CN108400521A - 用在激光雷达中的小型化激光驱动模块 - Google Patents

用在激光雷达中的小型化激光驱动模块 Download PDF

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梁树胜
沈忆航
董帅
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，从功能激光驱动模块分为：LD温控单元、LD光功率自动控制单元、调制信号处理单元、LD调制单元组成；调制信号处理单元将标准的TTL信号送至驱动模块内部，在驱动模块内部产生30A以上的电流，驱动LD激光器，使LD激光器发射激光；本发明提供的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，1)能够实现驱动模块的体积小于10×30×5mm；2)能够实现10KHz的重频，使驱动模块的功耗小于40mW。

Description

用在激光雷达中的小型化激光驱动模块
技术领域
本发明涉及激光雷达领域技术领域，进一步说，尤其涉及一种用在激光雷达中的小型化激光驱动模块。
背景技术
LD激光器属于成熟的器件，在各个领域中均发挥了重大作用，而传统激光驱动模块基本上体积、功耗较大，不适合新型激光雷达小体积的需求。本专利采用小型化集成度高的激光驱动完成对激光的驱动。使激光发射的脉宽小于5ns。驱动模块的功耗则小于40mW，激光峰值功率可以达到75W。体积整个驱动模块体积小于10×30×5mm。能够应用于小型激光雷达对激光驱动的需求。随着激光雷达的快速发展，小型化激光雷达受到了重视，而激光驱动模块的小型化、低功耗是未来激光雷达小型化的必然发展方向。目前激光驱动模块一般情况下体积较大，功耗较高，而小型化激光驱动模块尚未大规模推广。
发明内容
本发明采用集成化、小型化、高重频、窄脉宽激光驱动模块来驱动激光的产生。高度集成、小型化是驱动的重点，也是未来小型化激光雷达的难点。本发明提供的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，设计的系统结构小巧，功耗低，且成本较低。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其中，具体技术方案为：
从功能激光驱动模块分为LD温控单元、LD光功率自动控制单元、调制信号处理单元、LD调制单元组成；调制信号处理单元将标准的TTL信号送至驱动模块内部，在驱动模块内部产生30A以上的电流，驱动LD激光器，使LD激光器发射激光。
上述的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其中：1)LD温控和功率控制单元；LD体激光器通过控制电路消除温度和器件老化的影响，稳定输出光信号，采用的稳定方法有自动功率控制和自动温度控制；
自动功率控制(APC)要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手，(1)控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值电流的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态，(2)控制激光器调制脉冲电流的振幅，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲的幅度恒定；自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制法，二是峰值功率/平均功率控制法；
自动温度控制(ATC)：温度变化也会引起LD管阈值电流的变化，输出光功率变化，需要自动温度控制ATC电路，使LD管芯的温度恒定在一定范围内。
上述的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其中：2)激光器光源；LD采用905nm波长的激光器。
上述的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其中：3)LD调制单元，LD驱动单元给LD激光器提供标准的10KHz的TTL电平，采用直接调制模式，采用10KHz的重频对激光进行驱动，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：是一种小型化激光驱动，使用于小型化激光雷达，利用本发明的小型化激光驱动模块具有以下效果：1)能够实现驱动模块的体积小于10×30×5mm；2)能够实现10KHz的重频，使驱动模块的功耗小于40mW。
附图说明
图1为用在激光雷达中的小型化激光驱动模块的功能框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明提供了一种用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，从功能激光驱动模块分为：LD温控单元、LD光功率自动控制单元、调制信号处理单元、LD调制单元组成；调制信号处理单元将标准的TTL信号送至驱动模块内部，在驱动模块内部产生30A以上的电流，驱动LD激光器，使LD激光器发射激光；
1)LD温控和功率控制单元(LD温控单元、LD光功率自动控制单元)
半导体激光器是高速传输的理想光源，但是半导体对温度比较敏感，随着激光器的老化其输出功率也将减小，因而稳定激光器的输出光信号是非常重要的问题，温度的变化和器件的老化给半导体带来的不稳定性主要表现在激光器的阈值随着温度和老化而变化，从而使输出光信号的光功率发生变化，激光器的发射中心波长随温度的升高向长波长漂移。控制电路的作用就是消除温度和器件老化的影响，稳定输出光信号，目前主要采用的稳定方法有自动功率控制和自动温度控制。
自动功率控制(APC)：要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手，(1)控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值电流的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态，(2)控制激光器调制脉冲电流的振幅，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲的幅度恒定；自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制法，而是峰值功率/平均功率控制法；第二种方法不仅可以自动控制偏置电流，还可以控制调制电流的幅度，因此对LD输出光功率有很好的稳定作用；
自动温度控制(ATC)：温度变化也会引起LD管阈值电流的变化，输出光功率变化，当温度变化不大时候，通过APC电路也可以对光功率进行调节，但是如果温度升高较多时，会使得阈值电流增加很多，经过APC电路调节，偏置电流也会有较大的增加，这样会导致LD的结温度更高，以致烧坏，因此，一般还需要自动温度控制ATC电路，使LD管芯的温度恒定在一定范围内。
2)激光器光源
光源是激光发射单元的关键器件，作为光源的发光器件应满足以下要求：(1)波长：波长必须满足空间传输的低损耗窗口。如大气通信的820～860nm和905nm波段。905nm附近波段是目前激光雷达较多采用的波段，这一波段拥有高质量、类别齐全的器件和模块。(2)体积小；(3)可调制，调制频率输出特性好；(4)可靠性高，不仅要求工作寿命长，工作稳定性好；(5)温度特性好，当温度变化时，其输出的光功率及工作波长的变化应在允许的范围。LD采用成熟的905nm波长的激光器。
3)LD调制单元
LD驱动单元给LD激光器提供标准的10KHz的TTL电平。
对光源的强度调制的方法有两类，直接调制和间接调制。
直接调制是通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱，对于K量级频率的调制一般采用直接强度调制。
间接调制，即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，是利用晶体传输特性随电压变化来实现对光波的调制的。这种调制方式不会产生频率啁啾现象，因此可以应用于更高频率的调制。
在本发明中采用直接调制模式。
1)采用10KHz的重频对激光进行驱动。
2)高度集成化的激光驱动模块。
高重频激光器模块的工作流程如下：
1)激光器自检，在工作前，对激光器进行自检，若自检异常，则给出故障指示，提供报警信息；设备的自检项目主要包括：激光器的供电和激光器驱动信号的检测。
2)LD驱动单元给激光器送驱动信号。
3)激光器发射激光。
4)激光光束通过准直单元将激光汇聚到很小的角度发射出去。
5)当周围温度发生变化时，超过激光器要求的自身温度时，温控电路开始工作，使激光器的环境温度始终在一定范围内。
6)配合接收电路计算目标的距离信息和数量信息。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其特征在于：从功能激光驱动模块分为LD温控单元、LD光功率自动控制单元、调制信号处理单元、LD调制单元组成；调制信号处理单元将标准的TTL信号送至驱动模块内部，在驱动模块内部产生30A以上的电流，驱动LD激光器，使LD激光器发射激光。
2.如权利要求1所述的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其特征在于：1)LD温控和功率控制单元；LD体激光器通过控制电路消除温度和器件老化的影响，稳定输出光信号，采用的稳定方法有自动功率控制和自动温度控制；
自动功率控制(APC)要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手，(1)控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值电流的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态，(2)控制激光器调制脉冲电流的振幅，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲的幅度恒定；自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制法，二是峰值功率/平均功率控制法；
自动温度控制(ATC)：温度变化也会引起LD管阈值电流的变化，输出光功率变化，需要自动温度控制ATC电路，使LD管芯的温度恒定在一定范围内。
3.如权利要求2所述的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其特征在于：2)激光器光源；LD采用905nm波长的激光器。
4.如权利要求3所述的用在激光雷达中的小型化激光驱动模块，其特征在于：3)LD调制单元，LD驱动单元给LD激光器提供标准的10KHz的TTL电平，采用直接调制模式，采用10KHz的重频对激光进行驱动，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱。
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