DE102020133361A1

DE102020133361A1 - Optischer Pulsgenerator

Info

Publication number: DE102020133361A1
Application number: DE102020133361.7A
Authority: DE
Inventors: Armin Liero; Thomas Hoffmann; Andreas Klehr; Denis Wolf
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Pulsgenerator und insbesondere einen schnellen optischen Pulsgenerator mit hoher Effizienz.Ein erfindungsgemäßer optischer Pulsgenerator umfasst ein aktives optisches Bauelement (10), dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) des aktiven optischen Bauelements (10), dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement (10) zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) eine erste Treiberschaltung (24) und eine zweite Treiberschaltung (26) aufweist, wobei die zweite Treiberschaltung (26) dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement (10) durch einen elektrischen Anstiegspuls während einer anfängliche Pulsdauer (tind-ton) mit einer zweiten Spannung (VD2) zu versorgen und die erste Treiberschaltung (24) dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement (10) durch einen elektrischen Hauptpuls über die restliche Pulsdauer (toff-tind) mit einer kleineren ersten Spannung (VD1) zu versorgen. Bei einem alternativen optischen Pulsgenerator umfasst das Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) eine Treiberschaltung (28) mit einer ersten Spannung (VD1) und einer kleineren zweiten Spannung (VD2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Pulsgenerator und insbesondere einen schnellen optischen Pulsgenerator mit hoher Effizienz.
Stand der Technik
LiDAR (engl. „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, bei dem durch geringe Induktivitäten der Laserdioden und Treiber möglichst kurze Laserimpulse mit schnellen Anstiegszeiten realisiert sind. Ein entsprechender optischer Pulsgenerator wird auch als LiDAR-Treiber bezeichnet.
Bisherige LiDAR-Treiber arbeiten mit einer geschalteten Strom- oder Spannungsquelle. Wenn die Treiber kurze Lichtimpulse erreichen sollen, müssen sie eine hohe Spannung haben, um die parasitäre Aufbau-Induktivität zu überwinden. Nach dieser Einschaltphase führt die jetzt nicht mehr benötigte Spannung jedoch zu hohen Verlusten. Der Spannungsabfall entsteht zumeist im Schaltelement. Das Schaltelement wird zumeist durch einen Transistor realisiert und arbeitet nach der Einschaltphase im Ausgangskennlinienfeld im Bereich konstanter Ströme, d. h. der Spannungsabfall nimmt zu. Das führt zu hohen Verlusten und damit zu einer verringerten Effizienz. Wählt man hingegen eine geringere Spannung, kann die Induktivität nicht so schnell geladen werden und die Schaltung wird durch die verringerte Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes langsamer. Die Performance eines damit realisierten LiDAR-Sensors wird demzufolge geringer.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Pulsgenerator zur Verfügung zu stellen, der besonders kurze optische Impulse mit konstanter Pulsamplitude und hoher Effizienz ermöglicht. Insbesondere soll der Pulsgenerator dazu in der Lage sein, eine parasitäre Aufbau-Induktivität zu überwinden, ohne dass während der restlichen Pulsdauer durch die anliegende Spannung hohe Verluste durch einen Spannungsabfall am Schalttransistor auftreten.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßer optische Pulsgenerator umfasst ein aktives optisches Bauelement, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung des aktiven optischen Bauelements, dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung eine erste Treiberschaltung und eine zweite Treiberschaltung aufweist, wobei die zweite Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement durch einen elektrischen Anstiegspuls während einer anfängliche Pulsdauer mit einer zweiten Spannung zu versorgen und die erste Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement durch einen elektrischen Hauptpuls über die restliche Pulsdauer mit einer kleineren ersten Spannung zu versorgen.
Bei einem aktiven optischen Bauelement kann es sich insbesondere um einen Halbleiterlaser, beispielsweise einen Laserchip aus einem Halbleitermaterial, handeln. Weiterhin kann es sich bei einem aktiven optischen Bauelement beispielsweise auch um Lumineszenzdioden, Laseranordnungen mit externem Resonator oder andere Laseranordnungen (VCSEL, VEXEL, etc.) handeln.
Vorzugsweise wird zur Realisierung besonders kurzer Pulsdauern das aktive optische Bauelement unmittelbar dem Mittel zur elektrischen Ansteuerung auf einem gemeinsamen Chip integriert oder durch hybride Techniken auf einem gemeinsamen Träger (Submount) miteinander kombiniert.
Die Idee der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere darin, zwei voneinander getrennte Treiberschaltungen zu verwenden. Die erste Treiberschaltung (Haupttreiber) schaltet langsam und arbeitet mit niedriger Betriebsspannung und hoher Effizienz. Die zweite Treiberschaltung (Anstiegstreiber) ist auf maximale Geschwindigkeit und deshalb mit hoher Spannung ausgelegt. Die zweite Treiberschaltung wird aber nur solange betrieben, bis die erste Treiberschaltung den vollen Strom liefern kann. Da die zweite Treiberschaltung nur kurz im Verhältnis zum Gesamtimpuls betrieben wird, hat die geringere Effizienz dieser Treiberschaltung nur einen begrenzten Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Die notwendige Einschaltzeit der schnellen Schaltung wird am Gesamtaufbau ermittelt. Ebenfalls kann durch Wahl der beiden Versorgungsspannungen die optische Leistung ausgewählt und deren zeitlicher Verlauf optimiert werden. Als Ergebnis lässt sich mit hoher Effizienz ein optisches Ausgangssignal mit kurzer Anstiegsflanke bei optimaler Pulsform erzeugen. Ein Relaxations-Impuls am Anfang des Laserpulses, der stark von der zu erzielenden Gesamtleistung abhängt, wird im Rahmen dieser Erfindung nicht weiter berücksichtigt. Der Laser wird deutlich über dem Schwellwert betrieben.
Vorzugsweise sind die Anstiegszeit und die Länge des elektrischen Anstiegspulses derart eingestellt, dass die Summe der jeweils zugehörigen Momentanwerte des Stroms der ersten Treiberschaltung und des Stroms der zweiten Treiberschaltung zum Beginn der Abfallzeit des elektrischen Anstiegspulses gleich oder kleiner dem maximalen Strom der ersten Treiberschaltung ist. Dadurch wird erreicht, dass nach Beenden des Anstiegspulses über die erste Treiberschaltung am aktiven optischen Bauelement eine konstant bleibende optische Ausgangsleistung erzeugt werden kann, die der zu Beginn der Abfallzeit des elektrischen Anstiegspulses erzeugten optischen Gesamtausgangsleistung der kombinierten Treiberschaltungen entspricht oder darunter liegt.
Vorzugsweise ist die Abfallzeit der zweiten Treiberschaltung mit der Anstiegszeit der ersten Treiberschaltung derart abgestimmt, dass die Summe der jeweils zugehörigen Momentanwerte des ansteigenden Stroms der ersten Treiberschaltung und des abfallenden Stroms der zweiten Treiberschaltung konstant bleibt. In Bezug auf die optische Gesamtausgangsleistung der kombinierten Treiberschaltungen bedeutet dies, dass der während der Abfallzeit der zweiten Treiberschaltung abfallende Strom idealerweise im selben Verhältnis durch den ansteigenden Strom der ersten Treiberschaltung kompensiert wird. Insbesondere kann die Abfallflanke der schnellen zweiten Treiberschaltung über dessen Zeitkonstante so eingestellt werden, dass sie der Anstiegszeit der langsamen ersten Treiberschaltung entspricht, welche durch die parasitäre Induktivität und die niedrige Versorgungsspannung der ersten Treiberschaltung hervorgerufen wird. Beide Verläufe können so eingestellt werden, dass nach Addition beider Stromverläufe am aktiven optischen Bauelement eine konstante optische Ausgangsleistung erzeugt wird.
Vorzugsweise werden der Anstiegspuls und der Hauptpuls zur Ansteuerung des aktiven optischen Bauelements jeweils über einen Transistor geschaltet, wobei der Anstiegspuls und der Hauptpuls aus einem an einem Signaleingang des Mittels zur elektrischen Ansteuerung anliegenden gemeinsamen elektrischen Pulssignal moduliert werden. Ein gemeinsames elektrisches Pulssignal zur weiteren Modulation zu verwenden, vereinfacht die gegenseitige Abstimmung des Anstiegspulses und des Hauptpulses.
Vorzugsweise werden die Transistoren zeitgleich eingeschaltet. Bevorzugt können die Transistoren eine unterschiedliche Einschaltdauer aufweisen.
Vorzugsweise werden die erste Treiberschaltung und die zweite Treiberschaltung beidseitig des aktiven optischen Bauelements über getrennte Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement auf einem gemeinsamen Chip oder Träger (Submount) verbunden. Der Vorteil ist, dass die Hauptinduktivität bereits durch den Anstiegstreiber überwunden werden kann und der Strom anschließend durch den Haupttreiber übernommen wird. Dadurch lässt sich ein insgesamt schnelleres und effizienteres Pulsverhalten erreichen.
Zur weiteren Steigerung der Effizienz können die erste Treiberschaltung und die zweite Treiberschaltung auch auf einer ersten Seite des aktiven optischen Bauelements über gemeinsame Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement auf einem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden werden. Vorzugsweise ist ein identisches zweites Mittel zur elektrischen Ansteuerung auf einer zweiten Seite des aktiven optischen Bauelements über getrennte Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement auf dem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden. Bei dieser Ausführungsform sind dann insgesamt 4 Treiber im Einsatz und eine bestehende Lasergeometrie des aktiven optischen Bauelements kann optimaler ausgenutzt werden.
Ein alternativer optischer Pulsgenerator umfasst ein aktives optisches Bauelement, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung des aktiven optischen Bauelements, dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung eine Treiberschaltung mit einer ersten Spannung und einer kleineren zweiten Spannung umfasst, wobei in der Treiberschaltung die erste Spannung und die zweite Spannung über eine Diode getrennt sind, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement während einer anfänglichen Pulsdauer mit der ersten Spannung zu versorgen und das aktive optische Bauelement über die restliche Pulsdauer mit der zweiten Spannung zu versorgen.
Vorzugsweise lädt in der Treiberschaltung die erste Spannung einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität und die zweite Spannung einen zweiten Kondensator mit einer größeren zweiten Kapazität auf. Auch hierbei kann eine höhere Effizienz gegenüber optischen Pulsgeneratoren im Stand der Technik erreicht werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen optischen Pulsgenerators,
2 eine schematische Darstellung der Signalverläufe bei einem herkömmlichen optischen Pulsgenerator nach 1,
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators,
4 eine schematische Darstellung der Signalverläufe bei der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators nach 3,
5 eine schematische Darstellung des strukturellen Layouts eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators nach 3,
6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators,
7 eine schematische Darstellung des strukturellen Layouts eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators nach 6, und
8 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen optischen Pulsgenerators. Der gezeigte optische Pulsgenerator (Einzelspannungs-Treiber) umfasst ein aktives optisches Bauelement 10, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 des aktiven optischen Bauelements 10, dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement 10 zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 eine Treiberschaltung 22 mit nur einer Spannung V_D umfasst. Das Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 umfasst einen einzelnen Transistor Q₁ als Schaltelement, welcher zur Erzeugung eines optischen Pulses über einen Logiktreiber kurzzeitig eingeschaltet wird, so dass durch einen dabei am Transistor Q₁ auftretenden Spannungsabfall der Kondensator C₁ über das aktive optische Bauelement 10 entladen werden kann. Die Spannung V_D wird zur schnellen Überwindung der parasitären Aufbau-Induktivität relativ hoch gewählt, was jedoch zu relativ hohen Verlusten im Schaltelement führt.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Signalverläufe bei einem herkömmlichen optischen Pulsgenerator nach 1. Der zeitliche Verlauf der über den Transistor Q₁ abfallenden Spannung U_T ist im oberen Diagramm dargestellt. Nach dem Einschalten des Transistors Q₁ zum Zeitpunkt t_on kommt es durch die parasitäre Aufbau-Induktivität zunächst zu einem starken Spannungsabfall über den Transistor Q₁, welcher sich jedoch im Verlauf der Einschaltphase wieder verringert. Nach der Einschaltphase ab dem Zeitpunkt t_ind arbeitet der Transistor Q₁ im Ausgangskennlinienfeld im Bereich konstanter Ströme. Das führt zu hohen Verlusten und damit zu einer verringerten Effizienz der Treiberschaltung. Nach dem Ausschalten zum Zeitpunkt t_off stellt sich über dem Transistors Q₁ die ursprüngliche Spannung U_T vor dem Einschalten wieder ein.
Das zweite Diagramm von oben zeigt den Verlauf der Spannung -(U_L1+U_par1) am aktiven optischen Bauelement 10 während eines Pulses. Nach dem Einschalten des Transistors Q₁ kommt es durch die parasitäre Aufbau-Induktivität zunächst zu einem starken Spannungsanstieg über das aktive optische Bauelement 10, welcher sich jedoch im Verlauf der Einschaltphase wieder verringert. Nach der Einschaltphase bleibt dieser verringerte Spannungswert über die restliche Pulsdauer t_off-t_ind konstant. Nach dem Ausschalten des Transistors Q₁ zum Zeitpunkt t_off fällt die Spannung wieder auf den Wert Null ab.
Das dritte Diagramm von oben zeigt den zum Verlauf der Spannung -(U_L1+U_par1) zugehörigen Stromverlauf -I_L über das aktive optische Bauelement 10. Nach der Einschaltphase mit einem flachen Anstieg kommt es ab dem Zeitpunkt t_ind zu einem konstanten Stromfluss, bevor zum Zeitpunkt t_off am Ende des Pulses der Strom -I_L wieder auf den Wert Null abfällt.
Das untere Diagramm zeigt schließlich den Verlauf der optischen Ausgangsleistung Popt des optischen Bauelements 10 während eines Pulses. Der prinzipielle Verlauf entspricht dabei weitgehend dem Stromverlauf -IL über das aktive optische Bauelement 10. Durch die parasitäre Aufbau-Induktivität kommt es während der Einschaltphase ti_nd-t_on zunächst zu einem langsamen Anstieg der optischen Ausgangsleistung P_opt, d. h. die maximale optischen Ausgangsleistung Popt wird erst ab dem Zeitpunkt t_ind erreicht. Da beim LiDAR die optische Pulsleistung Popt im Allgemeinen mit der Reichweite und der Empfindlichkeit des LiDAR-Systems korreliert, bedeutete dies, dass die maximale Performance des LiDAR-Systems nicht über die gesamte Pulsdauer zur Verfügung steht sondern erst nach der Einschaltphase ti_nd-t_on. Im Diagramm ist ein Kompromiss zwischen guter Effizienz und kurzer Einschaltzeit dargestellt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Der gezeigte optische Pulsgenerator umfasst ein aktives optisches Bauelement 10, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 des optischen Bauelements 10, dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement 10 zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 eine erste Treiberschaltung 24 (Haupttreiber) und eine zweite Treiberschaltung 26 (Anstiegstreiber) aufweist, wobei die zweite Treiberschaltung 26 dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement 10 durch einen elektrischen Anstiegspuls während einer anfängliche Pulsdauer ti_nd-t_on mit einer zweiten Spannung V_D2 zu versorgen und die erste Treiberschaltung 24 dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement 10 durch einen elektrischen Hauptpuls über die restliche Pulsdauer t_off-t_ind mit einer kleineren ersten Spannung V_D1 zu versorgen.
Die erste Treiberschaltung 24 und die zweite Treiberschaltung 26 sind vom Layout weitgehend identisch aufgebaut und umfassen jeweils einen Transistor Q₁, Q₂ als Schaltelement, können sich jedoch in den elektrischen Kenngrößen der einzelnen Elemente unterscheiden. Zudem können in der jeweils dem entsprechenden Transistor Q₁, Q₂ über Gate vorgeschalteten Logikeinheit unterschiedliche Komponenten (z. B. Filterelemente, Verzögerungsstrecken, Verstärker) vorhanden sein. Der Anstiegspuls und der Hauptpuls werden zur Ansteuerung des optischen Bauelements 10 jeweils über einen der Transistoren Q₁, Q₂ geschaltet. Beide werden aus einem, an einem Signaleingang IN des Mittels zur elektrischen Ansteuerung 20 anliegenden gemeinsamen elektrischen Pulssignal durch die jeweilige Logikeinheit moduliert. Insbesondere können die beiden Transistoren Q₁, Q₂ zeitgleich eingeschaltet werden. Die beiden Transistoren Q1, Q2 können eine unterschiedliche Einschaltdauer aufweisen.
Der Haupttreiber kann während der gesamten Pulsdauer betrieben werden. Das gemeinsame elektrische Pulssignal (Eingangssignal) kann daher unmittelbar an den Transistor Q₁ angelegt werden. Die erste Treiberschaltung kann somit im Bereich hoher Effizienz betrieben werden. Das bedeutet, der Transistor Q₁ kann im reinen Schalterbetrieb arbeiten. Demzufolge kann die Betriebsspannung V_D1 niedrig gewählt werden. Diese fällt überwiegend am aktiven optischen Bauelement 10 ab. Der Widerstand R₃ kann zur Linearisierung der ersten Treiberschaltung 24 genutzt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad optimal eingestellt werden. Die integrierte Treiberstufe Treiber Logik 1 kann über eine einstellbare Abfallzeit ein Überschwingen der ersten Treiberschaltung 24 und das Auftreten von Nachimpulsen unterdrücken. Die Betriebsspannung V_D, bestimmt die Ausgangsleistung P_opt1.
Bedingt durch den Schalterbetrieb des Transistors Q₁, der niedrigen Versorgungsspannung V_D1 und der parasitären Induktivität L_par1 steigt der Strom entsprechend der eingestellten Zeitkonstante nur langsam an und erreicht zu einem Zeitpunkt t_ind einen Endwert.
Dieser langsame Anstieg ist störend, da er die Performance eines entsprechenden LiDAR-Systems verringert. Aus diesem Grund wird der zweite Treiber 26 eingesetzt. Der zweite Treiber 26 wird aber nur für kurze Zeit eingeschaltet. Die Einschaltzeit t_br2 kann durch ein Monoflop Breite2 realisiert und anhand des Gesamtergebnisses optimiert werden. Ebenfalls kann die Betriebsspannung V_D2 in die Optimierung mit einbezogen werden. Die Abfallzeit t_fall2 kann so gewählt werden, dass der Stromabfall im Anstiegstreiber den Stromanstieg im Haupttreiber im Zeitbereich t_br2 bis t_ind kompensiert, so dass im Idealfall die Summe des ansteigenden Stroms des Haupttreibers und des abfallenden Stroms des Anstiegstreibers konstant bleibt (konstante Ausgangsleistung). Da die Einschaltzeit des schnellen Pulses nur kurz im Verhältnis zum Gesamtimpuls ist, sind die insgesamt auftretenden Verluste sehr gering.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Signalverläufe bei der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators nach 3. Die Art der Darstellung entspricht dabei derjenigen aus 2. Die verwendeten Formelzeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Die erste Treiberschaltung 24 ist der Haupttreiber und stellt den Hauptpuls bereit. Die zweite Treiberschaltung 26 ist der Anstiegstreiber und stellt den Anstiegspuls bereit. Die gezeigten Verläufe sind rein beispielhaft angegeben und stellen nur eine bevorzugte Abstimmung bei einem erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators gemäß der ersten Ausführungsform dar.
Wie dem oberen Diagramm zum Anstiegstreiber zu entnehmen ist, erfolgt das Einschalten des Transistors Q₂ lediglich zur Überwindung der parasitären Aufbau-Induktivität. Bevor dieser nach Überwindung der parasitären Aufbau-Induktivität im Ausgangskennlinienfeld den Bereich konstanter Ströme arbeiten kann, führt der Anstiegspuls bereits zum Abschalten des Transistors Q₂. Die durch den Transistors Q₂ bedingten Verluste können dadurch deutlich gegenüber optischen Pulsgeneratoren im Stand der Technik reduziert werden. Der Anstiegspuls führt somit zu einem aus dem zugehörigen unteren Diagramm zu entnehmenden Signalverlauf bei der optischen Ausgangsleistung P_opt2, welcher ausschließlich während der Pulsdauer ti_nd-t_on des Anstiegspulses von Null abweicht.
Die Anstiegszeit t_rise2 und die Länge t_br2 des elektrischen Anstiegspulses sind dabei vorzugsweise derart eingestellt, dass die Summe der jeweils zugehörigen Momentanwerte des Stroms I_L1 der ersten Treiberschaltung 24 und des Stroms I_L2 der zweiten Treiberschaltung 26 zum Beginn der Abfallzeit t_fall2 des elektrischen Anstiegspulses gleich oder kleiner dem maximalen Strom I_L1 der ersten Treiberschaltung 24 ist. Dadurch wird erreicht, dass nach Beenden des Anstiegspulses über die erste Treiberschaltung 24 am aktiven optischen Bauelement 10 eine konstant bleibende optische Ausgangsleistung P_opt1 emittiert werden kann, die der zu Beginn der Abfallzeit t_fall2 des elektrischen Anstiegspulses erzeugten optischer Gesamtausgangsleistung P_opt∑ entspricht oder darunter liegt (z. B. falls die optischen Pulse aus Gründen der Augensicherheit in der optischen Leistung beschränkt werden sollen).
Vorzugsweise kann, wie auch in den gezeigten Diagrammen dargestellt, die Abfallzeit t_fall2 der zweiten Treiberschaltung 26 mit der Anstiegszeit t_rise1 der ersten Treiberschaltung 24 derart abgestimmt sein, dass die Summe der jeweils zugehörigen Momentanwerte des ansteigenden Stroms I_L1 der ersten Treiberschaltung 24 und des abfallenden Stroms I_L2 der zweiten Treiberschaltung 26 konstant bleiben. In Bezug auf die optische Gesamtausgangsleistung P_opt∑ bedeutet dies, dass der während der Abfallzeit t_fall2 der zweiten Treiberschaltung 26 abfallende Strom I_L2 idealerweise im selben Verhältnis durch den ansteigenden Strom I_L1 der ersten Treiberschaltung 24 kompensiert wird.
Der Anstiegspuls führt somit durch eine hohe Spannung V_D2 erfindungsgemäß zunächst zu einer schnellen Überwindung der parasitären Aufbau-Induktivität des optischen Bauelements 10. Sobald diese überwunden ist, kann während der Abfallzeit t_fall2 der zweiten Treiberschaltung 26 durch ein entsprechend angepasstes Anstiegsverhalten der ersten Treiberschaltung 24 die Versorgung des optischen Bauelements 10 von der zweiten Treiberschaltung 26 auf die erste Treiberschaltung 24 übertragen werden.
An dem in der Mitte der Darstellung gezeigten Diagramm zum Signalverlauf der erzeugten optischen Gesamtausgangsleistung P_opt∑ wird deutlich, dass der erfindungsgemäß erzeugte optische Puls nur eine sehr kurze Anstiegszeit aufweist und über die gesamte Pulslänge eine nahezu konstante optischen Gesamtausgangsleistung P_opt∑ zeigt. Die maximale Performance des LiDAR-Systems steht somit nahezu über die gesamte Pulsdauer zur Verfügung und nicht erst nach der Einschaltphase t_ind-t_on.
5 zeigt eine schematische Darstellung des strukturellen Layouts eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators nach 3. Die erste Treiberschaltung 24 und die zweite Treiberschaltung 26 sind dabei beidseitig des aktiven optischen Bauelements 10 über getrennte Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement 10 auf einem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden. Die Bonddrähte bilden die parasitären Bondinduktivitäten L_par1, L_par2 aus. Der Aufbau der beiden Treiberschaltungen sowie die Bonddrähte sollten dabei möglichst symmetrisch zur Achse des optischen Bauelements 10 erfolgen, wobei die jeweiligen Signalwege möglichst kurz gehalten werden können.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform allein dadurch, dass die Einspeisung der zweiten Treiberschaltung 24 (Anstiegstreiber) und der ersten Treiberschaltung 26 (Haupttreiber) in das optische Bauelement über eine gemeinsame Anschlussleitung (z. B. über mehrere parallele Bonddrähte) mit entsprechend einheitlichen parasitären Kenngrößen (R_par, C_par, Lpar) erfolgt. Das Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 selbst kann dabei insbesondere der ersten Ausführungsform nach 3 entsprechen. Diesbezüglich wird auch auf die Beschreibung zur 3 verwiesen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend.
Der Vorteil dieser Ausführungsform ist eine weitere Steigerung der Effizienz bei der Einspeisung des Haupt- und des Anstiegstreibers in das aktive optische Bauelement 10. Die Hauptinduktivität kann bereits durch den Anstiegstreiber überwunden werden und der Strom zur Anregung des aktiven optischen Bauelements 10 kann unmittelbar durch den Haupttreiber bereitgestellt werden. Dadurch lässt sich gegenüber der ersten Ausführungsform ein schnelleres und effizienteres Pulsverhalten erreichen.
7 zeigt eine schematische Darstellung des strukturellen Layouts eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators nach 6. Die erste Treiberschaltung 24 und die zweite Treiberschaltung 26 sind dabei auf einer ersten Seite des aktiven optischen Bauelements 10 über gemeinsame Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement 10 auf einem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden. Die einzelnen Bonddrähte bilden dabei eine gemeinsame parasitäre Bondinduktivität Lpar aus.
Zusätzlich kann ein identisches zweites Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20', nicht gezeigt) auf einer zweiten Seite des aktiven optischen Bauelements 10 über getrennte Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement 10 auf dem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden werden. Die Bonddrähte bilden dabei parasitäre Bondinduktivitäten L_par1, L_Par2 aus. Bei dieser Ausführungsform sind dann insgesamt 4 Treiber im Einsatz und eine bestehende Lasergeometrie des aktiven optischen Bauelements 10 kann optimaler ausgenutzt werden. Der Aufbau der beiden Treiberschaltungen 20, 20' sowie die Bonddrähte sollten dabei möglichst symmetrisch zur Achse des optischen Bauelements 10 erfolgen, wobei die jeweiligen Signalwege möglichst kurz gehalten werden können.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerators. Der gezeigte optische Pulsgenerator (Doppelspannungs-Treiber) umfasst ein aktives optisches Bauelement 10, dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 des aktiven optischen Bauelements 10, dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement 10 zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; wobei das Mittel zur elektrischen Ansteuerung 20 eine Treiberschaltung 28 mit einer ersten Spannung V_D1 und einer kleineren zweiten Spannung V_D2 umfasst, wobei in der Treiberschaltung 28 die erste Spannung V_D1 und die zweite Spannung V_D2 über eine Diode D₁ getrennt sind, wobei die Treiberschaltung 28 dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement 10 während einer anfänglichen Pulsdauer ti_nd-t_on mit der ersten Spannung V_D1 zu versorgen und das aktive optische Bauelement 10 über die restliche Pulsdauer t_off-t_ind mit der zweiten Spannung V_D2 zu versorgen. Vorzugsweise lädt in der Treiberschaltung 28 die erste Spannung V_D1 einen ersten Kondensator C₁ mit einer ersten Kapazität und die zweite Spannung V_D2 einen zweiten Kondensator C₂ mit einer größeren zweiten Kapazität auf.
Durch die höhere erste Spannung V_D1 wird zunächst der Kondensator C₁ aufgeladen. Seine Kapazität sollte dabei so klein gewählt sein, dass diese nur während der Phase des Aufladens der parasitären Induktivität Lpar wirkt. Somit erfolgt auch eine sehr schnelle Aufladung der Induktivität Lpar durch die hohe Spannung. Danach wirkt die kleinere Spannung V_D2, die über die Diode D₁ eingekoppelt wird. Die Kapazität C₂ sollte dabei genügend groß gewählt sein, um einen konstanten Stromfluss I_L über die gesamt restliche Pulsdauer ti_nd-t_on bereitstellen zu können.
Bezugszeichenliste

10: aktives optisches Bauelement
20: Mittel zur elektrischen Ansteuerung
22: Treiberschaltung (Einzelspannungs-Treiber)
24: erste Treiberschaltung (Haupttreiber)
26: zweite Treiberschaltung (Anstiegstreiber)
28: Treiberschaltung (Doppelspannungs-Treiber)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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; und b) ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) des aktiven optischen Bauelements (10), dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement (10) zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; dadurch gekennzeichnet, dass c) das Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) eine erste Treiberschaltung (24) und eine zweite Treiberschaltung (26) aufweist, wobei die zweite Treiberschaltung (26) dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement (10) durch einen elektrischen Anstiegspuls während einer anfängliche Pulsdauer (t_indt_on) mit einer zweiten Spannung (V_D2) zu versorgen und die erste Treiberschaltung (24) dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement (10) durch einen elektrischen Hauptpuls über die restliche Pulsdauer (t_off-t_ind) mit einer kleineren ersten Spannung (V_D1) zu versorgen.
Optischer Pulsgenerator nach Anspruch 1, wobei die Anstiegszeit (t_rise2) und die Länge (t_br2) des elektrischen Anstiegspulses derart eingestellt sind, dass die Summe der jeweils zugehörigen Momentanwerte des Stroms (I_L1) der ersten Treiberschaltung (24) und des Stroms (L₂) der zweiten Treiberschaltung (26) zum Beginn der Abfallzeit (t_fall2) des elektrischen Anstiegspulses gleich oder kleiner dem maximalen Strom (I_L1) der ersten Treiberschaltung (24) ist.
Optischer Pulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abfallzeit (t_fall2) der zweiten Treiberschaltung (26) mit der Anstiegszeit (t_rise1) der ersten Treiberschaltung (24) derart abgestimmt ist, dass die Summe der jeweils zugehörigen Momentanwerte des ansteigenden Stroms (I_L1) der ersten Treiberschaltung (24) und des abfallenden Stroms (I_L2) der zweiten Treiberschaltung (26) konstant bleibt.
Optischer Pulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anstiegspuls und der Hauptpuls zur Ansteuerung des aktiven optischen Bauelements (10) jeweils über einen Transistor (Q₁, Q₂) geschaltet werden, wobei der Anstiegspuls und der Hauptpuls aus einem an einem Signaleingang (IN) des Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) anliegenden gemeinsamen elektrischen Pulssignal moduliert werden.
Optischer Pulsgenerator nach Anspruch 4, wobei die Transistoren (Q₁, Q₂) zeitgleich eingeschaltet werden.
Optischer Pulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Treiberschaltung (24) und die zweite Treiberschaltung (26) beidseitig des aktiven optischen Bauelements (10) über getrennte Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement (10) auf einem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden sind.
Optischer Pulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Treiberschaltung (24) und die zweite Treiberschaltung (26) auf einer ersten Seite des aktiven optischen Bauelements (10) über gemeinsame Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement (10) auf einem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden sind.
Optischer Pulsgenerator nach Anspruch 7, wobei ein identisches zweites Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20') auf einer zweiten Seite des aktiven optischen Bauelements (10) über getrennte Bonddrähte mit dem aktiven optischen Bauelement (10) auf dem gemeinsamen Chip oder Träger verbunden ist.
Optischer Pulsgenerator, umfassend: a) ein aktives optisches Bauelement (10), dazu ausgebildet, optische Strahlung zu emittieren; und b) ein Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) des aktiven optischen Bauelements (10), dazu ausgebildet, das aktive optische Bauelement (10) zu einer gepulsten Emission optischer Strahlung anzuregen; dadurch gekennzeichnet, dass c) das Mittel zur elektrischen Ansteuerung (20) eine Treiberschaltung (28) mit einer ersten Spannung (V_D1) und einer kleineren zweiten Spannung (V_D2) umfasst, wobei in der Treiberschaltung (28) die erste Spannung (V_D1) und die zweite Spannung (V_D2) über eine Diode (D₁) getrennt sind, wobei die Treiberschaltung (28) dazu ausgebildet ist, das aktive optische Bauelement (10) während einer anfänglichen Pulsdauer (ti_nd-t_on) mit der ersten Spannung (V_D1) zu versorgen und das aktive optische Bauelement (10) über die restliche Pulsdauer (t_off-t_ind) mit der zweiten Spannung (V_D2) zu versorgen.
Optischer Pulsgenerator nach Anspruch 9, wobei in der Treiberschaltung (28) die erste Spannung (V_D1) einen ersten Kondensator (C₁) mit einer ersten Kapazität und die zweite Spannung (V_D2) einen zweiten Kondensator (C₂) mit einer größeren zweiten Kapazität auflädt.