CN108598865A - 基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体激光器驱动电路技术领域，具体涉及基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路。本发明结构电路包括垂直腔面发射激光器、储能单元、开关单元、驱动芯片、电流检测单元、充电限流单元以及输入输出接口，这些部件集成在一块电路板上；垂直腔面发射激光器的发光面电极连接到电路板上，储能单元分布在垂直腔面发射激光器四周，开关单元位于垂直腔面发射激光器所在电路板背面；储能单元、垂直腔面发射激光器、电流检测单元以及开关单元通过电路板过孔构成放电回路。本发明利用垂直腔面发射激光器的双层结构以及电路板多层电路结构，可以在激光器周围180度的空间内集成脉冲放电回路，结构简单，分布参数可控，易于产生窄脉冲大电流参数，从而获得高峰值功率的激光窄脉冲。

Description

基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路

技术领域

本发明属于半导体激光器驱动电路技术领域，具体涉及基于垂直腔面发射激光器（Vertical cavity surface emitting laser, Vcsel）的脉冲驱动电路，能够产生窄脉冲和大电流，主要应用于激光雷达及其相关领域。

背景技术

目前，半导体激光器驱动电路结构都是针对边缘发射的半导体激光器，电路和激光器往往单独设计和封装，然后进行二次集成。由于激光器封装以及驱动电路回路杂散参数的影响，激光器驱动速度较慢，无法产生快前沿、高重频以及大功率的激光窄脉冲。而基于垂直腔面发射的激光器发光面垂直于电极，十分便于激光器的并联连接从而形成阵列结构，从而产生高功率激光脉冲，此外高功率激光窄脉冲在基于飞行时间的激光雷达测量领域有着广阔的应用前景，脉冲前沿以及脉冲宽度直接决定了探测精度以及范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，以克服现有半导体激光器驱动电路在针对快前沿窄脉冲驱动方面的不足。

本发明提供的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，充分利用垂直腔面发射激光器的结构特点，通过在电路基板两侧储能元件和开关元件的紧密排布，利用过孔通流，最大限度降低回路电感以及分布电容，从而减少回路阻抗，便于脉冲大电流输出。

本发明提供的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其结构包括垂直腔面发射激光器、储能单元、开关单元、驱动芯片、电流检测单元、充电限流单元以及输入输出接口，并且，这些部件集成在一块电路板上，即通过焊接工艺，将各个单元及器件固定在电路板上；其中，通过金属丝键合的方式，所述垂直腔面发射激光器的发光面电极连接到电路板上，所述储能单元分布在垂直腔面发射激光器四周，所述开关单元位于垂直腔面发射激光器所在电路板背面，通过焊接或者金属丝键合的方式将开关单元电极连接到电路板上；所述储能单元、垂直腔面发射激光器、电流检测单元以及开关单元通过电路板过孔构成放电回路；充电端口、控制信号以及电流监测信号端口位于电路板四周，便于与外界连接；充电端口包含储能单元充电端口以及开关单元驱动电路辅助电源充电端口，控制信号连接到驱动芯片的输入端，电流监测信号用于显示脉冲放电回路中通过垂直腔面发射激光器的电流值。

当其他条件不变，改变储能单元充电电压时，可以改变脉冲放电电流，从而改变输出脉冲激光光功率和光能量；改变控制信号，可以调节开关单元通断时间和重复频率，从而改变输出脉冲电流宽度，调节垂直腔面发射激光器的输出光脉宽和频率。

由于电路板绝缘层介电常数较高，也可以利用电路板正反面覆铜或者焊盘构成储能单元，从而可以进一步降低回路阻抗，提高放电脉冲电流峰值，从而提高输出激光脉冲峰值功率。

本发明中，所述限流单元，包括限流电阻、限流电感以及半导体器件构成的开关限流措施等。

本发明中，所述开关单元，包括各类半导体开关器件，如晶体管BJT、晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET以及绝缘栅双极性晶体管IGBT等可控半导体开关器件。

本发明中，所述垂直腔面发射激光器，包括各种形态结构的垂直腔面发射激光器，如阵列结构、柱面结构以及球面结构等等。

本发明中，所述储能单元，包括常规的电容器以及电感器，还包括各类电池以及光电转换、热电转换以及风电转换组件。

本发明中，所述电流检测单元，包括电流取样电阻、电流互感器以及霍尔电流传感器等测量器件，通过检测电流控制垂直腔面发射激光器驱动电流，从而改变输出激光脉冲光功率。

本发明中，采用直流充电电源，包括各类恒压恒流充电电源，主要对储能单元进行充电。

本发明的创新点在于，利用垂直腔面发射激光器的双层结构以及电路板多层电路结构，可以在激光器周围180度的空间内集成脉冲放电回路，结构简单分布参数可控，易于产生窄脉冲大电流参数，从而获得高峰值功率的激光窄脉冲。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。其中，（a）为驱动电路1的电路框图，（b）为驱动电路2的框图，（c）为驱动电路3的电路框图。

图2是集成电路结构的剖面构造图。其中，（a）为集成电路结构1，（b）为集成电路结构2。

图3是工作状态下VCSEL的注入电流以及输出光功率波形示例图。

图4是集成电路芯片与透镜组合的示例性图。其中，（a）为镜筒内部示意图，（b）为集成电路芯片与供电电源在镜筒内部的透视图，（c）为镜筒内部结合透镜以及镜筒外部的示意图。

图中标号：101-限流单元，102-开关单元，103-垂直腔面发射激光器Vcsels，104-储能单元，105-电流检测单元，106-直流充电电源，107-旁路单元，108-脉冲陡化单元；

201-垂直腔面发射激光器VCSEL，202-印刷电路板，203-功率开关芯片，204-电阻电容模块，205-电阻电容模块与VCSEL之间的键合金属丝，206-VCSEL的发光区域，位于VCSEL阴极或阳极的激光出射口； 207-VCSEL的一侧电极， 208-VCSEL的另一侧电极，极性与207相对； 209-印刷电路板202层间的过孔；

401-镜筒内侧部分， 402-镜筒内侧部分的外壁螺纹，403-集成电路芯片， 404-供电电源， 405-透镜，406-镜筒外侧部分，407-镜筒外侧部分的内壁螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为含有三种基于垂直腔面发射激光器的驱动电路结构。

图1（a）中，限流单元101与直流充电电源106串联，开关单元102与垂直腔面发射激光器Vcsels 103一端相连，电流检测单元105与垂直腔面发射激光器Vcsels 103另一端相连；电流检测单元105通常与储能单元104串联连接，既可以测量储能单元104的放电电流，也可以测量其充电电流。整个电路的充电回路由直流充电电源106、限流单元101、储能单元104与电流检测单元105构成，放电回路由储能单元104、开关单元102、垂直腔面发射激光器Vcsels 103与电流检测单元105构成。

图1（b）中，限流单元101与直流充电电源106串联，开关单元102一端和电流检测单元105部分连接，另一端与储能单元104连接；储能单元104与垂直腔面发射激光器Vcsels103串联，同时Vcsels并联一个旁路单元107，由于垂直腔面发射激光器Vcsels的单向导通特性，旁路单元107一方面提供储能单元104充电的回路，另一方面提供Vcsels的过压保护以及激光器的光学检测；整个电路的充电回路由直流充电电源106、限流单元101、储能单元104以及旁路单元107构成，放电回路由储能单元104、垂直腔面发射激光器Vcsels103、电流检测单元105以及开关单元102构成。

图1（c）中，限流单元101与直流充电电源106串联，脉冲陡化单元108、开关单元102与电流检测单元105串联连接；储能单元104与垂直腔面发射激光器Vcsels103串联，同时Vcsels并联一个旁路单元107，由于垂直腔面发射激光器Vcsels的单向导通特性，旁路单元107一方面提供储能单元104充电的回路，另一方面提供Vcsels的过压保护以及激光器的光学检测；整个电路的充电回路由直流充电电源106、限流单元101、储能单元104以及旁路单元107构成，放电回路由储能单元104垂直腔面发射激光器Vcsels103、电流检测单元105脉冲陡化单元108以及开关单元102构成。

本发明中，限流单元101，包括限流电阻、限流电感以及半导体器件构成的开关限流措施等；开关单元102，包括各类半导体开关器件，如晶体管BJT、晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET以及绝缘栅双极性晶体管IGBT等可控半导体开关器件；垂直腔面发射激光器Vcsels103，包括各种形态结构的垂直腔面发射激光器，如阵列结构、柱面结构以及球面结构等等；储能单元104，包括常规的电容器以及电感器，还包括各类电池以及光电转换、热电转换以及风电转换组件；电流检测单元105，包括电流取样电阻、电流互感器以及霍尔电流传感器等测量器件，通过检测电流控制垂直腔面发射激光器驱动电流，从而改变输出激光脉冲光功率；直流充电电源106，包括各类恒压恒流充电电源，主要对储能单元104进行充电；旁路单元107，包括续流二极管、充电二极管、Vcsels过压保护以及激光脉冲各类光学特性检测组件；脉冲陡化单元108，包括雪崩二极管、雪崩三极管以及火花间隙等快速导通的开关器件，或者尤其构成的组件。

图2是集成电路结构的剖面构造图。

图2（a）中，由于VCSEL201与功率开关芯片203都很小，且电极均位于芯片两侧，因此为了减小VCSEL 201驱动回路的阻抗，将VCSEL 201与功率开关芯片203直接通过各类焊接以及粘合的方式连接在印刷电路板202两侧，电阻电容模块204与VCSEL201以及功率开关芯片203之间通过键合的方式进行连接，位于电阻电容模块（204）中的电容通过印刷电路板（202）中的导线及过孔209，与VCSEL201与功率开关芯片203构成放电回路，由于印刷电路板厚度通常小于2mm，整个放电回路极小，回路阻抗得到很好的抑制，有利于大电流窄脉冲的形成。

图2（b）中，由于VCSEL201与功率开关芯片203电极均位于芯片两侧，为了进一步减小VCSEL201驱动回路的阻抗，可以将VCSEL201与功率芯片203通过各类焊接以及粘合的方式连接在印刷电路板202同侧，电阻电容模块204与VCSEL201以及功率开关芯片203之间通过键合的方式进行连接，位于电阻电容模块204中的电容通过印刷电路板202中的导线及过孔209，与VCSEL201与功率开关芯片203构成放电回路，由于所有器件均位于电路板的同一平面，整个放电回路极小，且在图2（a）的基础上减少了放电回路穿过印刷电路板引入的杂散参数，回路阻抗得到很好的抑制，有利于大电流窄脉冲的形成。

其中，垂直腔面发射激光器VCSEL201，包括各种基于三明治结构的VCSEL及其阵列；印刷电路板202，包括各种绝缘材质的单面、双面或多层线路板，其绝缘介质可以是各种环氧树脂、陶瓷、玻璃以及有机或无机材料，激光器及其驱动电路位于印刷电路板的两侧并紧密排布，以减小驱动回路阻抗，提高激光器驱动电流能力；功率开关芯片203，包括晶体管BJT、晶闸管、各类场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管以及静电感应器件；电阻电容模块204，包括各类电阻器与电容器的任意组合，以及导线连接；电阻电容模块与VCSEL之间的键合金属丝205，如金线、铝线以及铜线等等； VCSEL的发光区域206，位于VCSEL阴极或阳极的激光出射口； VCSEL的一侧电极207，为阴极或者阳极； VCSEL的另一侧电极208，极性与207相对；印刷电路板202层间的过孔209，用于上下元器件的连接，其数量可根据实际需要进行增减。

图3是工作状态下VCSEL的注入电流以及输出光功率波形示例图。展示了在测试条件下，VCSEL的注入电流和输出光功率波形的示例性图，在增益开关（gain-switch）模式下，输出光脉冲宽度可以达到数十到数百皮秒，随着注入电流的时间的延长，输出光脉宽也会相应增加，脉宽可从1ns到数百微秒变化。

图4是集成电路芯片与透镜组合的示例性图。图4中，将集成电路芯片403发光面朝上，背部与低压供电电源404相连接组合在一起，嵌套固定在镜筒内侧部分401的中并灌封在仪器。透镜405与镜筒外侧部分406相连接，透镜可以对VCSEL发出的光线进行会聚，调整光线方向等操作，具体根据实际需求来调整透镜的具体参数以及个数。

在镜筒内侧部分401的外壁和镜筒外侧部分406的内壁上加工有螺纹402和407，通过两部分螺纹的连接将集成电路芯片与透镜组合在一起，使得发光芯片自然处于透镜405的光轴上，便于整个系统的光学设计和集成。

本发明中，集成电路芯片403，即VCSEL与驱动电路在印刷电路板上组合成的整体；供电电源404，主要是给VCSEL驱动信号供电的高低压电源；透镜405，用于对VCSEL发出的光线进行会聚以及调节光出射方向。

Claims (8)

1.基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，结构包括垂直腔面发射激光器、储能单元、开关单元、驱动芯片、电流检测单元、充电限流单元以及输入输出接口，并且，这些部件集成在一块电路板上；其中，通过金属丝键合的方式，所述垂直腔面发射激光器的发光面电极连接到电路板上，所述储能单元分布在垂直腔面发射激光器四周，所述开关单元位于垂直腔面发射激光器所在电路板背面，通过焊接或者金属丝键合的方式将开关单元电极连接到电路板上；所述储能单元、垂直腔面发射激光器、电流检测单元以及开关单元通过电路板过孔构成放电回路；充电端口、控制信号以及电流监测信号端口位于电路板四周，便于与外界连接；充电端口包含储能单元充电端口以及开关单元驱动电路辅助电源充电端口，控制信号连接到驱动芯片的输入端，电流监测信号用于显示脉冲放电回路中通过垂直腔面发射激光器的电流值。

2.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，当其他条件不变，改变储能单元充电电压时，可以改变脉冲放电电流，从而改变输出脉冲激光光功率和光能量；改变控制信号，可以调节开关单元通断时间和重复频率，从而改变输出脉冲电流宽度，调节垂直腔面发射激光器的输出光脉宽和频率。

3.根据权利要求2所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，所述限流单元，包括限流电阻、限流电感或者半导体器件构成的开关限流措施。

4.根据权利要求3所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，所述开关单元，包括各类半导体开关器件，选自晶体管BJT、晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET以及绝缘栅双极性晶体管IGBT可控半导体开关器件。

5.根据权利要求4所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器，包括各种形态结构的垂直腔面发射激光器。

6.根据权利要求5所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，所述储能单元，包括常规的电容器以及电感器，还包括各类电池以及光电转换、热电转换以及风电转换组件。

7.根据权利要求6所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，所述电流检测单元，选自电流取样电阻、电流互感器以及霍尔电流传感器等测量器件，通过检测电流控制垂直腔面发射激光器驱动电流，从而改变输出激光脉冲光功率。

8.根据权利要求7所述的基于垂直腔面发射激光器的脉冲驱动电路，其特征在于，采用直流充电电源，包括各类恒压恒流充电电源，主要对储能单元进行充电。