JP7050919B2 - レーザーパルスの生成装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザーパルスの生成装置および方法に関する。

品質スイッチレーザー、いわゆるＱスイッチレーザーを駆動制御するためには、受動および能動システムが公知である。ここで、レーザーの増幅領域は、エネルギーが生成および蓄積されるポンピング領域と、蓄積されたエネルギーを放出するスイッチング領域とを有する。受動システムでは、エネルギーがポンピング領域で特定の閾値を超えた時に、蓄積されたエネルギーが放出される、すなわち自己開放型システムである。能動システムでは、スイッチング領域は、例えば電気を使用してスイッチを開くなど、外部の影響によって制御される。

ここでの欠点は、ポンピング領域とスイッチング領域とを別々に駆動制御する必要があるため、例えばハイサイドスイッチとローサイドスイッチなど、複雑な駆動制御回路が必要になることである。これは、レベル調整部およびフローティング供給電圧を備えた特別な駆動制御回路が必要であることを意味する。さらに、駆動制御回路での実行時間が長いことが欠点である。また、ポンピング工程中の高い電圧上昇速度により、スイッチング領域でレーザーパルスが誤ってトリガされる可能性がある。

本発明の課題は、駆動制御回路を簡素化することである。
レーザーパルスの生成装置は、第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、したがって、第１のアノード、第２のアノードおよびカソードを有するレーザーダイオードを有する。言い換えれば、レーザーダイオードの第１のアノードは、第１のダイオードのアノードに対応し、レーザーダイオードの第２のアノードは、第２のダイオードのアノードに対応する。第１のダイオードのカソードおよび第２のダイオードのカソードは、レーザーダイオードが単一の、すなわち、共通のダイオードを有するように電気的に接続されている。装置は、第２のアノードと電気的に接続された第１の電圧電位と、第１の電圧電位よりも低い値を有する第２の電圧電位とを有する。さらに、装置は、第１のアノードおよび第２の電圧電位と電気的に接続されている第１のスイッチと、カソードおよび第２の電圧電位と電気的に接続されている第２のスイッチとを有する。本発明によれば、抵抗が、第１のアノードおよび第２のアノードと電気的に接続されている。

ここでの利点は、ポンピング領域およびスイッチング領域が、単一の、すなわち別々でない駆動制御回路によって駆動制御されることである。
展開形態では、抵抗は低く、特に１ｋΩ未満である。

ここで有利なのは、スイッチング工程が迅速に実行可能であり、エネルギーの少ない短いパルスが生成されるため、目の安全が確保されることである。
さらなる実施形態では、第１のスイッチおよび第２のスイッチは、ＮＭＯＳ（Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタとして構成されている。

ここでの利点は、スイッチの所要スペースが少なく、スイッチング時間が短いことである。
展開形態では、レーザーダイオードはモノリシックに構築されている。

ここで有利なのは、装置のインダクタンスが低いことである。
さらなる実施形態では、第１の電圧電位および第２の電圧電位を提供するか、有するか、一定に保持するか、安定させる蓄積コンデンサが設けられている。換言すると、レーザーダイオードの電圧を保持または安定させるバックアップコンデンサが設けられている。

ここでの利点は、レーザーモジュールが蓄積コンデンサに直接接続されているため、レーザーダイオードの電流増加に影響する、インダクタンスを有する導線が、電圧源からレーザーダイオードに直接案内されていないことである。コンデンサは、レーザーパルス間で電圧源によって再充電される。電源のインダクタンスは干渉しない。

第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、したがって、第１のアノードと、第２のアノードと、カソードと、第１のアノードおよび第２のアノードと電気的に接続されている抵抗とを有するレーザーダイオードを用いた、レーザーパルスの生成方法は、第１のアノードおよび第２の電圧電位と電気的に接続された第１のスイッチを閉じ、したがって、第１の電圧電位から抵抗を介して第２の電圧電位へ延びる第１の電流経路が形成されることを含む。この方法は、カソードおよび第２の電圧電位と電気的に接続された第２のスイッチを閉じ、したがって、カソードが第２の電圧電位を有し、第２の電流経路内にエネルギーを導入するポンプ電流が生成され、第２の電流経路が、第１の電圧電位から第２のダイオードを介して第２の電圧電位へ延びることを含む。さらに、この方法は、第１の閾値を超えることに応じて第１のスイッチを開き、したがって、第１の電流経路の進行が変更され、第１の電流経路が、抵抗および第１のダイオードからなる直列回路を介して、第１の電圧電位から第２の電圧電位へ延び、エネルギーが第１の電流経路を介して減衰され、レーザーパルスが放射されることを含む。この方法は、第２の期間を表す第２の閾値を超えることに応じて第２のスイッチを開くことを含む。

ここでの利点は、第１の電流経路と第２の電流経路の両方の電流が、ローサイドスイッチを使用することで、電流を構築または確立する時間を有することである。
展開形態では、第１の閾値は第１の期間を表す。

ここで有利なのは、実現が容易なことである。
さらなる実施形態では、第１の閾値は、レーザーダイオードの基板の温度値に応じて決定される。

ここでの利点は、ポンプ電流をレーザーパルスの放射前に不必要に開始する必要がないため、効率が最適なことである。
さらなる展開形態では、第１の閾値は、ポンプ電流の値を表す。

本発明にかかる車両は、レーザーパルスの生成装置を含み、装置は、第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、したがって、第１のアノード、第２のアノードおよびカソードを有するレーザーダイオードを有する。装置は、第２のアノードと電気的に接続された第１の電圧電位と、第１の電圧電位よりも低い値を有する第２の電圧電位とを有する。さらに、装置は、第１のアノードおよび第２の電圧電位と電気的に接続されている第１のスイッチと、カソードおよび第２の電圧電位と電気的に接続されている第２のスイッチとを有する。抵抗は、第１のアノードおよび第２のアノードと電気的に接続されている。

さらなる利点は、実施例の以下の説明から、または従属請求項からわかる。
好ましい実施形態および添付の図面を参照して、以下に本発明を説明する。

２つのハイサイドスイッチおよび共通アースからなる駆動制御部を備えた、従来技術のＱスイッチレーザーダイオードを示す。 レーザーパルスの生成装置の等価回路図を示す。 レーザーダイオードが配置されたモジュールを示す。 レーザーパルスの生成方法を示す。 レーザーパルスの生成方法における電流および電圧の時間経過を定量的に示す。

図１は、２つのハイサイドスイッチおよび共通アースからなる駆動制御部を備えた、従来技術のＱスイッチレーザーダイオードを示す。図１は、モノリシックに構築されたレーザーダイオード１１０を示す。レーザーダイオード１１０は、ポンピング領域１２０およびスイッチング領域１２１を有する。ポンピング領域１２０およびスイッチング領域１２１は、互いに電気的に接続されている。接続材料は、レーザーダイオード１１０が配置されている基板であってよい。ポンピング領域１２０およびスイッチング領域１２１は、共通のカソード１２７またはアースを有する。高反射ミラー１２２は、ポンピング領域１２０の短い側に配置されている。ポンピング領域の高反射ミラー１２２に対向する側は、スイッチング領域１２１の短い側に直接接続されている。スイッチング領域１２１は、ポンピング領域１２０に直接接続されているスイッチング領域１２１の短い側に対向する部分反射ミラー１２３を有する。ポンピング領域１２０は、ボンディングワイヤ１２８によって、ポンプ電流を運ぶ第１の給電線１２５に接続されている。スイッチング領域２２１は、ボンディングワイヤ１２８によって、スイッチング電流を運ぶ第２の給電線１２６に接続されている。図１は、レーザーパルス１２４の射出を示す。

図２は、レーザーパルスの生成装置２００の等価回路図を示す。装置２００は、供給電圧を提供または安定化するための手段２０１を含み、第１の電圧電位および第２の電圧電位が提供される。手段２０１は、例えばバックアップコンデンサまたはバッテリである。第２の電圧電位は、例えばアースである。装置２００は、第１のダイオード２０４および第２のダイオード２０６を有するレーザーダイオード２１０を含む。第１のダイオード２０４および第２のダイオード２０６の両方は、それぞれアノードおよびカソードを有する。したがって、第１のダイオード２０４のカソードと第２のダイオード２０６のカソードは互いに電気的に接続されているため、レーザーダイオード２１０は、第１のアノード２０７および第２のアノード２０８と、単一のカソード２０９とを含む。第１のダイオード２０４はスイッチングダイオードとして機能し、第２のダイオード２０６はポンプダイオードとして機能する。第１のアノード２０７と第２のアノード２０８は、抵抗２０２を介して電気的に接続されている。抵抗２０２は、導線抵抗として構成してもよい。装置２００は、第１のスイッチ２０３を含む。第１のスイッチ２０３は、例えばＭｏｓｆｅｔ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタの形態で実現されている。第１のスイッチ２０３のドレイン端子は、第１のアノード２０７に導電的に接続されている。また、装置２００は、第２のスイッチ２０５を備える。第２のスイッチ２０５も同様に、例えばＭｏｓｆｅｔなどの形態で実現されている。第２のスイッチ２０５のドレイン端子は、カソード２０９に導電的に接続されている。第１のスイッチ２０３および第２のスイッチ２０５のソース端子は、第２の電圧電位と電気的に接続されている。

図３は、レーザーパルスの生成装置が配置または設置されたモジュール３００を示す。モジュール３００は、第１のスイッチ３０３および第２のスイッチ３０５が配置されている基板３１１を含む。第１のスイッチ３０３は制御スイッチとして機能し、第２のスイッチ３０５はポンプスイッチとして機能する。第１のスイッチ３０３および第２のスイッチ３０５は、例えばはんだ接続によって基板３１１に接続されている。第１のスイッチ３０３および第２のスイッチ３０５は、例えばＮＭＯＳトランジスタであり、ドレイン端子は半導体基板の第１の側に配置され、ソース端子およびゲート端子は半導体材料の第２の側に配置され、第１の側は第２の側に対向している。第２のスイッチ３０５上には、レーザーダイオード３１０が配置されている。レーザーダイオード３１０は、第２のスイッチ３０５に導電的に接着、はんだ付け、またはボンディングすることができ、したがって、レーザーダイオードの共通のカソードが第２のスイッチに接続されている。これにより、第２のスイッチ３０５とレーザーダイオード３１０との間の接続インダクタンスは低い。レーザーダイオード３１０は、ボンディング接続３１３によって第１のスイッチ３０３と電気的に接続されている。レーザーダイオード３１０上には、レーザーダイオード３１０を電気的に接続するための手段３１２、例えばいわゆるコバールスタンプが配置されている。これは、ガラスと同じ膨張係数を有する金属合金である。レーザーダイオード３１０を電気的に接続するための手段３１２は、ハウジング３１４と接続されている。ハウジング３１４は、レーザーパルスを射出するための開口部３１５を有する。電圧安定化部は、例えば、蓄積コンデンサ３０１の形態で、基板３１１の下方に配置できる。基板３１１は、例えば、多層セラミックまたはＰＣＢであってよい。理想的には、第１のスイッチ３０３および第２のスイッチ３０５は、空間的に互いに近接して配置されており、したがって、第１のスイッチのドレイン端子への第１のアノードの端子、すなわち、制御アノード端子のインダクタンスは低い。したがって、接続には非常に短いボンディングワイヤを使用できる。第２のアノードの接合、すなわちポンプアノードの接合は、例えばハウジング３１４を介して行うことができる。このために、例えば、コバールスタンプをレーザーダイオード結晶にはんだ付けすることができる。続いて、コバールスタンプの上側にはんだが備えられているため、ボンディング工程後にハウジング３１４をはんだ付けすることができる。第１のアノードと第２のアノードとの間の抵抗は、図３には示されていないが存在している。ここで、低抵抗は、例えばアノード端子、すなわち第１のアノードおよび第２のアノード下方の共通の最後のエピタキシャル層によって、レーザーダイオードダイに統合されている。あるいは、抵抗は、追加の工程ステップでの薄膜金属被覆によって、または端子金属被覆をパターン化することによって生成される。

図４は、レーザーパルスの生成方法４００を示す。方法４００は、第１のスイッチが閉じられるステップ４１０で開始する。第１のスイッチのドレイン端子は、レーザーダイオードの第１のアノードと電気的に接続され、したがって、第１のスイッチを閉じることにより、レーザーダイオードの第１のアノードは、第２の電圧電位、すなわちアースを有する。言い換えると、ポンプ電流がオンに切り替わる前に、ＮＭＯＳスイッチを使用して第１のアノードがアースに接続される。続くステップ４２０では、第２のスイッチが閉じられる。第２のスイッチは、ドレイン側でカソードに、ソース側で第２の電圧電位と電気的に接続されているため、第２のスイッチが閉じることによりカソードが第２の電圧電位を有し、ポンプ電流がポンピング領域で発生する。換言すると、ポンプスイッチがオンに切り替わると、レーザーダイオードのカソードが接地される。よって、ポンプ電流がレーザーダイオードのポンピング領域に発生する。カソードと制御端子の両方が接地しているため、レーザー光は出射されない。続くステップ４５０では、第１の閾値を超えたことに応じて、第１のスイッチが開かれる。ここで、第１の閾値は、第１の期間またはポンプ電流値であってよい。第１の期間は、レーザーダイオード基板の温度値に応じて決定することができる。換言すると、ポンプ電流が完全に発生すると、制御スイッチが開く。これは、例えば、ポンプ電流または温度または所定の期間を測定することによって決定することができる。制御スイッチを開いた後、制御電流がスイッチング領域で発生し、制御電流の特定の電流閾値以降、レーザーパルスが放射される。レーザーダイオードは、光パルスの放射後もレーザーとして機能するが、ポンピングされたエネルギーが使い果たされるため光出力がはるかに弱く、続くステップ４６０で第２のスイッチも開かれる。第２のスイッチは、放射される光の総量を可能な限り少なくするために、レーザーパルの放射直後に開かれる。

図５は、図４の方法の間の電流および電圧の時間経過を定量的に示す。曲線５１０は、第１のスイッチを介した電流の時間経過を示す。曲線５２０は、第２のスイッチを介した電流の時間経過を示す。曲線５３０は、第１のアノードとカソードとの間の経時的な電圧曲線を示す。曲線５４０は、第２のアノードとカソードとの間の時間的な電圧曲線を示す。曲線５５０はポンプ電流の時間経過を示し、曲線５６０は制御電流の時間経過を示す。曲線５７０は、レーザーパルスの時間経過を示す。時点ｔ１で第１のスイッチが閉じられ、それにより、スイッチング領域が無効化されるか、第１のダイオードが阻止方向に作動する。大電流が抵抗に短時間流れる。時点ｔ２で、第２のスイッチが閉じられ、これにより、カソードが接地する。曲線５５０では、ポンプ電流が飽和に達するまで増加することがわかる。しかしながら、第１のダイオードと共通のカソードがアースに接続されているため、レーザー光は出射されない。時点ｔ３で、第１のスイッチが開かれ、ポンプ電流は常に飽和したままであり、制御電流が増加する。制御電流が時点ｔ４で飽和に達すると、レーザーパルスが放射される。時点ｔ５で、第２のスイッチが開かれるため、第１のダイオードが順方向に切り替えられる。

この装置は、例えば車両のライダーシステムに使用できる。これらは長い射程を必要とし、短く明るいレーザーパルスによって達成される。光パルスは、好ましくは、０．５～２ｎｓの持続時間を有する。

Claims (8)

1. レーザーパルスの生成装置であって、
   第１のダイオードおよび第２のダイオードを含むレーザーダイオードであって、前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのカソードとは互いに電気的に接続されて単一のカソードを形成し、前記第１のダイオードはスイッチングダイオードとして機能し、前記第２のダイオードはポンプダイオードとして機能する、レーザーダイオードと、
   前記第２のダイオードの第２のアノードと電気的に接続された第１の電圧電位と、
   前記第１の電圧電位よりも低い値を有する第２の電圧電位と、
   前記第１のダイオードの第１のアノードおよび前記第２の電圧電位と電気的に接続されている第１のスイッチと、
   前記単一のカソードおよび前記第２の電圧電位と電気的に接続されている第２のスイッチと、
   抵抗と、
   を備え、
   前記第１のアノードと前記第２のアノードとは前記抵抗を介して電気的に接続されており、前記第１のスイッチのドレイン端子は前記第１のアノードに導電的に接続されており、前記第２のスイッチのドレイン端子は前記単一のカソードに導電的に接続されており、前記第１のスイッチのソース端末および前記第２のスイッチのソース端子は、前記第２の電圧電位と電気的に接続されている、装置。
2. 前記抵抗が低く、特に１ｋΩ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチが、ＮＭＯＳトランジスタであることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記レーザーダイオードがモノリシックに構築されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記第１の電圧電位および前記第２の電圧電位を提供する蓄積コンデンサが設けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. レーザーダイオードを用いたレーザーパルスの生成方法であって、前記レーザーダイオードは、第１のダイオードおよび第２のダイオードを含み、前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのカソードとは互いに電気的に接続されて単一のカソードを形成し、前記第１のダイオードはスイッチングダイオードとして機能し、前記第２のダイオードはポンプダイオードとして機能し、前記第２のダイオードの第２のアノードは第１の電圧電位と電気的に接続されており、前記第１のダイオードの第１のアノードおよび前記第１の電圧電位よりも低い値を有する第２の電圧電位は第１のスイッチと電気的に接続されており、前記単一のカソードおよび前記第２の電圧電位は第２のスイッチと電気的に接続されており、前記第１のアノードと前記第２のアノードとは抵抗を介して電気的に接続されており、前記第１のスイッチのドレイン端子は前記第１のアノードに導電的に接続されており、前記第２のスイッチのドレイン端子は前記単一のカソードに導電的に接続されており、前記第１のスイッチのソース端末および前記第２のスイッチのソース端子は、前記第２の電圧電位と電気的に接続されており、
   前記方法は、
   前記第１のスイッチを閉じることにより、前記第１の電圧電位から前記抵抗を介して前記第２の電圧電位へ延びる第１の電流経路が形成されるステップと、
   前記第２のスイッチを閉じることにより、前記単一のカソードが前記第２の電圧電位を有し、第２の電流経路内にエネルギーを導入するポンプ電流が生成され、前記第２の電流経路が、前記第１の電圧電位から前記第２のダイオードを介して前記第２の電圧電位へ延びるステップと、
   第１の期間またはポンプ電流値を表す第１の閾値を超えることに応じて前記第１のスイッチを開き、したがって、前記第１の電流経路の進行が変更され、前記第１の電流経路が、前記抵抗および前記第１のダイオードからなる直列回路を介して、前記第１の電圧電位から前記第２の電圧電位へ延び、エネルギーが前記第１の電流経路を介して減衰され、前記レーザーパルスが放射されるステップと、
   第２の期間を表す第２の閾値を超えることに応じて前記第２のスイッチを開くステップと
   を含む、方法。
7. 前記第１の閾値が、前記レーザーダイオードの基板の温度値に応じて決定されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置を備える車両。

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