CN110265871A - 用于激光雷达的激光发射模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光雷达的激光发射模组，所述模组中的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片，因HCSEL芯片发出的激光至少在一个方向上准直，这样简化了光学系统；通过光栅锁模，使激光发射模组无需加入任何光学器件就可具备中心波长范围小、谱宽窄、波长温漂小等特征，并且HCSEL可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用；另外由于大的出光面积，出光面功率密度变低，器件的寿命也会相应变长；HCSEL的激光芯片结构及出光方式还可以降低芯片成本，方便和模组内其它光学器件集成。

Description

用于激光雷达的激光发射模组
技术领域
本发明涉及激光器件技术领域，特别涉及一种用于激光雷达的激光发射模组。
背景技术
激光雷达(LiDAR)主要是通过利用近红外波段的半导体激光器发射激光脉冲，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对物体如汽车、飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台(用于扫描式雷达)和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。
目前的激光雷达通常采用端发射芯片或垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片作为激光芯片，发射出的半导体激光都具有发射角度大的缺点，导致需对两个方向的激光光束都要进行准直整形，使激光发射模组系统复杂，不易于集成，并且成本较高。
图1是根据一示例性实施例示出的基于目前MEMS(Micro ElectromechanicalSystem)技术(也可以是其它扫描式激光雷达系统，例如机械式扫描)的扫描式激光雷达系统的光路示意图。在该MEMS激光雷达中，半导体激光一般采用F-P(Fabry-Perot)腔端发射芯片，其具有发射角度大、出光面积小，频谱宽、波长温度漂移严重等特点。
大的激光出光角度通常需要对两个方向的光束都进行准直整形(即快轴准直和慢轴准直)，将导致光学集成系统复杂，并且尺寸较大。具有大发散角度的半导体激光器的远场角度分布如图2所示，图2(a)为慢轴发射角的远场角度分布图，图2(b)为快轴发射角的远场角度分布图。
现有F-P端发射激光器宽波长谱宽和严重波长温度漂移极大的限制了激光雷达的信噪比。众所周知，背景光是影响信噪比关键因素，背景光强，信号光就被可能被淹没，导致信噪比弱。由以下背景光功率的方程可知背景光功率：
Pb＝(л/16)*Tr*ρ*θr*dr*△λ*(Ta*ρ*Hλ*cosβ*cosφ+л*Nλ*(1-Ta))
其中，Tr接收光学系统透过率，Ta大气透过率，θr接收视场，dr接收光学孔径，△λ光学滤光片带宽，Hλ太阳对地面光谱，Nλ为大气散射的太阳光谱辐射亮度，ρ为目标漫反射系数，φ为目标表面和太阳光线夹角，β为接收光轴与目标表面法线夹角。
上述公式中△λ的选择与所用激光的特性有关系，假设其他条件不变情况下，△λ(光学滤光片带宽)主要是由激光光源的谱宽和波长温度漂移的总量决定，谱宽和波长温度漂移大，那么△λ就需要相应增大，这样背景光功率大，探测信号信噪比低，如果△λ小，能量损耗严重，则雷达可探测距离变近。值得一提的是，上述宽光谱，严重温漂等特性并不会在通过各种光学整形器件后有所改善。因此，窄线宽和低温漂的激光光源具有允许激光雷达使用更窄带宽的光学滤光片，从而降低背景光功率，提升信噪比的优势。
图3是根据一示例性实施例示出的目前三维(3D)flash激光雷达的光路示意图。通常flash雷达的使用角度至少60°*45°且要求光束均匀分布。通常采用的端发射半导体激光器光束是近高斯模式，分布不均匀，如果使用在3D flash激光雷达中，不仅仅要进行快慢轴扩角度，且还需要进行高斯均匀化，导致系统相对复杂，成本也过高。
发明内容
为了解决相关激光雷达技术中的激光发射模组系统复杂，不易于集成，并且成本较高的问题，本公开提供了一种激光雷达的激光发射模组。
本发明提供了一种激光雷达的激光发射模组，所述模组中的激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片。
优选地，所述水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片包括高阶光栅，通过所述高阶光栅耦合输出激光。
优选地，所述高阶光栅位于所述水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片的表面或内部。
优选地，所述高阶光栅是线性光栅、非线性光栅、二元光栅或非均匀光栅。
优选地，所述HCSEL芯片的出光方向垂直于所述HCSEL芯片中水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形出光方式。
优选地，所述激光发射模组还包括快轴准直模块，所述快轴准直模块位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。
优选地，所述快轴准直模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。
优选地，所述激光发射模组还包括扩角模块，所述扩角模块位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。
优选地，所述扩角模块包括快轴扩角模块和慢轴扩角模块，所述快轴扩角模块和慢轴扩角模块均位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。
优选地，其扩角模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。
优选地，所述激光发射模组发出的激光信号的中心波长为600-2000nm。
优选地，所述激光发射模组发出的激光信号的中心波长为940nm。
在用于激光雷达的激光发射模组中，将HCSEL芯片作为激光发射芯片，由于HCSEL芯片发出的激光至少在一个方向上准直，大大降低模组集成的难度；通过光栅耦合的出光方式使激光发射模组无需加入任何光学器件就可具备中心波长范围小、谱宽窄、波长温漂小等特征；并且HCSEL可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用。另外由于大的出光面积，出光面功率密度变低，器件的寿命也会相应变长，并且HCSEL的芯片结构及出光方式还可以降低芯片生产成本，方便和模组内其它光学器件集成。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据一示例性实施例示出的目前MEMS式激光雷达的光路示意图。
图2为图1示出的光路示意图对应的MEMS式激光雷达所使用的端发射激光芯片的快、慢轴发射角的远场角度分布图。
图3是根据一示例性实施例示出的目前3D flash激光雷达的光路示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种激光雷达的发射模组的光路示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的另一种激光雷达的发射模组的光路示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种HCSEL的结构示意图。
图7是根据一示例性实施例示出的采用二元光栅或衍射光栅后的一种HCSEL出光示意图。
图8是根据图7对应实施例示出的HCSEL的远场发散角度图。
图9是根据一示例性实施例示出的HCSEL芯片不同出光方式的示意图。
图10是根据一示例性实施例示出的一种3D Flash激光雷达的光路示意图。
图11是图10对应实施例的扩角效果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同构造。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和连接关系进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例一：
请参阅图4-5，图4-5是根据一示例性实施例示出的用于扫描式激光雷达的激光发射模组光路示意图。图4-5中，激光发射模组中的半导体激光芯片为HCSEL(HorizontalCavity Surface Emitting Laser，水平腔面发射激光器)芯片。
HCSEL的出光面不需要特殊的腔面处理，表面损伤阈值高；另因表面出光，出光发散角小，避免了大的快轴发散角所附带的问题，其发出的激光信号具有在一个方向上或两个方向准直的特点；激光器共振腔较长，出光面积大，是理想的高功率照明光源。同时HCSEL芯片在制造上简单，更容易集成二维列阵。
如图4所示的光路图，当HCSEL芯片的激光信号在快轴和慢轴两个方向都准直时，在激光雷达的使用中就无需加入光学器件对HCSEL发出的激光信号进行准直处理，大大简化了激光发射模组的结构，并且由于结构简单，有效降低了激光发射模组的复杂度和制作成本。
如图5所示的光路图，当HCSEL芯片的激光信号在一个方向准直(譬如慢轴方向准直、在快轴方向不准直)时，在激光雷达的使用中仅仅需增加快轴准直模块进行快轴准直就可实现激光雷达的二维扫描，而且在进行一维扫描时无需加入任何光学器件，同样具有大大的简化激光发射模组的结构，有效的降低激光集模组的复杂度和制作成本的优势。
具体的，快轴准直模块可以为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件，还可以为其它形式的器件。
图6是根据一示例性实施例示出的一种HCSEL的结构示意图。由于HCSEL器件的水平振荡模式和不同于现有的通用半导体激光器的出光方式(端面发射激光器或垂直腔面发生激光器)，它可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用(各种扫描式激光雷达、FLASH雷达等等)。同时由于大的出光面积，其出光面功率密度大幅度变低，器件的工作寿命相应变长。HCSEL激光芯片的特殊水平震荡结构及垂直出光方式还可以大大的降低芯片生产成本，方便和模组内其它光学器件集成。
可选的，水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片包括高阶光栅，通过高阶光栅实现激光锁模，耦合垂直输出均匀光束，并使输出的光束拥有大的出光面积，并达到大功率、高亮度，非常适于长距离、高精度的激光雷达应用。
具体的，高阶光栅位于HCSEL芯片的表面或内部，还可以是位于HCSEL芯片的其他位置。
高阶光栅可以是线性光栅、非线性光栅、二元光栅或非均匀光栅，例如可以是二元光栅、线性光栅、曲线光栅、反射光栅、衍射光栅等中的一种或多种。
例如，HCSEL芯片采用二元/衍射光栅产生并垂直输出光束，不仅可以锁定中心波长范围，降低谱宽，还能把波长温度漂移降低，且能输出任何形状的光束。光束形状包含一个方向准直，另一方向准直或非准直。
图7是根据一示例性实施例示出的采用二元光栅或衍射光栅后的一种出光示意图，光束的其中一个方向准直，另一个方向不准直，由图7可以看出，从HCSEL发出的激光信号经过传输后，快轴方向(y方向)上的光线范围随着传输距离增大而越来越大，慢轴方向(x方向)上的光线范围随着传输距离增大却变化不明显。图7对应的远场发散角度图如图8所示。
需要说明的是，在用于激光雷达的激光发射模组中，HCSEL芯片可以正面出光，也可以是背面出光；光栅可以位于芯片表面，也可以位于芯片内部；还可以是其他的出光形式及光栅位置。在实际运用中，可根据具体的应用场景设置HCSEL芯片的出光方式及光栅位置。
图9是根据一示例性实施例示出的不同出光方式的示意图。图9中的锯齿状为光栅，图9(a)为光栅在表面时背面出光形式，图9(b)为光栅在表面时表面出光形式，图9(c)光栅在内部时正面出光，(d)为光栅在内部时背面出光。
需要说明的是，实施例一示出的激光发射模组可以用于各种扫描式激光雷达中，例如MEMS扫描式激光雷达、机械式扫描雷达等各种扫描式雷达。
在激光雷达的激光发射模组中，将HCSEL芯片作为激光发射芯片，由于HCSEL芯片发出的激光至少在一个方向上准直，大大降低模组集成的难度；通过光栅耦合的出光方式使激光发射模组无需加入任何光学器件就可具备中心波长范围小、谱宽窄、波长温漂小等特征；并且HCSEL可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用。另外由于大的出光面积，出光面功率密度变低，器件的寿命也会相应变长，并且HCSEL的芯片结构及出光方式还可以降低芯片生产成本，方便和模组内其它光学器件集成。
实施例二：
如图10所示，在3D Flash激光雷达中，激光发射模组中的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片，激光发射模组还包括扩角模块，通过扩角模块对HCSEL芯片发出的激光信号进行扩角处理，扩大激光信号在相应方向上的覆盖范围，并且还能使光线在覆盖范围内均匀化。
具体的，扩角模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。
可选的，扩角模块包括快轴扩角模块和慢轴扩角模块，快轴扩角模块和慢轴扩角模块均位于所述水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片发出光线的光路上。通过快轴扩角模块和慢轴扩角模块对快慢轴光线进行扩角，使输出的激光信号能够均匀的扩大覆盖范围，无需单独进行高斯均匀化，相比传统3D Flash激光雷达，大大简化了当前激光雷达系统中的激光发射模组，降低了激光雷达中激光发射模组的成本，有利于规模化生产。当前为了简化激光雷达系统，采用DOE，因涉及衍射，能量损失至少10％以上，且成本过高。
需要说明的是，所述快轴扩角模块位于所述光路上所述慢轴扩角模块的前方或后方，无论快轴扩角模块和慢轴扩角模块相互之间的顺序如何，均不影响对光速的扩角效果。
对于本发明实施例，通过调节激光发射模组中的高阶光栅，可调节发出激光的中心波长，并且发出激光的光谱宽度、波长温漂、发散角度等参数依然能保持前述的性能，不受中心波长调节的影响，发出激光的中心波长范围在600nm-2000nm，当然，还可以通过调节激光发射模组中的高阶光栅，使发出激光的中心波长在600nm-2000nm范围以外。
图11是根据图10对应实施例示出的扩角效果图，由图11可以看出，只需要经过图10中的慢轴扩角和快轴扩角，就能使输出的激光均匀化，激光光强度在可及范围内趋于一致，从图11中可看出，中心亮度和边缘亮度基本一致，说明扩角后光束均匀。
下面将本发明实施例一所示出的激光发射模组与市场通用产品(固态雷达、机械式雷达等)在940纳米波长进行比对：
本发明实施例一所示出的激光发射模组在中心波长940nm时，其中心波长范围为±1nm，谱宽1nm(相当于938.5-941.5nm)，在温度-20℃-﹢80℃环境中，温差100℃，那么波长温漂为7nm，加上中心波长范围及光谱宽度，滤光片仅需要10nm窄带滤光片，对应于935nm-945nm带宽。
而对于市场产品，在中心波长为940nm时，其中心波长范围为±5nm，谱宽4nm(相当于933nm-947nm)，在温度-20℃-﹢80℃环境中，温差100℃，那么温度波长漂移30nm，加上中心波长范围及光谱宽度，滤光片理论所需44nm范围，对应于918nm-962nm带宽(实际应用中所用的滤光片区间小于该理论值来达到探测效果，导致很多浪费能量)。
本发明实施例中的激光发射模组仅仅需要10nm窄带滤光片；而市场产品需要44nm窄带滤光片。可见市场产品上滤光片带宽是本发明实施例的4倍多，等于背景功率是本发明实施例的4倍以上！那么本发明实施例的信噪比优于市场上产品约4倍。
由于采用HCSEL芯片，大大简化了激光发射模组中的光学系统结构，在传统激光雷达的激光发射模组中，需要进行两个方向准直；而采用HCSEL芯片的激光雷达中，由于高阶光栅已经集成于HCSEL芯片上，最多仅仅需要一个方向准直，或者两个方向都不需要准直。HCSEL器件光束同时具有两个重要特征：A、波长锁定，线宽变窄；B、光束准直，可实现一个方向准直或者两个方向准直。
由于HCSEL的发光方式是面发射，更有利于增加输出功率，提高器件可靠性，并且由于两方向出光亮度都可控(准直或非准直)，可适于各种距离及探测方式的雷达(MEMS，FLASH，扫描等)。
本发明实施例所示出的光学集成器件具备有以下典型特征：
采用二元/衍射光栅耦合，垂直激光腔的方向输出；
慢轴方向发射角半峰全宽值(FWHM)在0.1°；
快轴方向发射角半峰全宽值(FWHM)在6°；
中心波长范围很小，由光栅锁定，通常±1nm或更小；
谱宽宽度1nm(FWHM)或以下；
温度漂移很小(在900-1000nm波段～0.07nm/K)。
在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“示例性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达的激光发射模组，其特征在于，所述激光发射模组的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片。
2.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述HCSEL芯片包括高阶光栅，通过所述高阶光栅耦合输出激光。
3.根据权利要求2所述的激光发射模组，其特征在于，所述高阶光栅位于所述HCSEL芯片的表面或内部。
4.根据权利要求2所述的激光发射模组，其特征在于，所述高阶光栅是线性光栅、非线性光栅、二元光栅或非均匀光栅。
5.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述HCSEL芯片的出光方向垂直于所述HCSEL芯片中水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形出光方式。
6.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述激光发射模组还包括快轴准直模块，所述快轴准直模块位于所述HCSEL芯片发出激光的光路上。
7.根据权利要求6所述的激光发射模组，其特征在于，所述快轴准直模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。
8.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述激光发射模组还包括扩角模块，所述扩角模块位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。
9.根据权利要求8所述的激光发射模组，其特征在于，所述扩角模块包括快轴扩角模块和慢轴扩角模块，所述快轴扩角模块和慢轴扩角模块均位于所述HCSEL芯片发出激光的光路上。
10.根据权利要求8所述的激光发射模组，其扩角模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。
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