パルスレーザーダイオードのピークパワー計算

1. どのピークパワーが必要か定義する

データシートの「ピークパワー」は、光学ピークパワー、ピーク順電流、電気パルスパワーのいずれかです。これらは同じ値ではありません。リンクバジェットや距離計算では、窓、レンズ、FAC、ファイバ結合後の光学ピークパワーを使います。

ドライバが10 Aを出せても、レーザーと光学系が同じパワーを出せるとは限りません。計算の出発点が実測平均光出力、パルスエネルギー、電流、データシート値のどれなのかを明記してください。

2. 3つの基本式を使う

規則的に繰り返すパルスでは、デューティ比はパルス幅と繰り返し周波数の積です。FWHMが全幅と等しい矩形パルスでは次の式が成り立ちます。

単位を統一してください。100 nsは100 × 10^-9 sです。平均パワーがmWなら、割り算の前にWへ換算します。

3. 数値例で確認する

光学ピーク180 W、パルス幅100 ns、繰り返し3 kHzの場合：

逆算も同じくらい重要です。10 kHzで平均10 mWを測定した場合、パルスエネルギーは1 µJです。FWHM 100 nsの矩形パルスなら光学ピークは10 Wになります。

4. 矩形以外のパルスを補正する

実際のレーザーパルスには立ち上がり・立ち下がり時間があります。パルスエネルギーとピーク振幅から波形係数kを定義します。

理想的な矩形ではk = 1です。ガウスパルスはk ≈ 1.0645で、同じエネルギーとFWHMなら頂点は矩形の計算値より少し低くなります。三角パルスはk = 0.5なので、同じエネルギーには2倍の振幅が必要です。

立ち上がりが遅い、非対称、リンギングがある場合は、校正済み検出器で波形を測り面積を積分します：E = ∫ P(t) dt。オシロスコープの最大サンプル値ではなく、測定したエネルギーを基準にします。

5. 光学ピークと電気ピークを分ける

電気パルスパワーは、パルスの平坦部でおおよそ電圧×電流です。光学パワーは変換効率の分だけ低くなります：P_opt = η × V_f × I_pulse。5 V、10 Aは電気的に50 Wで、効率35 %なら光学出力は約17.5 Wです。

この概算はドライバ選定に役立ちますが、光学測定の代わりにはなりません。順方向電圧は電流と接合温度で変化し、高電流・高温では効率が下がります。ナノ秒パルスでは立ち上がり時間とループインダクタンスも実際の供給エネルギーを変えます。

6. 定格と発熱で結果を検証する

計算上のピーク値が正しくても、安全な動作点とは限りません。最大ピーク電流、パルス幅、デューティ比、ケース温度、電流ディレーティングを同時に確認します。ピークパワー、幅、繰り返し周波数は一組の条件です。

平均発熱は平均光出力ではなく損失から見積もります：P_heat,avg ≈ D × (V_fI_pulse − P_opt)に漏れ電流とドライバ損失を加えます。TO56エミッタは1 kHzでは余裕があっても、光学ピークが同じまま2 kHzで過熱することがあります。

7. 5ステップの計算手順

1. 実測平均光出力、またはリンクバジェットで必要なパルスエネルギーを記録します。
2. 実際のドライバ波形からパルス幅、繰り返し周波数、デューティ比を取得します。
3. 時間を秒に換算し、パルスエネルギーを計算します。
4. 実効パルス幅で割るか、波形係数を適用します。
5. ピーク電流、平均発熱、デューティ・ディレーティング、温度、レーザー安全限界を確認します。

ピークパワー計算機で計算し、その結果をデバイスの絶対最大定格と比べてください。ピークパワー、パルス幅、デューティ比の記事では、これらが距離性能と分解能に与える影響を説明しています。