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WO2021023544A1 - Optical pulse generator and method for operating a high-power, short-pulse optical pulse generator - Google Patents

Optical pulse generator and method for operating a high-power, short-pulse optical pulse generator Download PDF

Info

Publication number
WO2021023544A1
WO2021023544A1 PCT/EP2020/071112 EP2020071112W WO2021023544A1 WO 2021023544 A1 WO2021023544 A1 WO 2021023544A1 EP 2020071112 W EP2020071112 W EP 2020071112W WO 2021023544 A1 WO2021023544 A1 WO 2021023544A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulse generator
optical component
optical
optical pulse
generator according
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/071112
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Hoffmann
Andreas Klehr
Armin Liero
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin E.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin E.V. filed Critical Forschungsverbund Berlin E.V.
Publication of WO2021023544A1 publication Critical patent/WO2021023544A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/42—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use, as active elements, of opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled

Definitions

  • the present invention relates to an optical pulse generator and a method for operating an optical pulse generator.
  • the present invention relates to an optical pulse generator based on powerful laser diodes for LiDAR systems, in which the individual components of the pulse generator can no longer be viewed as concentrated elements.
  • ⁇ DAR light detection and ranging
  • LiDAR systems are also increasingly being used in motor vehicles, in particular for the detection of obstacles.
  • Corresponding LiDAR systems for use in motor vehicles are known, for example, from US Pat. No. 7,969,588 B2.
  • An optical pulse generator is known from WO 2018/059965 A1, with which the shortest possible laser pulses with fast rise times are realized through low inductances of the laser diodes and drivers.
  • the demand for greater range and better resolution calls for more pulse power in shorter times. Since the optical power is in a first approximation proportional to the diode area, larger diodes are required. Together with the demand for shorter switching times, the distributed properties of the internal parasitic inductances, capacitances and resistances can no longer be neglected and the laser diode can no longer be viewed as a concentrated component.
  • the parasitic resistances and inductances within a laser diode or other radiation-emitting optical components based on semiconductor result in an uneven current distribution within the optical component. Due to the skin effect, these inductances and resistances are also frequency-dependent and thus negatively influence the switching edges.
  • Laser diodes can be interconnected from many individual emitters. Parts of these emitters are segments. Emitter and parts thereof (segments) can be inside the laser diode can be combined into groups. Emitter and segments of the laser diode which are further away from the laser driver thus achieve a lower current intensity with a time delay and with a lower edge steepness.
  • the optical output pulse of the laser system can therefore not reach an optimal amplitude and is also broadened.
  • an optical pulse generator according to the invention should uniformly supply all emitters and their segments of a laser diode with current. Several emitters or several segments can be combined into a group.
  • An optical pulse generator comprises an active optical component designed to emit optical radiation; a means for electrically controlling the optical component, designed to excite the optical component to a pulsed emission of optical radiation, wherein the active optical component is divided along a longitudinal axis into at least two groups, consisting of emitters or their segments, each of the groups each contacted a mutually electrically separated power supply. This means that there are no cross currents between the individual groups and the current through the individual groups is the same and therefore across the active optical component homogeneous.
  • the optical pulse generator preferably comprises between two and sixteen power supply lines, more preferably between 4 and 8. Preferably, all groups contact a common power supply line.
  • the vertical axis of an optical pulse generator is preferably meant by the fast axis.
  • the transverse axis of an optical pulse generator is preferably meant by the slow axis.
  • the fast axis, the slow axis and the longitudinal axis are preferably perpendicular to one another in the direction of beam propagation.
  • each of the groups preferably makes contact with a current drain that is electrically separated from one another.
  • the generation of high currents requires parallel power supplies anyway. This fact can be used to advantage here and thus carried out separately from the outset.
  • the optical pulse generator according to the invention preferably comprises at least two means for electrical control, each of the means for electrical control being designed to control one of the at least two groups of the active optical component. With several means of electrical control, higher currents can be achieved more easily.
  • the multiple separate power supply lines are preferably implemented stacked along a vertical axis; even more preferably, the power supply lines to the individual groups are implemented via a multilayer wiring system with low inductance.
  • the individual multilayer connections between the means / s for electrical control and the groups of the active optical component are preferably implemented via a multilayer wiring system with low inductance.
  • the multiple separate power supply lines are preferably implemented along the vertical axis above or below the active optical component. Which of the methods is used depends on the technological options available. Lines placed under the component enable the inexpensive standard SMD structure. Lines placed over the optical component allow better, direct heat dissipation for the optical component into the base body.
  • the multiple separate power supply lines are preferably implemented alongside one another along the longitudinal axis and / or the slow axis. This avoids magnetic coupling of current paths.
  • the active optical component preferably comprises anodes and cathodes arranged on sides of the active optical component lying along the vertical axis. This means that all emitters of the laser diode are aligned in the same way (in the vertical axis) and are then connected in parallel via the corresponding control circuits. This variant results as the simplest solution from the technological process of manufacturing the optical component.
  • the active optical component comprises anodes and cathodes arranged along the slow axis, more preferably the anodes and cathodes are then arranged alternately along the slow axis. This means that the feed points can be selected at a shorter distance, which results in lower parasitic inductance.
  • the means for electronic control of the optical component is preferably a driver circuit adapted to the electronic parameters of the active optical component for high-frequency pulse generation.
  • the means for electronic control is preferably designed to control the optical component via high-frequency high-current pulses.
  • the driver circuit can be constructed from one or more pairs of control transistors and storage capacitors.
  • the optical pulse generator preferably comprises an interposer.
  • This adapts different layout sizes on circuit boards and semiconductor chips to one another.
  • the intermediary is an LTCC carrier (low temperature co-fired ceramic), a low temperature sintered ceramic carrier.
  • the means for electrical control is preferably designed to control the individual groups of the active optical component with adjustable amplitudes and pulse sequences. Differences between individual signal paths can be compensated for.
  • the idea of the present invention consists in that the lowest possible values for the lead inductance and lead resistance are achieved by a multiple feed that ends at individual laser diode groups. In addition, all laser diode groups with several emitters or segments thereof are uniformly supplied with power.
  • the optical pulse generator comprises an active optical component designed to emit optical radiation; wherein the active optical device has at least two emitters, each emitter comprising an anode and a cathode, the anode and the cathode being arranged along the slow axis; a means for the electrical control of the optical component, designed to the optical To excite the component to a pulsed emission of optical radiation; wherein the active optical component comprises a single power supply, and wherein the anodes and cathodes of the individual emitters are electrically connected in series within the optical component.
  • the n-fold current is not required, but only the simple current at n-fold voltage, where “n” represents the number of individual emitters. Since the current is the critical parameter, higher output powers and / or shorter switching times with moderate current feed can be achieved with this embodiment.
  • the current is preferably injected along the slow axis. In this case, grouping the active optical component is no longer necessary or possible.
  • the simpler wiring (only one outer anode and one outer cathode in total) reduces the circuit complexity and thus the number of parasitic loss resistances and increases the efficiency.
  • This embodiment is preferably implemented with the aid of a very thin dielectric, the structural inductance being minimized.
  • the dielectric is preferably thinner than 100 ⁇ m, even more preferably thinner than 50 ⁇ m.
  • the output stage is preferably implemented by GaN transistors. Depending on the material, GaN transistors allow operating voltages up into the kilovolt range. This enables the higher voltage of the series connection.
  • a plurality of anodes and cathodes are arranged alternately along the slow axis, more preferably at least two anodes and at least two cathodes are arranged alternately along the slow axis.
  • alternating preferably means that an anode is always arranged between two cathodes and a cathode is always arranged between two anodes.
  • the active optical component comprises only exactly one external cathode and exactly one external anode. This simple wiring reduces the circuit complexity and thus the number of parasitic loss resistances and the efficiency is increased.
  • the current is preferably fed in along the slow axis.
  • the power supply lines for all embodiments are preferably also defined as feeds.
  • this planar arrangement Compared to the conventional series connection with emitters stacked on top of one another, this planar arrangement has the advantage that frequency-selective components such as optical grids can be implanted. So the resulting laser diode has one much smaller, temperature-dependent wavelength shift (typical factor 6-7). Narrow-band optical filters can be used, the signal-to-noise ratio increases and, for example, a higher system range is achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic 3D illustration of a conventional optical pulse generator with a submount with x, y, z-axis designation
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section along the fast axis of a conventional optical pulse generator with submount
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of an optical pulse generator according to the invention
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of an optical pulse generator according to the invention
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram of a fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a section along the fast axis of a first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • FIG. 9 shows a schematic representation in plan view of the first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a section along the fast axis of a second variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • 11 shows a schematic representation in plan view of a third variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • 12 shows a schematic representation of a section along the slow axis of a fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a section along the fast axis of the fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a section along the slow axis of a fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount and FIG
  • FIG. 15 shows a schematic representation in plan view of the fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • FIG. 1 shows a conventional optical pulse generator.
  • the conventional optical pulse generator is shown in the form of a 3D structural sketch.
  • FIG. 2 shows a section through its longitudinal axis y, and for a simplified understanding, an equivalent circuit diagram of the conventional optical pulse generator is shown in FIG. 3.
  • the x-axis represents the transverse axis and slow axis of the optical pulse generator
  • the y-axis represents the longitudinal axis and direction of radiation propagation of the optical pulse generator
  • the z-axis represents the vertical axis and the fast axis of the optical pulse generator.
  • the structure of the conventional optical pulse generator consists of a base body 5 with a printed circuit board 4, on which there is a submount 40 and one or more drivers 20.
  • a submount 40 On the submount 40 is an active optical component 10, e.g. a broad area laser or several individual emitters (emitter bars) arranged in parallel ) and a cover 30 is arranged on the optical component 10.
  • the conventional optical pulse generator emits generated light 6 in the direction of the longitudinal axis y.
  • the equivalent circuit diagram is divided into two areas with a dashed line.
  • the first area represents the driver 20, with a voltage source U, an inductance LS and a resistor RS.
  • the second area represents the active optical component 10, with three laser diode emitters or segments thereof, DT, D2 'and D3', the resistors RPT, RP2 'and RP3' and the capacitors CT, C2 'and C3'.
  • the inductances L2 'and L3' lead to an uneven current distribution of the currents I1 ', I2' and I3 '. Due to the skin effect, the inductances L2 ', L3' and the resistors R2 ', R3' are additionally frequency-dependent and thus have a negative influence on the switching edges of the active optical component 10. The current I2 'and even more so the current I3' have not only smaller amplitudes than the current I1 ', but also a significant time delay and a lower edge steepness.
  • the laser diode D1 ' is already in saturation, the laser diodes D2' and D3 'show significantly smaller amplitudes and are delayed, with a lower edge steepness.
  • the output pulse of the laser system cannot therefore reach an optimal amplitude and is also broadened.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of a first embodiment of an optical pulse generator according to the invention.
  • a multiple feed is used that ends at individual groups of the active optical component 10. 4 shows that initially no changes are made to the structure of the active optical component 10 compared with the conventional optical pulse generator. There is only a separate supply of the laser diode groups DT, D2 ‘and D3‘ formed.
  • the resistors RSA, RSB and RSC and the inductances LSA, LSB and LSC must be selected so that the voltage drop across the parasitic resistances R2 ‘and R3‘ and the inductances L2 ‘and L3‘ is minimal. There are therefore no cross currents between the groups of the active optical component 10 and the currents I2 ‘and I3‘ are equal to the current I, the current being homogeneous over the entire active optical component 10.
  • the number of possible feeds depends on the technological possibilities, on the structure and size of the active optical component 10 and the desired pulse shape. In this embodiment, all laser diode groups DT, D2 and D3 ‘have a common current drain.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of an optical pulse generator according to the invention.
  • the second embodiment differs from the first embodiment only in that each of the laser diode groups DT, D2 'and D3'des active optical component 10, is supplied by its own voltage source UA, UB and UC.
  • the individual groups of the active optical component 10 can be supplied separately with adapted amplitude and pulse shape and thus additionally compensate for the differences between the individual signal paths.
  • This embodiment is particularly advantageous insofar as the required high currents have to be generated with several pulse sources anyway. This need is used here to improve the output pulse shape within the meaning of this patent. For this purpose, four different variants are listed below.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of an optical pulse generator according to the invention. This embodiment differs from the second embodiment only in that, in addition to separate power supplies, separate power leads are also provided. This then also prevents common voltage drops in the ground line.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram of a fourth variant of an optical pulse generator according to the invention.
  • a component with particularly homogeneous radiation behavior is generated, since the same current flows through all emitters.
  • an optical component with this internal interconnection according to the invention is a prerequisite.
  • FIGS. 8 and 9 show a first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a section along the longitudinal axis y of the first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount
  • FIG. 9 shows a schematic illustration in the corresponding plan view.
  • the basic structure largely corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 (prior art). The respective reference symbols and their assignment apply accordingly.
  • this embodiment is characterized in that the power supply lines 11 are implemented by multiple supply lines of the currents 8 one above the other.
  • the optical component 10 is mounted with the submount 40 on the circuit board 4.
  • the various groups 3 of the optical component 10 are fed in via a plurality of layers 11 with low inductance. These layers 11 establish the connection between the means for electrical control 20, 21, 22, 23 located on the printed circuit board 4 and the groups 3 of the optical component 10.
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a section along the longitudinal axis y of a second variant of the second embodiment of an optical according to the invention Pulse generator with submount.
  • the basic structure largely corresponds to the embodiment shown in FIGS. 8 and 9.
  • the respective reference symbols and their assignment apply accordingly.
  • the optical component 10 is soldered on the submount 40 as a flip-chip component on the circuit board 4.
  • the submount 40 is processed in such a way that the optical component 10 is seated in a recess and both contact surfaces (anode and cathode) form a plane.
  • a printed circuit board with several layers (layers) has ground as the base and also the top layer, so that the inner conductors 11 as strip lines with low inductance can feed the current 8 to the groups 3 of the optical component 10.
  • the optical component can advantageously be mounted like standard SMD components at the expense of a somewhat higher thermal resistance.
  • a second wiring carrier as in variant one of the second version is not required.
  • FIG. 11 shows a schematic representation in plan view of a third variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • the basic structure largely corresponds to the embodiment shown in FIG. The respective reference symbols and their assignment apply accordingly.
  • This embodiment is characterized in that the power supplies 11 of the multiple currents 8 take place one behind the other, e.g. via a structured circuit board material and not next to one another as in Fig. 9.
  • this embodiment is shown as an example with two means for electrical control 20, 21.
  • the currents 8 are fed in via two conductor tracks 11 which are located in a conductor plane.
  • the two groups (here segments) 3 of the optical component 10 are separately supplied with current 8. This structure avoids a magnetic coupling of the current paths, as can occur with the previous variants.
  • the power supply 11 can take place below the optical component 10 on the circuit board level or it can be designed as a feed above the optical component 10. In order to ensure an optimal power supply 11 with different geometries of the optical component 10, it may be necessary to combine the features of the previous variants with this one.
  • 12 and 13 show a fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • 12 shows a schematic representation of a section along the slow axis x of this variant of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • the basic structure largely corresponds to the variants shown in FIGS. 8 and 9.
  • the respective reference symbols and their assignment apply accordingly.
  • an optical component 10 with planar connections is required.
  • the optical component 10 is built up on an insulating or semi-insulating substrate.
  • the contacts of the anode A and cathode K are structured in such a way that they lie in one plane, with which both the anode and the cathode can be contacted and supplied with current from one side of the optical component.
  • the cathode K and the anode A then appear alternately on the optical component for each emitter.
  • the embodiment variant according to FIG. 12 is built up on the circuit board 4 using the flip-chip method.
  • Each individual anode A of a diode emitter is divided into groups 3 and supplied with power separately. All anodes A and cathodes K for the individual groups 3 are then combined together on the circuit board 4.
  • An interposer is preferably provided which, given different layout sizes of the circuit board 4 and the optical component 10, adapts them to one another. This is preferably an LTCC carrier.
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of a section along the longitudinal axis y of the fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • the individual groups 3 of an anode A (in total then for all) are supplied separately with current 8.
  • four means for electrical control 20, 21, 22, 23 of the optical component 10 are used, but this number can be varied depending on the desired accuracy and technological possibilities. It is also possible to arrange the optical component 10 below the printed circuit board 4 and to carry out the multiple feed at the printed circuit board level by means of multilayers.
  • FIG. 14 and 15 show a fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • FIG. 14 shows a schematic illustration of a section along the slow axis x of the fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount and
  • FIG. 15 shows a schematic illustration in plan view of the fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
  • the basic structure largely corresponds to that in Fig.
  • This embodiment requires an optical component 10 with planar connections, as in the fourth variant of the second embodiment.
  • the multiple feed method is changed. While, according to the previous inventive embodiments, the individual diode emitters 9 or diode emitter groups 3 of the optical component 10 are all connected in parallel, in the present inventive embodiment, all diode emitters 9 are connected in series. The cathode K of an emitter 9 is connected to the anode A of the adjacent emitter 9. This connection takes place continuously until all emitters 9 of an optical component 10 are connected accordingly. This series connection results in decisive advantages:
  • n-times the current is not required, but the simple current at n-times the voltage, where n corresponds to the number of emitters 9. Since the current is the critical parameter, especially with short pulses, higher output currents and / or shorter switching times can be achieved.
  • the electricity is fed in sideways. A division into segments 3 is no longer necessary. It is also possible to combine several emitters into a group, the emitters of which are connected in parallel, the groups being connected in series as described; preferably applicable for lasers with a large number of emitters.
  • the assembly inductance is preferably minimized by mounting over a very thin dielectric.
  • the higher voltage (1.5 V to 2.5 V per emitter) required for the electrical control of the laser with emitters in series can preferably be achieved using GaN transistors, which usually have dielectric strengths of 30 V to over 200 V with short switching times.
  • a single means for electrical control 20 of the optical component 10 is necessary.
  • Embodiment 4 is described in more detail using an example:
  • a laser diode bar (optical component 10) with 16 emitters 9 is described. Each emitter is 50 pm wide. The distance between the emitters is 200 pm. The component with the edge zone is thus 3.4 mm wide. The length of this component is 3 mm.
  • the cathodes and anodes are connected in the semiconductor via active layers and metal layers.
  • the emitter structures are separated by etching the corresponding layers.
  • the component can be manufactured with a slightly different manufacturing process similar to that of conventionally produced semiconductor lasers. Compared to the conventional series circuit with emitters stacked one on top of the other, this planar arrangement has the advantage that frequency-selective components such as optical grids can be implanted.
  • the resulting laser diode thus has a significantly smaller, temperature-dependent wavelength shift (typically a factor of 6-7).
  • Narrow-band optical filters can be used, the signal-to-noise ratio increases and, for example, a higher system range is achieved (see prior art).

Landscapes

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Abstract

The invention relates to an optical pulse generator and to a method for operating an optical pulse generator. In particular, an optical pulse generator according to the invention is to uniformly supply all emitters and their segments of a laser diode with power. The optical pulse generator according to the invention comprises: an active optical component (10) designed to emit optical radiation; a means for electrically controlling (20) the optical component (10), designed to cause the optical component (10) to emit optical radiation in a pulsed manner; wherein the active optical component (10) is divided into at least two groups (3) along a longitudinal axis (y), wherein each of the groups (3) contacts a respective electrically isolated power supply (11).

Description

Titel title
Optischer Pulsgenerator und Verfahren zum Betrieb eines optischen Pulsgenerators hoher Leistung und kurzen Pulsen Optical pulse generator and method for operating an optical pulse generator with high power and short pulses
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Pulsgenerator und ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Pulsgenerators. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Pulsgenerator basierend auf leistungsstarken Laserdioden für LiDAR- Systeme, bei dem die einzelnen Bauelemente des Pulsgenerators nicht mehr als konzentrierte Elemente betrachtet werden können. The present invention relates to an optical pulse generator and a method for operating an optical pulse generator. In particular, the present invention relates to an optical pulse generator based on powerful laser diodes for LiDAR systems, in which the individual components of the pulse generator can no longer be viewed as concentrated elements.
Stand der Technik State of the art
□DAR (light detection and ranging) ist eine Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung mit Laserstrahlen. Zunehmend werden LiDAR-Systeme auch in Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Erkennung von Hindernissen, eingesetzt. Entsprechende LiDAR-Systeme zum Einsatz in Kraftfahrzeugen sind beispielsweise aus der US 7,969,588 B2 bekannt. Aus WO 2018/059965 A1 ist ein optischer Pulsgenerator bekannt, womit durch geringe Induktivitäten der Laserdioden und Treiber, möglichst kurze Laserimpulse mit schnellen Anstiegszeiten realisiert sind. □ DAR (light detection and ranging) is a method for optical distance and speed measurement with laser beams. LiDAR systems are also increasingly being used in motor vehicles, in particular for the detection of obstacles. Corresponding LiDAR systems for use in motor vehicles are known, for example, from US Pat. No. 7,969,588 B2. An optical pulse generator is known from WO 2018/059965 A1, with which the shortest possible laser pulses with fast rise times are realized through low inductances of the laser diodes and drivers.
Der Forderung nach höherer Reichweite und besserer Auflösung z.B. bei LiDAR-Systemen für das autonome Fahren im Automotiv-Bereich verlangt nach mehr Pulsleistung in kürzeren Zeiten. Da die optische Leistung in erster Näherung proportional zur Diodenfläche ist, werden größere Dioden benötigt. Gemeinsam mit der Forderung nach kürzeren Schaltzeiten kann man die verteilten Eigenschaften der internen parasitären Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände nicht mehr vernachlässigen und die Laserdiode kann nicht mehr als konzentriertes Bauelement betrachtet werden. The demand for greater range and better resolution, e.g. for LiDAR systems for autonomous driving in the automotive sector, calls for more pulse power in shorter times. Since the optical power is in a first approximation proportional to the diode area, larger diodes are required. Together with the demand for shorter switching times, the distributed properties of the internal parasitic inductances, capacitances and resistances can no longer be neglected and the laser diode can no longer be viewed as a concentrated component.
Durch die parasitären Widerstände und Induktivitäten innerhalb einer Laserdiode oder anderen Strahlung emittierenden optischen Bauelementen auf Halbleiterbasis (z.B. Lumineszenzdioden, optische Verstärkerelemente) kommt es zur ungleichen Stromaufteilung innerhalb des optischen Bauelementes. Durch den Skineffekt sind diese Induktivitäten und Widerstände zusätzlich frequenzabhängig und beeinflussen damit die Schaltflanken negativ. Laserdioden können aus vielen einzelnen Emittern zusammengeschaltet werden. Teile dieser Emitter sind Segmente. Emitter und auch Teile davon (Segmente) können innerhalb der Laserdiode zu Gruppen zusammengefasst werden. Emitter und Segmente der Laserdiode, welche weiter weg vom Lasertreiber liegen, erreichen somit eine geringere Stromstärke mit zeitlicher Verzögerung und mit einer geringeren Flankensteilheit. Der optische Ausgangspuls des Lasersystems kann somit nicht eine optimale Amplitude erreichen und ist außerdem verbreitert. The parasitic resistances and inductances within a laser diode or other radiation-emitting optical components based on semiconductor (eg luminescence diodes, optical amplifier elements) result in an uneven current distribution within the optical component. Due to the skin effect, these inductances and resistances are also frequency-dependent and thus negatively influence the switching edges. Laser diodes can be interconnected from many individual emitters. Parts of these emitters are segments. Emitter and parts thereof (segments) can be inside the laser diode can be combined into groups. Emitter and segments of the laser diode which are further away from the laser driver thus achieve a lower current intensity with a time delay and with a lower edge steepness. The optical output pulse of the laser system can therefore not reach an optimal amplitude and is also broadened.
Je größer die gewünschte Ausgangsleistung und damit je größer die Laserdiode und je kürzer die gewünschten optischen Pulse, umso kritischer wird dieses Problem, so dass die Systeme nach Stand der Technik, z.B. für LiDAR-Systeme nicht mehr verwendet werden können. Nach dem Stand der Technik sind Reihenschaltungen von einzelnen Emittern bekannt (meist drei), die durch planare Epitaxie übereinander angeordnet werden. Hierbei lassen sich jedoch keine wellenlängenstabilisierenden Elemente wie z.B. Gitter einbringen. Wellenlängenstabile Laser sind jedoch im System bevorzugt, um die optische Bandbreite so gering wie möglich zu halten und durch ein optisches Bandpassfilter ein gutes Signal- Rauschverhältnis und eine hohe Empfindlichkeit und damit Reichweite in LiDAR-Systemen zu erreichen. Durch schmalbandige Filter wird der Einfluss zum Beispiel des Sonnenlichtes effektiv unterdrückt. The greater the desired output power and thus the larger the laser diode and the shorter the desired optical pulses, the more critical this problem becomes, so that the systems according to the state of the art, e.g. for LiDAR systems, can no longer be used. According to the prior art, series connections of individual emitters are known (mostly three), which are arranged one above the other by planar epitaxy. However, no wavelength-stabilizing elements such as grids can be introduced here. However, wavelength-stable lasers are preferred in the system in order to keep the optical bandwidth as small as possible and to achieve a good signal-to-noise ratio and high sensitivity and thus range in LiDAR systems through an optical bandpass filter. The influence of sunlight, for example, is effectively suppressed by narrow-band filters.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Pulsgenerator und ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Pulsgenerators anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll ein erfindungsgemäßer optischer Pulsgenerator alle Emitter und deren Segmente einer Laserdiode gleichmäßig mit Strom versorgen. Mehrere Emitter oder mehrere Segmente können zu einer Gruppe zusammengefasst werden. It is therefore an object of the present invention to specify an optical pulse generator and a method for operating an optical pulse generator which overcome the described disadvantages of the prior art. In particular, an optical pulse generator according to the invention should uniformly supply all emitters and their segments of a laser diode with current. Several emitters or several segments can be combined into a group.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. According to the invention, these objects are achieved by the features of the independent claims. Expedient refinements of the invention are contained in the subclaims.
Ein erfindungsgemäßer optischer Pulsgenerator umfasst ein aktives optisches Bauelement, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung des optischen Bauelements, dazu ausgebildet, das optische Bauelement zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen, wobei das aktive optische Bauelement entlang einer Längsachse in mindestens zwei Gruppen, bestehend aus Emittern oder deren Segmenten, aufgeteilt ist, wobei jede der Gruppen jeweils eine voneinander elektrisch getrennte Stromzuführung kontaktiert. Damit gibt es keine Querströme zwischen den einzelnen Gruppen und der Strom durch die einzelnen Gruppen ist gleich und damit über das aktive optische Bauelement homogen. Vorzugsweise umfasst der optische Pulsgenerator zwischen zwei und sechszehn Stromzuführungen, noch bevorzugter zwischen 4 und 8. Vorzugsweise kontaktieren alle Gruppen eine gemeinsame Stromabführung. An optical pulse generator according to the invention comprises an active optical component designed to emit optical radiation; a means for electrically controlling the optical component, designed to excite the optical component to a pulsed emission of optical radiation, wherein the active optical component is divided along a longitudinal axis into at least two groups, consisting of emitters or their segments, each of the groups each contacted a mutually electrically separated power supply. This means that there are no cross currents between the individual groups and the current through the individual groups is the same and therefore across the active optical component homogeneous. The optical pulse generator preferably comprises between two and sixteen power supply lines, more preferably between 4 and 8. Preferably, all groups contact a common power supply line.
Vorzugsweise wird mit der schnellen Achse (engl fast axis) die vertikale Achse eines optischen Pulsgenerators gemeint. The vertical axis of an optical pulse generator is preferably meant by the fast axis.
Vorzugsweise wird mit der langsamen Achse (engl slow axis) die Querachse eines optischen Pulsgenerators gemeint. The transverse axis of an optical pulse generator is preferably meant by the slow axis.
Vorzugsweise stehen die schnelle Achse, die langsame Achse und die Längsachse in Strahlausbreitungsrichtung senkrecht zu einander. The fast axis, the slow axis and the longitudinal axis are preferably perpendicular to one another in the direction of beam propagation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, kontaktiert vorzugsweise jede der Gruppen jeweils eine voneinander elektrisch getrennte Stromabführung. Die Erzeugung hoher Ströme setzt ohnehin parallele Stromversorgungen voraus. Dieser Umstand kann hier vorteilhaft genutzt und so von vornherein getrennt ausgeführt werden. According to a further embodiment, each of the groups preferably makes contact with a current drain that is electrically separated from one another. The generation of high currents requires parallel power supplies anyway. This fact can be used to advantage here and thus carried out separately from the outset.
Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße optische Pulsgenerator mindestens zwei Mittel zur elektrischen Ansteuerung, wobei jedes der Mittel zur elektrischen Ansteuerung, ausgebildet ist, eine der mindestens zwei Gruppen des aktiven optischen Bauelements anzusteuern. Durch mehrere Mittel zur elektrischen Ansteuerung können höhere Ströme leichter erreicht werden. The optical pulse generator according to the invention preferably comprises at least two means for electrical control, each of the means for electrical control being designed to control one of the at least two groups of the active optical component. With several means of electrical control, higher currents can be achieved more easily.
Vorzugsweise sind die mehreren getrennten Stromzuführungen entlang einer vertikalen Achse gestapelt realisiert, noch bevorzugter werden die Stromzuführungen zu den einzelnen Gruppen über ein Multilayer-Verdrahtungssystem mit geringer Induktivität realisiert. Hierbei stellen die einzelnen Multilayer Verbindungen zwischen dem/den Mittel/n zur elektrischen Ansteuerung und den Gruppen des aktiven optischen Bauelements her. The multiple separate power supply lines are preferably implemented stacked along a vertical axis; even more preferably, the power supply lines to the individual groups are implemented via a multilayer wiring system with low inductance. In this case, the individual multilayer connections between the means / s for electrical control and the groups of the active optical component.
Vorzugsweise sind die mehreren getrennten Stromzuführungen entlang der vertikalen Achse über oder unter dem aktiven optischen Bauelement realisiert. Welche der Methoden verwendet wird, hängt von den zur Verfügung stehenden technologischen Möglichkeiten ab. Unter dem Bauelement platzierte Leitungen ermöglichen den preiswerten Standard-SMD- Aufbau. Über dem optischen Bauelement platzierte Leitungen erlauben eine bessere, direkte Wärmeabfuhr für das optische Bauelement in den Grundkörper. The multiple separate power supply lines are preferably implemented along the vertical axis above or below the active optical component. Which of the methods is used depends on the technological options available. Lines placed under the component enable the inexpensive standard SMD structure. Lines placed over the optical component allow better, direct heat dissipation for the optical component into the base body.
Vorzugsweise sind die mehreren getrennten Stromzuführungen entlang der Längsachse und/oder der langsamen Achse nebeneinander realisiert. Dies vermeidet eine magnetische Kopplung von Strompfaden. The multiple separate power supply lines are preferably implemented alongside one another along the longitudinal axis and / or the slow axis. This avoids magnetic coupling of current paths.
Vorzugsweise umfasst das aktive optische Bauelement Anoden und Kathoden auf entlang der vertikalen Achse liegenden Seiten des aktiven optischen Bauelements angeordnet. Damit ist gemeint, dass alle Emitter der Laserdiode gleich ausgerichtet (in der vertikalen Achse) und dann über die entsprechenden Ansteuerschaltungen parallel geschaltet sind. Aus dem technologischen Prozess der Herstellung des optischen Bauelements ergibt sich diese Variante als einfachste Lösung. The active optical component preferably comprises anodes and cathodes arranged on sides of the active optical component lying along the vertical axis. This means that all emitters of the laser diode are aligned in the same way (in the vertical axis) and are then connected in parallel via the corresponding control circuits. This variant results as the simplest solution from the technological process of manufacturing the optical component.
Als alternative Möglichkeit umfasst das aktive optische Bauelement Anoden und Kathoden entlang der langsamen Achse angeordnet, bevorzugter sind die Anoden und Kathoden dann abwechselnd entlang der langsamen Achse angeordnet. Damit können die Einspeisungspunkte in geringerem Abstand gewählt werden, was geringere parasitäre Induktivität zur Folge hat. As an alternative possibility, the active optical component comprises anodes and cathodes arranged along the slow axis, more preferably the anodes and cathodes are then arranged alternately along the slow axis. This means that the feed points can be selected at a shorter distance, which results in lower parasitic inductance.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Mittel zur elektronischen Ansteuerung des optischen Bauelements um eine an die elektronischen Parameter des aktiven optischen Bauelements angepasste Treiberschaltung zur hochfrequenten Pulserzeugung. Das Mittel zur elektronischen Ansteuerung ist bevorzugt dazu ausgebildet, das optische Bauelement über hochfrequente Hochstrompulse anzusteuern. Die Treiberschaltung kann dabei aus einem oder mehreren Paaren von Ansteuertransistoren und Speicherkondensatoren aufgebaut sein. The means for electronic control of the optical component is preferably a driver circuit adapted to the electronic parameters of the active optical component for high-frequency pulse generation. The means for electronic control is preferably designed to control the optical component via high-frequency high-current pulses. The driver circuit can be constructed from one or more pairs of control transistors and storage capacitors.
Vorzugsweise umfasst der optische Pulsgenerator einen Vermittler (engl. Interposer). Dieser passt unterschiedliche Layout-Größen auf Leiterplatten und Halbleiterchips aneinander an. Beispielsweise handelt es sich bei dem Vermittler um einen LTCC-Träger (engl low temperature co-fired ceramic), einen Niedertemperatur-gesinterten-Keramik-Träger. The optical pulse generator preferably comprises an interposer. This adapts different layout sizes on circuit boards and semiconductor chips to one another. For example, the intermediary is an LTCC carrier (low temperature co-fired ceramic), a low temperature sintered ceramic carrier.
Vorzugsweise ist das Mittel zur elektrischen Ansteuerung ausgebildet, die einzelnen Gruppen des aktiven optischen Bauelements mit anpassbaren Amplituden und Impulsfolgen anzusteuern. Hierbei können Unterschiede von einzelnen Signalpfaden ausgeglichen werden. The means for electrical control is preferably designed to control the individual groups of the active optical component with adjustable amplitudes and pulse sequences. Differences between individual signal paths can be compensated for.
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch eine Mehrfach-Einspeisung, die an einzelnen Laserdioden-Gruppen endet, möglichst niedrige Werte für die Zuleitungsinduktivität und den Zuleitungswiderstand erreicht werden. Außerdem werden damit alle Laserdioden-Gruppen mit mehreren Emittern oder Segmenten davon gleichmäßig mit Strom versorgt. The idea of the present invention consists in that the lowest possible values for the lead inductance and lead resistance are achieved by a multiple feed that ends at individual laser diode groups. In addition, all laser diode groups with several emitters or segments thereof are uniformly supplied with power.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßem optischen Pulsgenerators, umfasst der optischer Pulsgenerator ein aktives optisches Bauelement, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; wobei das aktive optische Bauelement mindestens zwei Emitter aufweist, wobei jeder Emitter eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei die Anode und die Kathode entlang der langsamen Achse angeordnet sind; ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung des optischen Bauelements, dazu ausgebildet, das optisches Bauelement zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das aktive optische Bauelement eine einzelne Stromzuführung umfasst, und wobei die Anoden und Kathoden der einzelnen Emitter elektrisch innerhalb des optischen Bauelements in Reihe geschaltet sind. Damit ist gemeint, dass die elektrische Verbindung der Emitter innerhalb der Laserdiode über im Halbleiterprozess erzeugte, elektrisch leitende Schichten erfolgt und nicht über den äußeren Verdrahtungsträger. Damit erhöht sich die Impedanz des optischen Pulsgenerators. Gegenüber einer parallelen Anordnung der Anoden und Kathoden wird nicht der n-fache Strom benötig, sondern nur der einfache, bei n-facher Spannung, wobei „n“ die Anzahl der Einzelemitter darstellt. Da der Strom der kritische Parameter ist, können mit dieser Ausführungsform höhere Ausgangsleistungen und/oder kürzere Schaltzeiten bei moderater Stromeinspeisung realisiert werden. Der Strom wird vorzugsweise entlang der langsamen Achse eingespeist. Hierbei wird eine Gruppierung des aktiven optischen Bauelements nicht mehr notwendig und möglich. Durch die einfachere Beschaltung (insgesamt nur noch eine äußere Anode und eine äußere Kathode vorhanden) sinkt der Schaltungsaufwand und damit die Anzahl der parasitären Verlustwiderstände und die Effizienz wird erhöht. Vorzugsweise wird diese Ausführungsform mithilfe eines sehr dünnen Dielektrikums realisiert, wobei die Aufbauinduktivität minimiert wird. Vorzugsweise ist das Dielektrikum dünner als 100 pm, noch bevorzugter dünner als 50 pm. Vorzugsweise wird die Endstufe durch GaN-Transistoren realisiert. GaN-Transistoren erlauben materialbedingt Betriebsspannungen bis in den Kilovolt-Bereich. Hierdurch wird die höhere Spannung der Reihenschaltung ermöglicht. According to a further embodiment of the optical pulse generator according to the invention, the optical pulse generator comprises an active optical component designed to emit optical radiation; wherein the active optical device has at least two emitters, each emitter comprising an anode and a cathode, the anode and the cathode being arranged along the slow axis; a means for the electrical control of the optical component, designed to the optical To excite the component to a pulsed emission of optical radiation; wherein the active optical component comprises a single power supply, and wherein the anodes and cathodes of the individual emitters are electrically connected in series within the optical component. This means that the electrical connection of the emitters within the laser diode takes place via electrically conductive layers produced in the semiconductor process and not via the external wiring carrier. This increases the impedance of the optical pulse generator. Compared to a parallel arrangement of the anodes and cathodes, the n-fold current is not required, but only the simple current at n-fold voltage, where “n” represents the number of individual emitters. Since the current is the critical parameter, higher output powers and / or shorter switching times with moderate current feed can be achieved with this embodiment. The current is preferably injected along the slow axis. In this case, grouping the active optical component is no longer necessary or possible. The simpler wiring (only one outer anode and one outer cathode in total) reduces the circuit complexity and thus the number of parasitic loss resistances and increases the efficiency. This embodiment is preferably implemented with the aid of a very thin dielectric, the structural inductance being minimized. The dielectric is preferably thinner than 100 μm, even more preferably thinner than 50 μm. The output stage is preferably implemented by GaN transistors. Depending on the material, GaN transistors allow operating voltages up into the kilovolt range. This enables the higher voltage of the series connection.
Vorzugsweise sind mehrere Anoden und Kathoden abwechselnd entlang der langsamen Achse angeordnet, bevorzugter sind mindestens zwei Anoden und mindestens zwei Kathoden abwechselnd entlang der langsamen Achse angeordnet. Hierbei bedeutet abwechselnd vorzugsweise, dass immer zwischen zwei Kathoden eine Anode angeordnet ist und immer zwischen zwei Anoden eine Kathode angeordnet ist. Preferably, a plurality of anodes and cathodes are arranged alternately along the slow axis, more preferably at least two anodes and at least two cathodes are arranged alternately along the slow axis. Here, alternating preferably means that an anode is always arranged between two cathodes and a cathode is always arranged between two anodes.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das aktive optische Bauelement nur genau eine externe Kathode und genau eine externe Anode. Durch diese einfache Beschaltung sinkt der Schaltungsaufwand und damit die Anzahl der parasitären Verlustwiderstände und die Effizienz wird erhöht. In a preferred embodiment, the active optical component comprises only exactly one external cathode and exactly one external anode. This simple wiring reduces the circuit complexity and thus the number of parasitic loss resistances and the efficiency is increased.
Vorzugsweise wird der Strom entlang der langsamen Achse eingespeist. The current is preferably fed in along the slow axis.
Vorzugsweise werden die Stromzuführungen für alle Ausführungsformen auch als Einspeisung definiert. The power supply lines for all embodiments are preferably also defined as feeds.
Gegenüber der herkömmlichen Serienschaltung mit übereinandergestapelten Emittern hat diese planare Anordnung den Vorteil, dass frequenzselektive Komponenten wie z.B. optische Gitter implantiert werden können. Damit hat die resultierende Laserdiode einen wesentlich kleinere, temperaturabhängige Wellenlängenverschiebung (typischer Faktor 6-7). Es können schmalbandige optische Filter eingesetzt werden, das Signal-zu- Rauschverhältnis wird größer und beispielsweise wird eine höhere Systemreichweite erreicht. Compared to the conventional series connection with emitters stacked on top of one another, this planar arrangement has the advantage that frequency-selective components such as optical grids can be implanted. So the resulting laser diode has one much smaller, temperature-dependent wavelength shift (typical factor 6-7). Narrow-band optical filters can be used, the signal-to-noise ratio increases and, for example, a higher system range is achieved.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigenThe invention is described below in exemplary embodiments using the associated
Zeichnung erläutert. Es zeigen: Drawing explained. Show it:
Fig. 1 eine schematische 3D-Darstellung eines konventionellen optischen Pulsgenerators mit Submount mit x, y, z-Achsenbezeichnung, 1 shows a schematic 3D illustration of a conventional optical pulse generator with a submount with x, y, z-axis designation,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse eines konventionellen optischen Pulsgenerators mit Submount, 2 shows a schematic representation of a section along the fast axis of a conventional optical pulse generator with submount,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines konventionellen optischen Pulsgenerators, 3 shows an equivalent circuit diagram of a conventional optical pulse generator,
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators, 4 shows an equivalent circuit diagram of a first embodiment of an optical pulse generator according to the invention,
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators, 5 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of an optical pulse generator according to the invention,
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators, 6 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of an optical pulse generator according to the invention,
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators, 7 shows an equivalent circuit diagram of a fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse eine erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount, 8 shows a schematic representation of a section along the fast axis of a first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount,
Fig. 9 eine schematische Darstellung in der Draufsicht der ersten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount, 9 shows a schematic representation in plan view of the first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount,
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount, 10 shows a schematic representation of a section along the fast axis of a second variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount,
Fig. 11 eine schematische Darstellung in der Draufsicht einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount, Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse einer vierten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount, 11 shows a schematic representation in plan view of a third variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount, 12 shows a schematic representation of a section along the slow axis of a fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse der vierten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount, 13 shows a schematic representation of a section along the fast axis of the fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount,
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount und 14 shows a schematic representation of a section along the slow axis of a fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount and FIG
Fig. 15 eine schematische Darstellung in der Draufsicht der vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. 15 shows a schematic representation in plan view of the fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Fig. 1, 2 und 3 beschreiben einen konventionellen optischen Pulsgenerator. In Fig. 1 wird der konventionelle optische Pulsgenerator in Form einer 3D-Aufbauskizze dargestellt. In Fig. 2 wird ein Schnitt durch dessen Längsachse y dargestellt und zum vereinfachten Verständnis wird in Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des konventionellen optischen Pulsgenerators dargestellt.Figs. 1, 2 and 3 describe a conventional optical pulse generator. In Fig. 1, the conventional optical pulse generator is shown in the form of a 3D structural sketch. FIG. 2 shows a section through its longitudinal axis y, and for a simplified understanding, an equivalent circuit diagram of the conventional optical pulse generator is shown in FIG. 3.
Für alle Figuren gilt, dass die x-Achse die Querachse und langsame Achse des optischen Pulsgenerators darstellt, die y-Achse die Längsachse und Strahlungsausbreitungsrichtung des optischen Pulsgenerators darstellt und die z-Achse die vertikale Achse und die schnelle Achse des optischen Pulsgenerators darstellt. For all figures, the x-axis represents the transverse axis and slow axis of the optical pulse generator, the y-axis represents the longitudinal axis and direction of radiation propagation of the optical pulse generator, and the z-axis represents the vertical axis and the fast axis of the optical pulse generator.
Der Aufbau des konventionellen optischen Pulsgenerators besteht aus einem Grundkörper 5 mit einer Leiterplatte 4, darauf befindet sich ein Submount 40 und ein oder mehrere Treiber 20. Auf dem Submount 40 ist ein aktives optisches Bauelement 10, z.B. ein Breitstreifenlaser oder mehrere parallel angeordnete Einzelemitter (Emitterbarren) angeordnet und auf dem optischen Bauelement 10 ist ein Deckel 30 angeordnet. Der konventionelle optische Pulsgenerator strahlt erzeugtes Licht 6 in Richtung der Längsachse y aus. The structure of the conventional optical pulse generator consists of a base body 5 with a printed circuit board 4, on which there is a submount 40 and one or more drivers 20. On the submount 40 is an active optical component 10, e.g. a broad area laser or several individual emitters (emitter bars) arranged in parallel ) and a cover 30 is arranged on the optical component 10. The conventional optical pulse generator emits generated light 6 in the direction of the longitudinal axis y.
Statt verteilter Strukturen werden im Ersatzschaltbild der Fig. 3 zur Übersichtlichkeit nur drei Einzeldioden DT, D2‘ und D3‘ dargestellt. Das Ersatzschaltbild ist mit einer gestrichelten Linie in zwei Bereiche aufgeteilt. Der erste Bereich repräsentiert den Treiber 20, mit einer Spannungsquelle U, einer Induktivität LS und einem Widerstand RS. Der zweite Bereich repräsentiert das aktive optische Bauelement 10, mit drei Laserdiodenemittern oder Segmenten davon, DT, D2‘ und D3‘, den Widerständen RPT, RP2‘ und RP3‘ und den Kondensatoren CT, C2‘ und C3‘. Durch die parasitären Widerstände R2‘ und R3‘ sowie durch die Induktivitäten L2‘ und L3‘ kommt es zu eine ungleichmäßigen Stromaufteilung der Ströme I1‘, I2‘ und I3‘. Durch den Skineffekt sind die Induktivitäten L2‘, L3‘ und die Widerstände R2‘, R3‘ zusätzlich frequenzabhängig und beeinflussen damit die Schaltflanken des aktiven optischen Bauelements 10 negativ. Der Strom I2‘ und noch mehr der Strom I3‘ haben nicht nur kleinere Amplituden als der Strom I1‘, sondern auch eine deutliche zeitliche Verzögerung und eine geringere Flankensteilheit. Während die Laserdiode D1‘ sich schon in der Sättigung befindet, zeigen die Laserdioden D2‘ und D3‘ wesentlich kleinere Amplituden und sind verzögert, mit geringerer Flankensteilheit. Der Ausgangspuls des Lasersystems kann somit nicht eine optimale Amplitude erreichen und ist außerdem verbreitert. Instead of distributed structures, only three individual diodes DT, D2 'and D3' are shown in the equivalent circuit diagram in FIG. 3 for clarity. The equivalent circuit diagram is divided into two areas with a dashed line. The first area represents the driver 20, with a voltage source U, an inductance LS and a resistor RS. The second area represents the active optical component 10, with three laser diode emitters or segments thereof, DT, D2 'and D3', the resistors RPT, RP2 'and RP3' and the capacitors CT, C2 'and C3'. By the parasitic resistances R2 'and R3' as well the inductances L2 'and L3' lead to an uneven current distribution of the currents I1 ', I2' and I3 '. Due to the skin effect, the inductances L2 ', L3' and the resistors R2 ', R3' are additionally frequency-dependent and thus have a negative influence on the switching edges of the active optical component 10. The current I2 'and even more so the current I3' have not only smaller amplitudes than the current I1 ', but also a significant time delay and a lower edge steepness. While the laser diode D1 'is already in saturation, the laser diodes D2' and D3 'show significantly smaller amplitudes and are delayed, with a lower edge steepness. The output pulse of the laser system cannot therefore reach an optimal amplitude and is also broadened.
Je größer die gewünschte Ausgangsleistung und damit je größer die Laserdiode und je kürzer die gewünschten optischen Pulse, umso kritischer wird dieses Problem, so dass die Systeme nach Stand der Technik, z.B. für LiDAR-Systeme nur eingeschränkt verwendet werden können. The greater the desired output power and thus the larger the laser diode and the shorter the desired optical pulses, the more critical this problem becomes, so that the systems according to the state of the art, e.g. for LiDAR systems, can only be used to a limited extent.
Es werden 4 Ausführungsformen aufgeführt, die diese Nachteile überwinden. Technisch interessant sind vor allem die zweite Ausführungsform (vier Varianten) und die vierte Ausführungsform. Realisierbar sind jedoch alle. Four embodiments are listed which overcome these disadvantages. The second embodiment (four variants) and the fourth embodiment are of particular technical interest. However, all of them are feasible.
Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Um die Zuleitungsinduktivität und den Zuleitungswiderstand gering zu halten und gleichzeitig alle Teile des aktiven optischen Bauelements 10 mit mehreren Emittern möglichst gleichmäßig mit Strom zu versorgen, wird eine Mehrfach- Einspeisung verwendet, die an einzelne Gruppen des aktiven optischen Bauelements 10 endet. Fig. 4 zeigt, dass zunächst am Aufbau des aktiven optischen Bauelements 10 keine Veränderungen verglichen mit dem konventionellen optischen Pulsgenerator durchgeführt werden. Es wird lediglich eine getrennte Einspeisung der Laserdioden-Gruppen DT, D2‘ und D3‘ ausgebildet. Hierbei müssen die Widerstände RSA, RSB und RSC und die Induktivitäten LSA, LSB und LSC so gewählt werden, dass der Spannungsabfall über die parasitären Widerstände R2‘ und R3‘ und die Induktivitäten L2‘ und L3‘ minimal wird. Damit gibt es keine Querströme zwischen den Gruppen des aktiven optischen Bauelements 10 und die Ströme I2‘ und I3‘ sind gleich dem Strom I , wobei der Strom über das gesamte aktive optische Bauelement 10 homogen ist. Die Anzahl der möglichen Einspeisungen hängt von den technologischen Möglichkeiten, von Aufbau und Größe des aktiven optischen Bauelements 10 und der gewünschten Pulsform ab. Bei dieser Ausführungsform haben alle Laserdiodengruppen DT, D2‘ und D3‘ eine gemeinsame Stromabführung. 4 shows an equivalent circuit diagram of a first embodiment of an optical pulse generator according to the invention. In order to keep the lead inductance and lead resistance low and at the same time to supply all parts of the active optical component 10 with multiple emitters with current as uniformly as possible, a multiple feed is used that ends at individual groups of the active optical component 10. 4 shows that initially no changes are made to the structure of the active optical component 10 compared with the conventional optical pulse generator. There is only a separate supply of the laser diode groups DT, D2 ‘and D3‘ formed. The resistors RSA, RSB and RSC and the inductances LSA, LSB and LSC must be selected so that the voltage drop across the parasitic resistances R2 ‘and R3‘ and the inductances L2 ‘and L3‘ is minimal. There are therefore no cross currents between the groups of the active optical component 10 and the currents I2 ‘and I3‘ are equal to the current I, the current being homogeneous over the entire active optical component 10. The number of possible feeds depends on the technological possibilities, on the structure and size of the active optical component 10 and the desired pulse shape. In this embodiment, all laser diode groups DT, D2 and D3 ‘have a common current drain.
Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur dadurch, dass jede der Laserdiodengruppen DT, D2‘ und D3‘des aktiven optischen Bauelements 10, durch je eine eigene Spannungsquelle UA, UB und UC, versorgt wird. Bei dieser Ausführungsform kann man die einzelnen Gruppen des aktiven optischen Bauelements 10 getrennt mit angepasster Amplitude und Impulsform versorgen und so zusätzlich die Unterschiede der einzelnen Signalpfade ausgleichen. Diese Ausführungsform ist insofern besonders vorteilhaft, da die erforderlichen hohen Ströme ohnehin mit mehreren Pulsquellen erzeugt werden müssen. Hier wird diese Notwendigkeit zur Verbesserung der Ausgangspulsform im Sinne dieses Patents genutzt. Dafür werden weiter unten vier verschiedene Varianten aufgeführt. 5 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of an optical pulse generator according to the invention. The second embodiment differs from the first embodiment only in that each of the laser diode groups DT, D2 'and D3'des active optical component 10, is supplied by its own voltage source UA, UB and UC. In this embodiment, the individual groups of the active optical component 10 can be supplied separately with adapted amplitude and pulse shape and thus additionally compensate for the differences between the individual signal paths. This embodiment is particularly advantageous insofar as the required high currents have to be generated with several pulse sources anyway. This need is used here to improve the output pulse shape within the meaning of this patent. For this purpose, four different variants are listed below.
Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform nur dadurch, dass zusätzlich zu getrennten Stromzuführungen auch getrennte Stromabführungen vorhanden sind. Damit werden dann zusätzlich gemeinsame Spannungsabfälle in der Masseleitung vermieden. 6 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of an optical pulse generator according to the invention. This embodiment differs from the second embodiment only in that, in addition to separate power supplies, separate power leads are also provided. This then also prevents common voltage drops in the ground line.
Fig. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild einer vierten Variante eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Hier wird durch Serienschaltung der einzelnen Emitter in dem optischen Bauelement (interne Verbindung der Anode mit der jeweils nächsten Kathode) ein Bauelement mit besonders homogenem Strahlverhalten erzeugt, da der gleiche Strom durch alle Emitter fließt. Voraussetzung ist jedoch ein optisches Bauelement mit dieser erfindungsgemäßen, internen Verschaltung. 7 shows an equivalent circuit diagram of a fourth variant of an optical pulse generator according to the invention. Here, by connecting the individual emitters in series in the optical component (internal connection of the anode with the next cathode), a component with particularly homogeneous radiation behavior is generated, since the same current flows through all emitters. However, an optical component with this internal interconnection according to the invention is a prerequisite.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen eine erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der Längsachse y der erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount und Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung in der entsprechenden Draufsicht. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsform (Stand der Technik). Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Unterschied zu Fig. 1 und Fig. 2 ist diese Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen 11 durch Mehrfachzuführungen der Ströme 8 übereinander realisiert werden. In dieser Ausführungsform wird das optische Bauelement 10 mit Submount 40 auf die Leiterplatte 4 montiert. Die Einspeisung zu den verschiedenen Gruppen 3 des optischen Bauelements 10 erfolgt über mehrere Schichten 11 mit geringer Induktivität. Diese Schichten 11 stellen die Verbindung der auf der Leiterplatte 4 befindlichen Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20, 21, 22, 23 und den Gruppen3 des optischen Bauelements 10 her. 8 and 9 show a first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount. FIG. 8 shows a schematic illustration of a section along the longitudinal axis y of the first variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount, and FIG. 9 shows a schematic illustration in the corresponding plan view. The basic structure largely corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 (prior art). The respective reference symbols and their assignment apply accordingly. In contrast to FIGS. 1 and 2, this embodiment is characterized in that the power supply lines 11 are implemented by multiple supply lines of the currents 8 one above the other. In this embodiment, the optical component 10 is mounted with the submount 40 on the circuit board 4. The various groups 3 of the optical component 10 are fed in via a plurality of layers 11 with low inductance. These layers 11 establish the connection between the means for electrical control 20, 21, 22, 23 located on the printed circuit board 4 and the groups 3 of the optical component 10.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der Längsachse y einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellten Ausführungsform. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Unterschied zu Fig. 8 und Fig. 9 wird bei dieser Ausführungsform das optische Bauelement 10 auf dem Submount 40 als Flip-Chip- Bauelement auf die Leiterplatte 4 gelötet. Dazu wird das Submount 40 so bearbeitet, dass das optische Bauelement 10 in einer Einsenkung sitzt und beide Kontaktflächen (Anode und Kathode) eine Ebene bilden. Eine Leiterplatte mit mehreren Schichten (Lagen) hat Masse als Grund- und auch Decklage, so dass die Innenleiter 11 als Streifenleitung mit niedriger Induktivität den Strom 8 zu den Gruppen 3 des optischen Bauelements 10 zuführen können. Damit lässt sich das optische Bauelement vorteilhaft wie Standard-SMD-Bauelemente montieren auf Kosten eines etwas höheren thermischen Widerstandes. Ein zweiter Verdrahtungsträger wie in Variante eins der zweite Ausführung ist nicht erforderlich. FIG. 10 shows a schematic illustration of a section along the longitudinal axis y of a second variant of the second embodiment of an optical according to the invention Pulse generator with submount. The basic structure largely corresponds to the embodiment shown in FIGS. 8 and 9. The respective reference symbols and their assignment apply accordingly. In contrast to FIGS. 8 and 9, in this embodiment the optical component 10 is soldered on the submount 40 as a flip-chip component on the circuit board 4. For this purpose, the submount 40 is processed in such a way that the optical component 10 is seated in a recess and both contact surfaces (anode and cathode) form a plane. A printed circuit board with several layers (layers) has ground as the base and also the top layer, so that the inner conductors 11 as strip lines with low inductance can feed the current 8 to the groups 3 of the optical component 10. In this way, the optical component can advantageously be mounted like standard SMD components at the expense of a somewhat higher thermal resistance. A second wiring carrier as in variant one of the second version is not required.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung in der Draufsicht einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen 11 der mehrfachen Ströme 8 hintereinander erfolgen, z.B. über ein strukturiertes Leiterplattenmaterial und nicht nebeneinander wie in Fig. 9. In Fig. 11 wird diese Ausführungsform beispielhaft mit zwei Mitteln zur elektrischen Ansteuerung 20, 21 dargestellt. Die Ströme 8 werden über zwei Leiterbahnen 11 , die sich in einer Leiterebene befinden, zugeführt. Dabei werden die beiden Gruppen (hier Segmente) 3 des optischen Bauelements 10 getrennt mit Strom 8 versorgt. Dieser Aufbau vermeidet eine magnetische Kopplung der Strompfade, wie er bei den vorherigen Varianten auftreten kann. Die Stromzuführung 11 kann unterhalb des optischen Bauelements 10 auf der Leiterplattenebene erfolgen oder als Einspeisung über dem optischen Bauelement 10 ausgeführt sein. Um eine optimale Stromzuführung 11 bei verschiedenen Geometrien des optischen Bauelements 10 zu gewährleisten, kann es erforderlich sein, die Merkmale der vorherigen Varianten mit dieser zu kombinieren. 11 shows a schematic representation in plan view of a third variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount. The basic structure largely corresponds to the embodiment shown in FIG. The respective reference symbols and their assignment apply accordingly. This embodiment is characterized in that the power supplies 11 of the multiple currents 8 take place one behind the other, e.g. via a structured circuit board material and not next to one another as in Fig. 9. In Fig. 11, this embodiment is shown as an example with two means for electrical control 20, 21. The currents 8 are fed in via two conductor tracks 11 which are located in a conductor plane. The two groups (here segments) 3 of the optical component 10 are separately supplied with current 8. This structure avoids a magnetic coupling of the current paths, as can occur with the previous variants. The power supply 11 can take place below the optical component 10 on the circuit board level or it can be designed as a feed above the optical component 10. In order to ensure an optimal power supply 11 with different geometries of the optical component 10, it may be necessary to combine the features of the previous variants with this one.
Fig. 12 und Fig. 13 zeigen eine vierte Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse x dieser Variante eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellten Varianten. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Bei dieser Ausführungsform wird ein optisches Bauelement 10 mit planaren Anschlüssen vorausgesetzt. Hierzu wird das optische Bauelement 10 auf einem isolierendem oder semiisolierenden Substrat aufgebaut. Die Kontakte der Anode A und Kathode K sind so strukturiert, dass sie in einer Ebene liegen, womit sowohl die Anode als auch die Kathode von einer Seite des optischen Bauelementes kontaktiert und bestromt werden können. 12 and 13 show a fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount. 12 shows a schematic representation of a section along the slow axis x of this variant of an optical pulse generator according to the invention with a submount. The basic structure largely corresponds to the variants shown in FIGS. 8 and 9. The respective reference symbols and their assignment apply accordingly. In this embodiment, an optical component 10 with planar connections is required. For this purpose, the optical component 10 is built up on an insulating or semi-insulating substrate. The contacts of the anode A and cathode K are structured in such a way that they lie in one plane, with which both the anode and the cathode can be contacted and supplied with current from one side of the optical component.
Damit treten dann die Kathode K und die Anode A am optischen Bauelement abwechselnd für jeden Emitter auf. Die Ausführungsvariante nach Fig. 12 wird nach dem Flip-Chip- Verfahren auf der Leiterplatte 4 aufgebaut. Hierbei wird jede einzelne Anode A eines Diodenemitters in Gruppen 3 aufgeteilt und getrennt mit Strom versorgt. Die Zusammenfassung aller Anoden A und Kathoden K für die einzelnen Gruppen 3 erfolgt dann gemeinsam auf der Leiterplatte 4. Vorzugsweise ist ein Interposer vorgesehen, der bei unterschiedlichen Layout-Größen der Leiterplatte 4 und des optischen Bauelements 10, diese aufeinander anpasst. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein LTCC-Träger.The cathode K and the anode A then appear alternately on the optical component for each emitter. The embodiment variant according to FIG. 12 is built up on the circuit board 4 using the flip-chip method. Each individual anode A of a diode emitter is divided into groups 3 and supplied with power separately. All anodes A and cathodes K for the individual groups 3 are then combined together on the circuit board 4. An interposer is preferably provided which, given different layout sizes of the circuit board 4 and the optical component 10, adapts them to one another. This is preferably an LTCC carrier.
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der Längsachse y der vierten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Die einzelnen Gruppen 3 einer Anode A (in der Summe dann bei allen) werden separat mit Strom 8 versorgt. In dieser Ausführungsform werden vier Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20, 21, 22, 23 des optischen Bauelements 10 eingesetzt, diese Anzahl kann aber je nach gewünschter Genauigkeit und technologischen Möglichkeiten variiert werden. Ebenfalls ist es möglich, das optische Bauelement 10 unterhalb der Leiterplatte 4 anzuordnen und die Mehrfacheinspeisung auf Leiterplattenebene mittels Multilayer vorzunehmen. 13 shows a schematic illustration of a section along the longitudinal axis y of the fourth variant of the second embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount. The individual groups 3 of an anode A (in total then for all) are supplied separately with current 8. In this embodiment, four means for electrical control 20, 21, 22, 23 of the optical component 10 are used, but this number can be varied depending on the desired accuracy and technological possibilities. It is also possible to arrange the optical component 10 below the printed circuit board 4 and to carry out the multiple feed at the printed circuit board level by means of multilayers.
Fig. 14 und Fig. 15 zeigen eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse x der vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount und Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung in der Draufsicht der vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in Fig. 14 and 15 show a fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount. FIG. 14 shows a schematic illustration of a section along the slow axis x of the fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount and FIG. 15 shows a schematic illustration in plan view of the fourth embodiment of an optical pulse generator according to the invention with a submount. The basic structure largely corresponds to that in Fig.
12 und Fig. 13 dargestellten Ausführungsform. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Diese Ausführungsform setzt ein optisches Bauelement 10 mit planaren Anschlüssen, wie in der vierten Variante der zweiten Ausführungsform voraus. Im Unterschied zu Fig. 12 und 13 wird die Methode der Mehrfacheinspeisung geändert. Während nach den vorherigen erfinderischen Ausführungsformen die einzelnen Diodenemitter 9 oder Diodenemittergruppen 3 des optischen Bauelements 10 alle parallel geschaltet werden, erfolgt in der vorliegenden erfinderischen Ausführungsform eine Serienschaltung aller Diodenemitter 9 . Die Kathode K eines Emitters 9 wird mit der Anode A des benachbarten Emitters 9 verbunden. Diese Verbindung erfolgt durchgehend bis sämtliche Emitters 9 eines optischen Bauelements 10 dementsprechend verbunden sind. Durch diese Serienschaltung ergeben sich entscheidende Vorteile: 12 and 13 shown embodiment. The respective reference symbols and their assignment apply accordingly. This embodiment requires an optical component 10 with planar connections, as in the fourth variant of the second embodiment. In contrast to FIGS. 12 and 13, the multiple feed method is changed. While, according to the previous inventive embodiments, the individual diode emitters 9 or diode emitter groups 3 of the optical component 10 are all connected in parallel, in the present inventive embodiment, all diode emitters 9 are connected in series. The cathode K of an emitter 9 is connected to the anode A of the adjacent emitter 9. This connection takes place continuously until all emitters 9 of an optical component 10 are connected accordingly. This series connection results in decisive advantages:
Es wird gegenüber der Parallelanordnung nicht der n-fache Strom benötigt, sondern der einfache Strom bei n-facher Spannung, wobei n die Anzahl der Emitter 9 entspricht. Da der Strom der kritische Parameter ist, insbesondere bei kurzen Pulsen, können damit höhere Ausgangsströme oder / und kürzere Schaltzeiten erreicht werden. Der Strom wird seitwärts eingespeist. Eine Einteilung in Segmente 3 ist nicht mehr erforderlich. Weiterhin ist es möglich, jeweils mehrere Emitter zu einer Gruppe zusammen zu fassen, deren Emitter parallel geschaltet werden, wobei die Gruppen wie beschrieben in Serie geschaltet werden; vorzugsweise anwendbar für Laser mit einer großen Anzahl von Emittern. Compared to the parallel arrangement, n-times the current is not required, but the simple current at n-times the voltage, where n corresponds to the number of emitters 9. Since the current is the critical parameter, especially with short pulses, higher output currents and / or shorter switching times can be achieved. The electricity is fed in sideways. A division into segments 3 is no longer necessary. It is also possible to combine several emitters into a group, the emitters of which are connected in parallel, the groups being connected in series as described; preferably applicable for lasers with a large number of emitters.
Da durch die einfachere Beschaltung (insgesamt nur noch eine Anode A und eine Kathode K) der Schaltaufwand und damit die Anzahl der parasitären Verlustwiderstände sinkt, erhöht sich die Effizienz weiter. Vorzugsweise wird durch eine Montage über einem sehr dünnen Dielektrikum die Aufbauinduktivität minimiert. Die zur elektrischen Ansteuerung des Lasers mit Emittern in Serienschaltung benötigte höhere Spannung (1,5 V bis 2,5 V je Emitter) lässt sich vorzugweise durch GaN-Transistoren realisieren, die üblicherweise Spannungsfestigkeiten von 30 V bis über 200 V bei geringen Schaltzeiten aufweisen. Für diese Ausführungsform ist ein einzelnes Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 des optischen Bauelements 10 nötig. Since the simpler wiring (a total of only one anode A and one cathode K) reduces the switching effort and thus the number of parasitic loss resistances, the efficiency increases further. The assembly inductance is preferably minimized by mounting over a very thin dielectric. The higher voltage (1.5 V to 2.5 V per emitter) required for the electrical control of the laser with emitters in series can preferably be achieved using GaN transistors, which usually have dielectric strengths of 30 V to over 200 V with short switching times. For this embodiment, a single means for electrical control 20 of the optical component 10 is necessary.
Best Mode: Ausführungsform 4 wird an einem Beispiel detaillierter beschrieben: Best Mode: Embodiment 4 is described in more detail using an example:
Es wird ein Laserdiodenbarren (optisches Bauelement 10) mit 16 Emittern 9 beschrieben. Jeder Emitter ist 50 pm breit. Der Abstand zwischen den Emittern beträgt 200 pm. Somit ist das Bauelement mit Randzone 3,4 mm breit. Die Länge dieses Bauelements beträgt 3 mm.A laser diode bar (optical component 10) with 16 emitters 9 is described. Each emitter is 50 pm wide. The distance between the emitters is 200 pm. The component with the edge zone is thus 3.4 mm wide. The length of this component is 3 mm.
Bei 2,5 V Spannung in Flussrichtung des Einzelemitters ergibt sich 40 V Spannungsabfall für das Bauelement. Mit einer 60V-Treiberstufe lassen sich damit Pulse mit einer Länge bis herunter zu 1 ns erzeugen. Pulsströme von 20 bis 40 A lassen sich einfach erzeugen. Das entspricht dann Impulsströmen von 320 A bis 640 A bei herkömmlichem parallelem Aufbau. Die Impedanz der Schaltung liegt im Ohm-Bereich und lässt sich damit als herkömmliche HF-Leitung mit dem Vorteil realisieren, dass die Leitungslänge nicht mehr zur parasitären Induktivität beiträgt. Durch alle Emitter fließt der gleiche Strom und damit hat jeder Emitter die gleiche Amplitude und das gleiche zeitliche Verhalten und ist somit sehr homogen. With a voltage of 2.5 V in the direction of flow of the individual emitter, there is a 40 V voltage drop for the component. With a 60V driver stage, pulses with a length of down to 1 ns can be generated. Pulse currents of 20 to 40 A can be easily generated. This then corresponds to pulse currents of 320 A to 640 A with a conventional parallel structure. The impedance of the circuit is in the ohm range and can thus be implemented as a conventional HF line with the advantage that the line length no longer contributes to the parasitic inductance. The same current flows through all emitters and therefore each emitter has the same amplitude and the same behavior over time and is therefore very homogeneous.
Die Kathoden und Anoden sind im Halbleiter über aktive Schichten und Metallschichten verbunden. Die Trennung der Emitterstrukturen erfolgt durch Ätzung der entsprechenden Schichten. Das Bauelement lässt sich mit etwas verändertem Fertigungsprozess ähnlich dem der herkömmlich produzierten Halbleiterlasern hersteilen. Gegenüber der herkömmlichen Serienschaltung mit übereinandergestapelten Emittern hat diese planare Anordnung den Vorteil, dass frequenzselektive Komponenten wie optische Gitter implantiert werden können. Damit hat die resultierende Laserdiode einen wesentlich kleinere, temperaturabhängige Wellenlängenverschiebung (typisch Faktor 6 -7). Es können schmalbandige optische Filter eingesetzt werden, das Signal-zu-Rauschverhältnis wird größer und beispielsweise wird eine höhere System reichweite erreicht (siehe Stand der Technik). The cathodes and anodes are connected in the semiconductor via active layers and metal layers. The emitter structures are separated by etching the corresponding layers. The component can be manufactured with a slightly different manufacturing process similar to that of conventionally produced semiconductor lasers. Compared to the conventional series circuit with emitters stacked one on top of the other, this planar arrangement has the advantage that frequency-selective components such as optical grids can be implanted. The resulting laser diode thus has a significantly smaller, temperature-dependent wavelength shift (typically a factor of 6-7). Narrow-band optical filters can be used, the signal-to-noise ratio increases and, for example, a higher system range is achieved (see prior art).
Bezugszeichenliste List of reference symbols
3 Segmente oder Gruppen des optischen Bauelements3 segments or groups of the optical component
4 Leiterplatte 4 circuit board
5 Grundkörper 5 base bodies
6 Laserstrahl 6 laser beam
7 Durchkontaktierung 7 via
8 Strom pf ad 8 power path
9 Diodenemitter 9 diode emitters
10 Optisches Bauelement 10 Optical component
11 Stromzuführung 11 Power supply
20, 21, 22, 23 Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20, 21, 22, 23 means for electrical control
30 Deckel 30 lids
40 Submount 40 submount
A Anode A anode
K Kathode x Querachse / Langsame Achse y Längsachse / Achse in Strahlungsausbreitungsrichtung z Vertikale Achse / Schnelle Achse K Cathode x transverse axis / slow axis y longitudinal axis / axis in the direction of radiation propagation z vertical axis / fast axis
Lx Induktivität L x inductance
Rx Widerstand R x resistance
Ux Spannungsquelle/Signalquelle U x voltage source / signal source
Cx Kapazität C x capacity
Dx Leuchtdiode lx Strompfad D x light emitting diode l x current path

Claims

Patentansprüche Claims
1. Optischer Pulsgenerator, umfassend: a) ein aktives optisches Bauelement (10), dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; b) ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) des optischen Bauelements (10), dazu ausgebildet, das optisches Bauelement (10) zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; c) wobei das aktive optische Bauelement (10) entlang einer Längsachse (y) in mindestens zwei Gruppen (3) aufgeteilt ist, wobei jede der Gruppen (3) jeweils eine voneinander elektrisch getrennte Stromzuführung (11) kontaktiert dadurch gekennzeichnet, dass d) jede der Gruppen (3) jeweils eine voneinander elektrisch getrennte Stromabführung kontaktiert. An optical pulse generator, comprising: a) an active optical component (10) designed to emit optical radiation; b) a means for electrical control (20) of the optical component (10), designed to excite the optical component (10) to a pulsed emission of optical radiation; c) wherein the active optical component (10) is divided into at least two groups (3) along a longitudinal axis (y), each of the groups (3) making contact with an electrically separate power supply (11), characterized in that d) each of the groups (3) each made contact with a current drain that is electrically separated from one another.
2. Optischer Pulsgenerator gemäß Anspruch 1, umfassend mindestens zwei Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20, 21), wobei jedes der Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20, 21), ausgebildet ist, eine der mindestens zwei Gruppen (3) des aktiven optischen Bauelements (10) anzusteuern. 2. Optical pulse generator according to claim 1, comprising at least two means for electrical control (20, 21), wherein each of the means for electrical control (20, 21) is designed, one of the at least two groups (3) of the active optical component ( 10) to control.
3. Optischer Pulsgenerator gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Stromzuführungen entlang einer vertikalen Achse (z) gestapelt realisiert sind. 3. Optical pulse generator according to one of the preceding claims, wherein the plurality of power supply lines are implemented stacked along a vertical axis (z).
4. Optischer Pulsgenerator gemäß Anspruch 3, wobei die mehreren Stromzuführungen (11) entlang der vertikalen Achse (z) über oder unter dem aktiven optischen Bauelement (10) realisiert sind. 4. Optical pulse generator according to claim 3, wherein the plurality of power supply lines (11) are implemented along the vertical axis (z) above or below the active optical component (10).
5. Optischer Pulsgenerator gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Stromzuführungen (11) entlang der Längsachse (y) und / oder entlang einer langsamen Achse (x) realisiert sind. 5. Optical pulse generator according to one of the preceding claims, wherein the plurality of power supply lines (11) are implemented along the longitudinal axis (y) and / or along a slow axis (x).
6. Optischer Pulsgenerator gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das aktive optische Bauelement (10) Anoden (A) und Kathoden (K) auf entlang der vertikalen Achse (Z) liegenden Seiten des aktiven optischen Bauelements (10) ausgebildet, umfasst. 6. Optical pulse generator according to one of the preceding claims, wherein the active optical component (10) anodes (A) and cathodes (K) formed on sides of the active optical component (10) lying along the vertical axis (Z).
7. Optischer Pulsgenerator gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das aktive optische Bauelement (10) Anoden (A) und Kathoden (K) entlang der langsamen Achse (x) des aktiven optischen Bauelements (10) angeordnet, umfasst. 7. Optical pulse generator according to one of the preceding claims, wherein the active optical component (10) anodes (A) and cathodes (K) arranged along the slow axis (x) of the active optical component (10) comprises.
8. Optischer Pulsgenerator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) ausgebildet ist, die einzelnen Gruppen (3) des aktiven optischen Bauelements (10) mit anpassbaren Amplituden- und Impulsfolgen anzusteuern. 8. Optical pulse generator according to one of the preceding claims, wherein the means for electrical control (20) is designed to control the individual groups (3) of the active optical component (10) with adjustable amplitude and pulse sequences.
PCT/EP2020/071112 2019-08-07 2020-07-27 Optical pulse generator and method for operating a high-power, short-pulse optical pulse generator WO2021023544A1 (en)

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