できる。

基本的には、可制御スイッチング素子を有する自己スイッチング型バイパス装置の代わりに、可制御スイッチング素子のスイッチングに必要な制御信号、サイリスタなら点弧電圧を外部から導入することもできる。

外部からの制御が可能なバイパス装置の使用は、通常運転では利用されない、即ちバイパス装置で短絡されている、付加的なレーザダイオードアレイ又はレーザダイオードを含むレーザダイオード装置の構成を可能にする。レーザダイオードの欠落時、それはバイパスされ、利用されていないレーザダイオードはそれに付属するスイッチング素子の導通によって電流回路に投入され、それによりレーザダイオード装置は同じ運転態様および同じ出力容量をもって、更なる運転を継続できる。

本発明の更に好適な構成では、バイパス装置をレーザダイオードの接触板と冷却板との間に配置する。この構成は、スタックへのバイパス装置の簡単な集積を可能にする。

バイパス素子は、バイパスすべきレーザダイオードと同様の方法で冷却するのがよい。

更に他の好ましい構成では、バイパス装置とレーザダイオードを１つのチップ上に集積する。かくしてレーザダイオードスタックの製造時の製造コストを低減できる。

次に、図面に示す実施例を参照して本発明を更に説明する。

図１に示す本発明のレーザダイオード装置では、複数のレーザダイオード２を電圧源Ｕに電気的に直列に接続している。このように形成した数百個迄のレーザダイオード２を含み得るスタックを経て、典型的には５０〜１００Ａに達する大電流Ｉが流れる。その際、通常運転時には、各レーザダイオード２に、運転電流およびレーザダイオードの仕様（例えば波長）に応じて約２Ｖの電圧降下Ｕ_Ｄが生ずる。各レーザダイオード２にバイパス装置４を並列に接続している。この装置４は、通常運転時（＝非接続。開放スイッチによって図式的に分かりやすく表現している）には高抵抗、即ち定格運転時のレーザダイオード２のオーム抵抗より明らかに大きいオーム抵抗を持つ。従って非接続のバイパス装置の損失電力消費はレーザダイオードの定格消費電力より小さく、特にレーザダイオード２の電力消費の１／１０より少ない値である。

個々のレーザダイオード２の高抵抗化（開路）故障はレーザダイオード電流回路を開路させ、バイパス装置がなければ全運転電圧Ｕが故障を生じたレーザダイオード２にかかってしまう。かかる場合、当該レーザダイオード２はそれに付属するバイパス装置４を経て低オーム抵抗でバイパスされ（バイパス装置が投入され）、電流の流れが残りのレーザダイオード２を経て殆ど変化なしの大きさに維持される。ここで「低抵抗」とは、通常運転時のレーザダイオード２が持っていた抵抗値を実質的に超えない抵抗値を意味する。特にバイパス装置４は、そのレーザダイオード２の欠落時の抵抗が通常運転時のレーザダイオードの抵抗より明らかに小さいようにするのがよい。

バイパス装置４としては、可制御スイッチ、即ち可制御スイッチング素子の機能を満たす、例えばトランジスタやサイリスタを含む電気回路が基本的に適している。その際、制御に必要な制御信号Ｓは制御兼評価装置６により外部で生成される。制御兼評価装置６は各レーザダイオード２に生ずる電圧降下Ｕ_Ｄを監視し、欠落した単数又は複数のレーザダイオード２を特定する。しかしながら基本的には、各レーザダイオード２の正しい運転の監視はバイパス装置４の内部で実施することもできる。即ち可制御スイッチング素子の制御に必要な制御信号Ｓを、バイパス装置４の外部ではなく内部で生成させてもよい。その場合、バイパス装置４は自己スイッチング型である。

外部から制御されるバイパス装置４を用いることで、単数又は複数のレーザダイオード２の欠落時、対応する数の短絡されたダイオード２をバイパス装置４の開路によって投入すべく、若干のレーザダイオード２を予め短絡しておくことも可能である。

図２では、バイパス装置４として複数のダイオード８からなる回路を用いている。ここでは、受動型（非可制御型）の素子からなり、レーザダイオードの高抵抗発生時に外部又は内部で発生した制御信号の活性化準備をすることなしに自ら低抵抗になる自己スイッチング型バイパス装置４を用いている。図示した複数のダイオード８の直列回路にて、適当な方法により、図３に示すような電圧対電流特性が生ずる。この図において、レーザダイオード２とそれに並列接続したバイパス装置４からなる回路部分を経て流れる電流Ｉは電圧Ｕ_Ｄに対応して生ずる。曲線ａは健全なレーザダイオードの電圧対電流特性を示す。曲線ｂは、複数ダイオードの直列回路からなるバイパス装置４の電圧対電流特性を示す。ここでバイパス装置４は、その閾値電圧Ｕ_Ｓがレーザダイオードの最高運転電圧Ｕ_ｍａｘより高くなるよう設定せねばならない。換言すれば、バイパス装置４はレーザダイオード２の運転領域では高抵抗であり、その運転領域を超える電圧の下では低抵抗になる。その結果レーザダイオード２の運転領域ではバイパス装置４に無視しうる抵抗損失しか生じない。実施例では、バイパス装置４の抵抗値はレーザダイオード２の欠落時のそれにほぼ等しい大きさである。スタックを通る一定電流Ｉ_０を維持すべく、故障したレーザダイオード２とバイパス装置４からなるスタック部分の電圧はＵ_Ｄは若干上昇せねばならない。従って同部分の大きな電圧差Ｕ_Ｄ，１＞Ｕ_Ｄ，０に応じ、同部分の同一電流Ｉ_０の下で幾分大きな電力が消費される。レーザダイオード装置のレーザ出力容量を調整する場合、これを経て流れる電流Ｉは付加的に少し大きくなる。

図４の実施例では、バイパス装置４はレーザダイオード２に並列に接続したサイリスタ１０（ｐ型）を含む。サイリスタ１０のゲート（制御電極）をツェナーダイオード１２を経てレーザダイオード２のアノードに接続している。ツェナーダイオード１２は通常運転時にサイリスタ１０の点弧を阻止する。レーザダイオード２のアノード電圧が高抵抗化故障のため上昇し、ツェナーダイオード１２のツェナー電圧を超えると、サイリスタ１０のゲートに制御電流が流れる。その結果サイリスタ１０が点弧し、レーザダイオード２がバイパスされる。この構成では、バイパス装置４は自己スイッチング型であり、サイリスタの制御電極が、レーザダイオード２にかかっているアノード電圧を介して直接（ツェナーダイオードなしの回路構成）又は間接に作動させられる。しかし、基本的には可制御スイッチとして用いるサイリスタのゲートは、外部からの制御電圧で駆動してもよい。

図５によれば、電気的に直列に接続された複数のレーザダイオード２をスタックの形に配置している。この実施例では、上下方向に積み重ねた複数のダイオード２が垂直スタックを形成している。各レーザダイオード２は、金属、特に銅製の両接触板２２間に介挿されたレーザダイオードアレイ２０を含んでいる。接触板２２は同時に放熱板として用いられ、特に大電力領域において付加的にマイクロチャネルを備え、冷却流体によって冷却される。レーザダイオードアレイ２０は両接触板２２の間にろう付けされる。この構造体内に、レーザダイオードアレイ２０と共に、正コンタクト又は負コンタクトとして用いられる両接触板１０の間にバイパス装置４がろう付けされている。

本発明によるレーザダイオード装置の基本構成を示す結線図。 バイパス装置の一実施例を示す結線図。 レーザダイオードおよび図２のバイパス装置の電圧対電流特性を示す線図。 自己スイッチング型バイパス装置の他の実施例を示す結線図。 互いにスタックの形に配置され電気的に直列に接続されたレーザダイオードを備えたレーザダイオード装置の基本構造を示す側面図。

符号の説明

２ レーザダイオード、４ バイパス装置、８ ダイオード、１０ サイリスタ、１２ ツェナーダイオード、２０ レーザダイオードアレイ、２２ 接触板、Ｕ_Ｓ 閾値電圧、Ｕ_Ｄ 電圧、Ｕ_ｍａｘ 最高運転電圧、Ｕ 電圧源、Ｉ 電流

Claims (8)

1. 電気的に直列に接続された複数のレーザダイオード（２）を備え、これらダイオードに各々バイパス装置（４）が電気的に並列に接続され、前記バイパス装置は、通常運転時は高抵抗を呈し、レーザダイオード（２）の高抵抗故障時にそのレーザダイオードを低抵抗でバイパスするレーザダイオード装置。
2. 前記バイパス装置（４）が自己スイッチング型である請求項１記載の装置。
3. 前記バイパス装置（４）が単数のダイオード又は複数のダイオードの組合せを含み、該ダイオードが前記レーザダイオード（２）の運転領域内の電圧の下で高抵抗を呈する請求項２記載の装置。
4. 前記バイパス装置（４）が単数のサイリスタ（１０）又は複数のサイリスタの組合せを含み、該サイリスタが前記レーザダイオード（２）のアノードに加わるアノード電圧により直接又は間接に駆動される請求項２記載の装置。
5. 前記バイパス装置（４）が外部から制御可能なスイッチング素子（５）を含む請求項１記載の装置。
6. 前記バイパス装置（４）が前記レーザダイオード（２）の両接触板間に配置された請求項１から５の１つに記載の装置。
7. 前記バイパス装置（４）とレーザダイオード（２）が１つのチップ上に集積された請求項１から６の１つに記載の装置。
8. 前記バイパス装置（４）とレーザダイオード（２）が共通の冷却兼接触部材上に単独の構造部品として配置された請求項１から７の１つに記載の装置。

Images