DE102019121384A1

DE102019121384A1 - Optischer Pulsgenerator und Verfahren zum Betrieb eines optischen Pulsgenerators hoher Leistung und kurzen Pulsen

Info

Publication number: DE102019121384A1
Application number: DE102019121384.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hoffmann; Andreas Klehr; Armin Liero
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-02-11
Also published as: WO2021023544A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Pulsgenerator und ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Pulsgenerators. Insbesondere soll ein erfindungsgemäßer optischer Pulsgenerator alle Emitter und deren Segmente einer Laserdiode gleichmäßig mit Strom versorgen.Der erfindungsgemäße optische Pulsgenerator, umfassend ein aktives optisches Bauelement (10), dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) des optischen Bauelements (10), dazu ausgebildet, das optisches Bauelement (10) zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; 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.

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.
Stand der Technik
LiDAR (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.
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.
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.
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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.
Vorzugsweise wird mit der schnellen Achse (engl. fast axis) die vertikale Achse eines optischen Pulsgenerators gemeint.
Vorzugsweise wird mit der langsamen Achse (engl. slow axis) die Querachse eines optischen Pulsgenerators gemeint.
Vorzugsweise stehen die schnelle Achse, die langsame Achse und die Längsachse in Strahlausbreitungsrichtung senkrecht zu einander.
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.
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.
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.
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.
Vorzugsweise sind die mehreren getrennten Stromzuführungen entlang der Längsachse und/oder der langsamen Achse nebeneinander realisiert. Dies vermeidet eine magnetische Kopplung von Strompfaden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gemäß einer weiteren 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 µm , noch bevorzugter dünner als 50 µm . 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.
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.
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.
Vorzugsweise wird der Strom entlang der langsamen Achse eingespeist.
Vorzugsweise werden die Stromzuführungen für alle Ausführungsformen auch als Einspeisung definiert.
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.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische 3D-Darstellung eines konventionellen optischen Pulsgenerators mit Submount mit x, y, z-Achsenbezeichnung,
2 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse eines konventionellen optischen Pulsgenerators mit Submount,
3 ein Ersatzschaltbild eines konventionellen optischen Pulsgenerators,
4 ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators,
5 ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators,
6 ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators,
7 ein Ersatzschaltbild einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators,
8 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse eine erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount,
9 eine schematische Darstellung in der Draufsicht der ersten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount,
10 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount,
11 eine schematische Darstellung in der Draufsicht einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount,
12 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse einer vierten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount,
13 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der schnellen Achse der vierten Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount,
14 eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount und
15 eine schematische Darstellung in der Draufsicht der vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1, 2 und 3 beschreiben einen konventionellen optischen Pulsgenerator. In 1 wird der konventionelle optische Pulsgenerator in Form einer 3D-Aufbauskizze dargestellt. In 2 wird ein Schnitt durch dessen Längsachse y dargestellt und zum vereinfachten Verständnis wird in 3 ein Ersatzschaltbild des konventionellen optischen Pulsgenerators dargestellt.
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.
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.
Statt verteilter Strukturen werden im Ersatzschaltbild der 3 zur Übersichtlichkeit nur drei Einzeldioden D1', 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, D1', D2' und D3', den Widerständen RP1', RP2' und RP3' und den Kondensatoren C1', 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.
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.
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.
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. 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 D1', 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 I1', 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 D1', D2' und D3' eine gemeinsame Stromabführung.
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 D1', 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.
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.
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.
8 und 9 zeigen eine erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der Längsachse y der erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount und 9 zeigt eine schematische Darstellung in der entsprechenden Draufsicht. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform (Stand der Technik). Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Unterschied zu 1 und 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.
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 8 und 9 dargestellten Ausführungsform. Die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Unterschied zu 8 und 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.
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 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 9. In 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.
12 und 13 zeigen eine vierte Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. 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 8 und 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.
Damit treten dann die Kathode K und die Anode A am optischen Bauelement abwechselnd für jeden Emitter auf. Die Ausführungsvariante nach 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.
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.
14 und 15 zeigen eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts entlang der langsamen Achse x der vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount und 15 zeigt eine schematische Darstellung in der Draufsicht der vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators mit Submount. Der prinzipielle Aufbau entspricht weitestgehend der in 12 und 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 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:

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.

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 üblicher Weise 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.
Best Mode: Ausführungsform 4 wird an einem Beispiel detaillierter beschrieben:

Es wird ein Laserdiodenbarren (optisches Bauelement 10) mit 16 Emittern 9 beschrieben. Jeder Emitter ist 50 µm breit. Der Abstand zwischen den Emittern beträgt 200 µm . Somit ist das Bauelement mit Randzone 3,4 mm breit. Die Länge dieses Bauelements beträgt 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.
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 herstellen.
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 Systemreichweite erreicht. (siehe Stand der Technik).
Bezugszeichenliste

3: Segmente oder Gruppen des optischen Bauelements
4: Leiterplatte
5: Grundkörper
6: Laserstrahl
7: Durchkontaktierung
8: Strompfad
9: Diodenemitter
10: Optisches Bauelement
11: Stromzuführung
20, 21, 22, 23: Mittel zur elektrischen Ansteuerung
30: Deckel
40: Submount
A: Anode
K: Kathode
x: Querachse / Langsame Achse
y: Längsachse / Achse in Strahlungsausbreitungsrichtung
z: Vertikale Achse / Schnelle Achse
L_x: Induktivität
R_x: Widerstand
U_x: Spannungsquelle/Signalquelle
C_x: Kapazität
D_x: Leuchtdiode
I_x: Strompfad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7969588 B2 [0002]
WO 2018/059965 A1 [0002]

Claims

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; dadurch gekennzeichnet, dass c) 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.
Optischer Pulsgenerator gemäß Anspruch 1, wobei jede der Gruppen (3) jeweils eine voneinander elektrisch getrennte Stromabführung kontaktiert.
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.
Optischer Pulsgenerator gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Stromzuführungen entlang einer vertikalen Achse (z) gestapelt realisiert sind.
Optischer Pulsgenerator gemäß Anspruch 4, wobei die mehreren Stromzuführungen (11) entlang der vertikalen Achse (z) über oder unter dem aktiven optischen Bauelement (10) realisiert sind.
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.
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.
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.
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.
Optischer Pulsgenerator, umfassend: a) ein aktives optisches Bauelement (10), dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; wobei b) das aktive optische Bauelement (10) mindestens zwei Emitter (9) aufweist, wobei jeder Emitter (9) eine Anode (A) und eine Kathode (K) umfasst, wobei die Anode (A) und Kathode (K) entlang einer langsamen Achse (x) angeordnet sind; c) ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) des optischen Bauelements (10), dazu ausgebildet, das optisches Bauelement (10) zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; dadurch gekennzeichnet, dass d) das aktive optische Bauelement (10) eine einzelne Stromzuführung (11) umfasst, und e) wobei die Anode (A) und Kathode (K) der einzelnen Emitter (9) elektrisch innerhalb des optischen Bauelements (10) in Reihe geschaltet sind.