CN116222767A - 用于单点vcsel的控制电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于单点VCSEL的控制电路，其包括第一充电支路和第二充电支路，其中，所述第一充电支路包括第一电源单元和场效应晶体管，单点VCSEL适于串联于所述第一电源单元和所述场效应晶体管之间，所述单点VCSEL形成第一电阻，所述场效应晶体管形成第一电容，所述第二充电支路并联于所述场效应晶体管，所述第二充电支路包括第二电阻和第二电容。在场效应晶体管从导通态切换为关断态的过程中，并联于场效应晶体管的充电电路两端的电压始终大于零，使得场效应晶体管两端的电压大于零。这样，在场效应晶体管关断后需要充满电的时间缩短，将电流波形和单点VCSEL的脉宽控制在指定脉宽范围内，能够较为准确的测试所述单点VCSEL的光功率。

Description

用于单点VCSEL的控制电路

技术领域

本申请涉及VCSEL领域，且更为具体地，涉及一种用于单点VCSEL的控制电路。

背景技术

垂直腔面发射激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一种沿垂直于衬底的方向出射激光的半导体激光器件，其出射的光束为圆形，发散角小，很容易与光纤及其他光学元件耦合且耦合效率高。且VCSEL可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。另外，VCSEL的有源区体积小，容易实现单纵模、低阈值的工作，其电光转换效率可大于50%，可期待得到较长的器件寿命。VCSEL容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，且可应用于高功率器件。因此VCSEL已经被广泛地应用于移动设备、线下支付、家庭机器人、无人机、车辆智能座舱、车载激光雷达以及AR/VR等领域。

在实际生产中，需要对VCSEL进行检测，例如，检测VCSEL的可靠性、激光发散角、激光光功率，以判断VCSEL的整体性能，其中，激光光功率的大小直接影响了VCSEL发出的激光的出射距离，可判断VCSEL的出光性能。

如图1所示，现有的VCSEL测试中，通常对多点VCSEL（即，包括多个VCSEL发光点的VCSEL）进行光功率测试。具体地，VCSEL二极管串联在电源和场效应管（即，MOS）之间，当场效应管被具有预设脉冲宽度和占空比的电信号导通时，所述场效应管放电，即可实现具有指定脉冲宽度及其对应的占空比的电流脉冲波形，进一步地，多点VCSEL可形成具有指定脉冲宽度及其占空比的光波形。在所述场效应管向VCSEL发光点放电的过程中，通过测试仪器读取平均电流和平均光功率，然后再除以占空比，分别得出峰值电流和峰值光功率，从而得到峰值功率VS峰值电流的曲线。

然而，在一些应用场景下，需要对单个VCSEL发光点进行光功率测试，且用于多点VCSEL的光功率测试方案无法适用于单个VCSEL发光点的光功率测试。在实际测试中发现，通过用于多点VCSEL的光功率测试方案来测试单个VCSEL发光点的光功率，场效应管很难控制电流脉冲波形，也就是，当场效应管被具有预设的脉冲宽度和占空比的电信号导通时，难以实现具有指定脉冲宽度及其对应的占空比的电流脉冲波形，场效应管关断后，电流脉冲波形下降非常缓慢，如图2所示，导致VCSEL形成的光波形的脉冲宽度不再受控制，VCSEL形成的光波形的脉冲宽度无法被准确读取。原有的测试板、测试读值和换算方法将不能适应于单点VCSEL的光功率测试。

因此，需要一种适用于单点VCSEL的光功率测试方案。

发明内容

本申请的一个优势在于提供了一种用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述用于单点VCSEL的控制电路适用于对单点VCSEL进行光功率测试，能够较为准确地测试单点VCSEL的光功率。

本申请的另一个优势在于提供了一种用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述用于单点VCSEL的控制电路能够控制流经单点VCSEL的电流波形的脉宽，进而较为准确地测试单点VCSEL的光功率。

为了实现上述至少一优势或其他优势和目的，根据本申请的一个方面，提供了一种用于单点VCSEL的控制电路，其包括：第一充电支路，包括第一电源单元和场效应管，单点VCSEL适于串联于所述第一电源单元和所述场效应管之间，所述单点VCSEL形成第一电阻，所述场效应管形成第一电容；和并联于所述场效应管的第二充电支路，包括第二电阻和第二电容。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述第二电阻和所述第二电容形成第二RC电路，所述第二RC电路的时间常数值大于所述场效应管的导通时间。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述第二RC电路的时间常数值等于所述场效应管的导通时间的10倍。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述单点VCSEL适于与所述第二充电支路连接于所述场效应管的漏极。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述第二充电支路进一步包括串联于所述第二RC电路的二极管和并联于所述第二充电支路的第二电源单元。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述二极管的负极适于与所述单点VCSEL的负极连接。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述二极管为肖特基二极管。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述第一电源单元包括第一电源和并联于所述第一电源的至少一第一充电电容，所述第二电源单元包括第二电源和并联于所述第二电源的至少一第二充电电容。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述用于单点VCSEL的控制电路进一步包括驱动电路，所述场效应管适于连接于所述单点VCSEL和所述驱动电路之间。

在根据本申请所述的用于单点VCSEL的控制电路中，所述驱动电路包括以下任意一种驱动器：GaN驱动器、场效应管驱动器。

通过对随后的描述和附图的理解，本申请进一步的目的和优势将得以充分体现。

本申请的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1图示了适用于多点VCSEL的光功率测试的控制电路的示意图。

图2图示了根据本申请实施例的用于单点VCSEL的控制电路的框图示意图。

图3图示了根据本申请实施例的用于单点VCSEL的控制电路的一个具体示例的示意图。

图4图示了利用本申请实施例的一用于单点VCSEL的控制电路测试单点VCSEL时的电路仿真波形的示意图。

图5图示了利用本申请实施例的用于单点VCSEL的控制电路的另一个具体示例的示意图。

图6图示了利用本申请实施例的另一用于单点VCSEL的控制电路测试单点VCSEL时的电路仿真波形示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本申请以使本领域技术人员能够实现本申请。以下描述中的实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本申请的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本申请的精神和范围的其他技术方案。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制哪些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离申请构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

申请概述

如前所述，在实际测试中发现，通过用于多点VCSEL的光功率测试方案来测试单个VCSEL发光点的光功率，场效应管很难控制电流脉冲波形，也就是，当场效应管被具有预设的脉冲宽度和占空比的电信号导通时，难以实现具有指定脉冲宽度及其对应的占空比的电流脉冲波形，场效应管关断后，电流脉冲波形下降非常缓慢，导致VCSEL形成的光波形的脉冲宽度不再受控制，VCSEL形成的光波形的脉冲宽度无法被准确读取。原有的测试板、测试读值和换算方法将不能适应于单点VCSEL的光功率测试。

本申请的发明人分析发现，单点VCSEL的电阻较大，单点VCSEL形成电阻较大的等效电阻，根据所述场效应管的结构，所述场效应管形成寄生电容，所述单点VCSEL形成的等效电阻和所述场效应管的寄生电容形成RC电路。RC电路的时间常数等于所述等效电阻的电阻值和所述寄生电容的电容值，因此，当所述等效电阻的阻值较大时，RC电路的时间常数较大。在通过用于多点VCSEL的光功率测试方案来测试单个VCSEL发光点的光功率的过程中，当所述场效应管关断时，单点VCSEL和场效应管之间形成RC电路，RC电路对场效应管的寄生电容进行充电。由于单点VCSEL和场效应管之间形成的RC电路时间常数较大，因此，在向所述寄生电容充电的过程中，充电电流从最大值到0所需要的时间较长，单点VCSEL在各电流点的光脉冲下降延缓，脉冲宽度较大且是波动变化的，无法按照指定脉宽条件进行测试。

相应地，本申请的发明人提出可设置并联于场效应管的充电电路，并配置为在场效应管从导通态切换为关断态的过程中，并联于场效应管的充电电路两端的电压始终大于零，使得场效应管两端的电压大于零。这样，在场效应管关断后需要充满电的时间缩短，充电电流从最大值到0所需要的时间缩短，电流波形下降加快，较为陡峭，通过这样的方式，将电流波形和所述单点VCSEL的脉宽控制在指定脉宽范围内，能够较为准确的测试所述单点VCSEL的光功率。

基于此，本申请提出一种用于单点VCSEL的控制电路，其包括：第一充电支路和第二充电支路，其中，所述第一充电支路包括第一电源单元和场效应管，单点VCSEL适于串联于所述第一电源单元和所述场效应管之间，所述单点VCSEL形成第一电阻，所述场效应管形成第一电容，所述第二充电支路并联于所述场效应管，所述第二充电支路包括第二电阻和第二电容。

示例性控制电路

参考说明书附图1至图6，所述用于单点VCSEL的控制电路被阐明。所述用于单点VCSEL的控制电路提供了一种适用于单点VCSEL（D）的光功率测试方案，使得光功率测试设备能够通过所述用于单点VCSEL的控制电路测试单点VCSEL（D）的光功率。所述单点VCSEL（D）具有且仅具有一个发光孔，这里，所述单点VCSEL（D）是指仅设有一个VCSEL发光点的VCSEL芯片，或者，设有多个VCSEL发光点的VCSEL芯片中的一个VCSEL发光点。

具体地，所述光功率测试设备包括场效应管（MOS）、可通讯得连接于所述光功率管的计算单元、测试显示面板和可通讯地连接于所述场效应管（MOS）、所述计算单元和所述测试显示面板的控制单元。所述光功率测试设备的场效应管（MOS）适于连接于待测的单点VCSEL（D），以与所述单点VCSEL（D）和其他电子元器件形成所述用于单点VCSEL的控制电路。在通过所述用于单点VCSEL的控制电路测试单点VCSEL（D）的光功率的过程中，当所述光功率测试设备的场效应管（MOS）导通时，所述用于单点VCSEL的控制电路控制电流波形，所述计算单元获取平均电流和平均光功率，并基于平均电流和平均光功率计算峰值功率和峰值电流，进而获取峰值功率VS峰值电流的曲线，所述控制单元控制所述测试显示面板显示所述单点VCSEL（D）的光波形、平均电流、平均光功率、峰值电流、峰值光功率、峰值功率VS峰值电流的曲线等数据。

更具体地，如图2和图3所示，在本申请实施例中，所述用于单点VCSEL的控制电路包括第一充电支路和第二充电支路。所述第一充电支路包括第一电源单元和场效应管（MOS），单点VCSEL（D）适于串联于所述第一电源单元和所述场效应管（MOS）之间。所述第二充电支路并联于所述场效应管（MOS）。所述单点VCSEL（D）形成与其串联的电阻值较大的等效电阻，即，第一电阻，所述场效应管（MOS）形成与其并联的寄生电容，即，第一电容，所述单点VCSEL（D）形成的第一电阻和所述场效应管（MOS）形成的第一电容形成第一RC电路。所述第二充电支路包括第二电阻（R2）和第二电容（C2），所述第二电阻（R2）和所述第二电容（C2）形成第二RC电路。所述单点VCSEL（D）适于与所述第二充电支路连接于所述场效应管（MOS）的同一极。具体地，所述单点VCSEL（D）适于连接于所述场效应管（MOS）的漏极（DRAININ），所述第二充电支路连接于所述场效应管（MOS）的漏极（DRAININ）。

在上电启动时，所述场效应管（MOS）形成的第一电容通过所述第一充电支路的第一电源单元进行充电，所述第二充电支路的第二电容（C2）通过所述第一充电支路进行充电。当所述场效应管（MOS）导通时，所述场效应管（MOS）形成的第一电容和所述第二电容（C2）均放电，这改变了所述第一充电支路的电流幅度，使其减小。当所述场效应管（MOS）关断时，所述第一电容和所述第二电容（C2）开始充电。

特别地，在本申请实施例中，将所述第二RC电路设计为其时间常数大于所述场效应管（MOS）的导通时间，因此，在所述场效应管（MOS）导通的过程中，所述第二电容（C2）并未将其所储的电能完全释放，当所述场效应管（MOS）从导通态切换为关断态时，所述第二电容（C2）的电压不为零。且可通过实际需要调整所述第二电容（C2）和所述电阻来调整所述第二RC电路的时间常数，进而调整所述场效应管（MOS）从导通态切换为关断态时所述第二电容（C2）的电压，使得所述场效应管（MOS）从导通态切换为关断态时，所述第二电容（C2）仍储存有足够的电能，所述第二电容（C2）的电压为一个较大的值。例如，可将所述第二RC电路的时间常数设计为大于等于所述场效应管（MOS）的导通时间的5倍。在本申请的一个具体示例中，所述第二RC电路的时间常数值等于所述场效应管（MOS）的导通时间的10倍。

当所述场效应管（MOS）关断的瞬间，由于所述第二充电支路的第二RC电路的电压不为零，与所述第二充电支路并联的第一充电支路的场效应管（MOS）的电压也不为零，因此，相对于没有设置并联于场效应管（MOS）的第二充电支路且在场效应管（MOS）关断瞬间电压为零的控制电路，本申请的所述用于单点VCSEL的控制电路在所述场效应管（MOS）关断后能够在更短的时间内充满电。相应地，通过所述单点VCSEL（D）的充电电流从最大值到零所需要的时间更短，因此，电流波形更加陡峭，如图4所示。这样，可将电流波形和所述单点VCSEL（D）的脉宽控制在指定脉宽范围内，能够较为准确的测试所述单点VCSEL（D）的光功率。在利用本申请的用于单点VCSEL的控制电路的测试过程中，IC Haus机台的连接于其测试显示面板的场效应管串联于所述单点VCSEL，并联于所述第二充电电路，整个过冲脉宽是受控制的，达到预期的电流脉冲和光脉宽能够受控进行测试的目标。

值得一提的是，在测试过程中，可设置串联于所述单点VCSEL（D）的电流表（AM1），本申请的发明人发现，相比于没有设置并联所述场效应管（MOS）的第二充电支路的控制电路，设置了并联所述场效应管（MOS）的第二充电支路的控制电路在所述场效应管（MOS）导通后所述电流表（AM1）测得的流经所述单点VCSEL（D）的电流会较小。

究其原因发现，因为设置了并联所述场效应管（MOS）所述第二充电支路后，所述第二充电支路会在上电启动时通过所述第一充电支路存储足够的能量，然而，在所述场效应管（MOS）导通时，所述第二充电支路只向所述第一充电支路释放部分能量，这使得在测试所述单点VCSEL（D）的光功率的过程中测得的流经所述单点VCSEL（D）的电流值减小，对应的单点VCSEL（D）的光功率较低。所述场效应管（MOS）关断后，所述第二充电支路仍然可通过所述第一充电支路充电，补充其在所述场效应管（MOS）导通时释放的能量。

针对上述问题，本申请对电路进行进一步优化。在本申请的一实施方式中，为所述第二充电支路配置了额外的电源和用于控制电流流向的二极管。这样，上电后所述第一电源单元仅为所述单点VCSEL（D）供电，所述单点VCSEL仅为所述场效应管（MOS）充电。

相应地，如图5所示，在本申请的一实施方式中，所述第二充电支路进一步包括串联于所述第二RC电路的二极管和并联于所述第二充电支路的第二电源单元。在上电启动时和所述场效应管（MOS）关断时，所述第二电源单元可为所述第二充电支路的第二电容（C2）充电。所述二极管的负极适于与所述单点VCSEL（D）的负极连接，所述二极管可通过控制电流流向来阻止所述第一充电支路的第一充电单元为所述第一充电支路的二电容充电。

在本申请实施例中，所述二极管可被实施为肖特基二极管，是一种反向结电容极低的二极管。所述肖特基二极管是以贵金属（金、银、铝、铂等）为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属－半导体器件。所述单点VCSEL（D）的正电极和负电极之间形成并联于所述单点VCSEL（D）的寄生电容，所述二极管的反向结电容值小于等于所述单点VCSEL（D）的寄生电容的反向结电容值。应可以理解，所述二极管可被实施为其他类型的二极管，对此，并不为本申请所局限。

利用上述进一步优化的用于单点VCSEL的控制电路进行光功率测试的过程中，在上电启动时，所述场效应管（MOS）的第一电容通过所述第一充电支路的第一电源单元进行充电，所述第二充电支路的第二电容（C2）通过所述第二充电支路的第二电源（V2）进行充电，且通过所述二极管避免所述第一电源单元向所述第二电容（C2）充电。当所述场效应管（MOS）导通时，所述场效应管（MOS）形成的第一电容和所述第二电容（C2）均放电，改变了所述第一充电支路的电流幅度，使其减小。当所述场效应管（MOS）关断时，所述第一电容和所述第二电容（C2）开始充电，且所述场效应管（MOS）关断的瞬间所述第二电容（C2）的电压不为零，与所述第二充电支路并联的第一充电支路的场效应管（MOS）的电压也不为零，因此，相对于没有设置并联于场效应管（MOS）的第二充电支路且在场效应管（MOS）关断瞬间电压为零的控制电路，本申请的所述用于单点VCSEL的控制电路在所述场效应管（MOS）关断后能够在更短的时间内充满电。相应地，通过所述单点VCSEL（D）的充电电流从最大值到零所需要的时间更短，因此，电流波形更加陡峭，如图6所示。这样，可将电流波形和所述单点VCSEL（D）的脉宽控制在指定脉宽范围内，且保障了对峰值电流VS峰值光功率曲线的准确的测量，以获得的所述单点VCSEL（D）的光功率更为准确。

在本申请实施例中，所述第一电源单元和所述第二电源单元的结构并不为本申请所局限。在本申请的一个具体示例中，所述第一电源单元包括第一电源（V1）和并联于所述第一电源（V1）的至少一第一充电电容（C3）。所述第二电源单元包括第二电源（V2）和并联于所述第二电源（V2）的至少一第二充电电容（C4）。

所述场效应管（MOS）的型号也不为本申请所局限，在本申请的一个具体示例中，所述场效应管（MOS）的型号为EPC2019，为增强性能氮化镓场效应晶体管。

在本申请实施例中，所述用于单点VCSEL的控制电路进一步包括驱动电路，用于驱动所述单点VCEL，控制所述VCSEL的出光过程。所述场效应管（MOS）适于连接于所述单点VCSEL（D）和所述驱动电路之间。更明确地，所述场效应管（MOS）的栅极（GATENIN）连接于所述驱动电路，所述场效应管（MOS）的漏极（DRAININ）适于连接于所述单点VCSEL（D），所述场效应管（MOS）的源极（SOURCEIN）接地。

所述驱动电路的具体实施方式不为本申请所局限，在本申请的一个具体示例中，所述驱动电路包括GaN驱动器，型号为LMG1020，属于单通道低侧GaN驱动器。在本申请的其他示例中，所述驱动电路可选用其他类型的开关驱动器，例如，场效应管（MOS）驱动器。

所述GaN驱动器具有反向激励输出引脚 OUTL、正向激励输出引脚 OUTH、第一输入引脚INM、第二输入引脚 INP、电源引脚VDD和接地引脚 GND。所述GaN驱动器的电源引脚VDD连接于第三电源（V3），所述第三电源（V4）可并联一滤波电容（C5）。所述GaN驱动器的第一输入引脚INM和接地引脚 GND接地。所述GaN驱动器的第二输入引脚INP可外接信号控制电路（Pulse），所述信号控制电路（Pulse）用于输入指定脉宽和占空比信号。在本申请的一个具体示例中，所述驱动电路进一步包括并联于所述GaN驱动器的反向激励输出引脚 OUTL和正向激励输出引脚 OUTH之间的第三电阻（R3）和第四电阻（R4），用于避免栅极控制信号的过冲和振荡。应可以理解，所述第三电阻（R3）和所述第四电阻（R4）根据需求设置，所述驱动电路也可以不设置所述第三电阻（R3）和所述第四电阻（R4）。

综上，所述用于单点VCSEL的控制电路被阐明，所述用于单点VCSEL的控制电路适用于对单点VCSEL（D）进行光功率测试，能够较为准确地测试单点VCSEL（D）的光功率。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (10)

1.一种用于单点VCSEL的控制电路，其特征在于，包括：第一充电支路，包括第一电源单元和场效应晶体管，单点VCSEL适于串联于所述第一电源单元和所述场效应晶体管之间，所述单点VCSEL形成第一电阻，所述场效应晶体管形成第一电容；和并联于所述场效应晶体管的第二充电支路，包括第二电阻和第二电容。

2.根据权利要求1所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述第二电阻和所述第二电容形成第二RC电路，所述第二RC电路的时间常数值大于所述场效应晶体管的导通时间。

3.根据权利要求2所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述第二RC电路的时间常数值等于所述场效应晶体管的导通时间的10倍。

4.根据权利要求1所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述单点VCSEL适于与所述第二充电支路连接于所述场效应晶体管的漏极。

5.根据权利要求1所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述第二充电支路进一步包括串联于所述第二RC电路的二极管和并联于所述第二充电支路的第二电源单元。

6.根据权利要求5所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述二极管的负极适于与所述单点VCSEL的负极连接。

7.根据权利要求6所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述二极管为肖特基二极管。

8.根据权利要求5所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述第一电源单元包括第一电源和并联于所述第一电源的至少一第一充电电容，所述第二电源单元包括第二电源和并联于所述第二电源的至少一第二充电电容。

9.根据权利要求1所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述用于单点VCSEL的控制电路进一步包括驱动电路，所述场效应晶体管适于连接于所述单点VCSEL和所述驱动电路之间。

10.根据权利要求1所述的用于单点VCSEL的控制电路，其中，所述驱动电路包括以下任意一种驱动器：GaN驱动器、场效应管驱动器。

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