具体实施方式

本专利文件提供了使用激光脉冲生成用于多种应用的激光脉冲的光发射器的设计。

图1示出了在多种应用中使用的典型脉冲激光发射器的示例。在该示例中，激光二极管(LD)110被耦合到包括时钟电路102，脉冲发生器电路104，和激光二极管驱动器(LDD)的驱动电路。驱动电路被设计为驱动激光二极管110以产生激光脉冲的电流脉冲发生器。当驱动电流从低于阈值电流的低电流(当激光二极管在激励模式下被操作时，响应于驱动电流生成模拟发射)变化到大于阈值电流的更大电流(当激光二极管在激光发射模式(lasingmode)下被操作时，模拟发射的放大超过光损耗)时，这种类型的脉冲调制二极管激光器在激光电流转换期间倾向于经历或表现出不希望的大失真，频率上不希望的大啁啾，以及不希望的输出激光光束的宽宽度。当驱动电流是低于阈值电流的低电流时，激光二极管在激励模式下被操作，生成模拟发射，但由于在激光二极管中缺少激光发射操作因此在低于阈值电流的低电流下自发发射的存在导致激光束的输出光同时具有宽光谱和宽横向光束宽度。在这个电流转换期间，来自激光二极管的光信号或激光输出可能会与其原始的电信号波形失真(distorted)，来自激光二极管的激光输出中被发射或被生成的光频率可以以频率啁啾的形式表现出显著的变化。此外，激光二极管输出的横向光束宽度从驱动电流低于阈值电流时的宽光束宽度变为驱动电流高于阈值电流时的窄且定向的光束宽度并导致激光二极管在激光发射模式操作。

图2示出了图1中的激光发射器的操作。图2包括图2A，2B，2C，和2D。图2A示出了图1中的单脉冲发生器104生成具有所需脉冲幅度，脉冲形状，和脉冲持续时间的电脉冲信号，其被用于驱动激光二极管110以生成理想情况下具有相同或几乎相同脉冲形状和脉冲持续时间的激光脉冲。然而，由于用于驱动激光二极管110的电脉冲信号的前沿引起的转换，所生成的光脉冲的光频率在频率上包含不期望的光啁啾。结果，由激光二极管110生成的光脉冲与原始电信号波形失真，所生成的光脉冲的时间形状(temporal shape)也失真。激光二极管输出频率上的这种光啁啾会引起取决于光路和光接收器的性能的光接收器输出信号失真。

图2B示出了基于单脉冲产生104设计的激光二极管的光功率输出相对于被施加到图1中的激光二极管的驱动电流脉冲的幅度的依赖性的示例。驱动电流脉冲(I_LD)的前沿从低于激光发射电流阈值(I_THRESHOLD)幅度的低值增加，如激光二极管处于自发发射模式的初始时间所示，在该初始时间发射输出光功率小于P_THRESHOLD的宽光束宽度和宽光谱范围的光。随后，驱动电流脉冲(I_LD)的幅度继续增加到激光发射电流阈值(I_THRESHOLD)的幅度以上，激光二极管中的光发射从自发发射模式改变为激光发射模式，在激光发射模式下激光二极管发射具有窄光束宽度和更窄光谱范围且输出光功率大于P_THRESHOLD的激光。图2C示出了作为时间函数的激光二极管输出的光强度，时间函数示出了时域中的激光脉冲形状。图2D还说明了当由单个电流脉冲驱动时激光二极管输出的光谱范围随时间的变化，示出当激光二极管处于自发发射模式时的宽初始光谱范围和当激光二极管处于激光发射模式时更窄的光谱范围。

本专利文件公开了具有驱动电子线路的新型脉冲激光二极管发射器，该驱动电子线路可用于减少上述光输出波形失真，光啁啾，和输出光束宽度。在此公开的用于激光二极管的驱动电子线路被设计为向激光二极管生成两个驱动电流脉冲：正常脉冲电流和预脉冲电流，它们被加在一起以生成用于驱动激光二极管的驱动电流脉冲。预脉冲信号可用于使激光二极管在低光功率水平下从激励模式改变为激光发射模式。这是通过多种技术的组合来实现的。首先，生成预脉冲信号的幅度以生成刚好在激光二极管以在激光发射模式下操作的激光电流阈值以上但处于不远高于阈值的水平的驱动电流幅度。其次，预脉冲信号具有比用于操作脉冲以通过激光二极管生成所需的激光脉冲的所需的脉冲持续时间长的脉冲持续时间。第三，时间上在操作脉冲的前沿之前触发预脉冲信号的前沿，使在操作脉冲的前沿到达之前使用预脉冲信号驱动激光二极管从自发发射转换为激光发射，使得当使用操作脉冲生成电流以驱动激光二极管时，激光二极管已经在激光模式被操作，并且操作脉冲以专为所需的激光脉冲输出而设计的脉冲形状和脉冲持续时间将驱动电流增加到激光二极管。第四，发送预脉冲信号的后沿和操作脉冲的后沿以在时间上重合，因此两个脉冲信号被同时关闭。作为在驱动激光二极管时使用预脉冲信号和正常脉冲信号的组合的结果，大的光学失真和光学啁啾也将在较低的功率水平下发生。因此，由预脉冲信号的转换期间产生的这些大的光学失真，频率啁啾，和大光束宽度将对使用以这种方式驱动的激光二极管的光发射系统产生小的影响。多种激光发射系统，诸如OTDR和LIDAR系统，可以受益于在此公开的激光发射器技术。

图3A示出了包括两个脉冲发生器以减少不希望的光啁啾，不希望的波形失真，和不希望的宽光束宽度的脉冲光发射器架构的示例。图3A的示例中的这种光发射器300包括生成时钟信号的时钟发生器302和两个脉冲发生器，脉冲发生器1(304)和脉冲发生器2(303)，它们被电耦合到时钟发生器302以从时钟发生器302接收相同的时钟信号和基于相同的时钟信号生成第一和第二电脉冲信号。信号混合器305被耦合以接收来自脉冲发生器1(304)和脉冲发生器2(303)的第一和第二电脉冲信号，以将两个脉冲信号彼此相加以产生控制脉冲信号到下游激光二极管驱动器(LDD)电路306。激光二极管驱动器(LDD)电路306被耦合以从信号混合器305接收LDD控制脉冲信号并响应于所接收到的LDD控制脉冲信号产生LDD驱动器信号。激光二极管(LD)310被耦合到LDD电路306并由LDD驱动器信号激发以产生激光脉冲作为光发射器300的光输出。

由第一发生器304(脉冲发生器1)生成的脉冲是操作脉冲信号，其具有足够高的幅度以在其激光发射阈值以上操作激光二极管310。第二发生器303(脉冲发生器2)在时间上，例如在前时间上，生成比操作脉冲信号更宽的低幅度脉冲信号。脉冲发生器1(304)和脉冲发生器2(303)都可以被控制或被操作以在同一边沿时间关闭脉冲信号。与一些用于始终施加连续的激光偏置电流，且其幅度略高于激光阈值的脉冲生成的其他光发射器相比，脉冲发生器1(304)和脉冲发生器2(303)的这种操作都可以减少背景噪声。这种同时关闭预脉冲和操作脉冲信号的两个后沿的方法在测量位于短距离的目标的LiDAR和OTDR测量中可以是有利的。使用这个双脉冲发生器系统来驱动激光二极管，激光啁啾和波形会随着一些背景噪声而减少。因此，当使用这种脉冲光发射器时，在此公开的技术可用于改进LiDAR系统的系统灵敏度，接收器探测精度，和动态范围。

在图3A中的脉冲光发射器的另一方面中，来自脉冲发生器2(303)的脉冲和来自脉冲发生器1(304)的脉冲可以在幅度和时间延迟方面被调谐，以对激光二极管310的驱动脉冲进行预整形，从而对来自激光二极管310的脉冲激光输出的光波形进行整形，并在多种应用中补偿激光啁啾和脉冲失真。这种预成形的应用示例包括，例如，因为存在来自水中的氢，在自由空间光传输期间。这种调谐可以通过使用被耦合到第一和第二脉冲发生器304和303的控制电路来实现以控制发生器的操作，包括响应相同的时钟信号，在分别完成第一和第二电脉冲信号的生成之后将它们一起关闭。在所示示例中，可以使用相同的时钟电路302来执行该调谐。具体地，如基于用于生成由激光二极管310产生的激光脉冲的特定设计，预脉冲信号的幅度和脉冲持续时间可以被调谐或被调整，同时保持操作脉冲的脉冲形状，脉冲幅度，或脉冲持续时间。

图3B还示出了由图3A中的两个脉冲发生器304和303产生的操作脉冲和预脉冲信号之间的关系。由两个脉冲发生器304和303产生的操作脉冲和预脉冲信号可以是电压或电流信号，并被混合在一起以产生到LLD306的公共信号，作为响应，LLD306产生驱动激光器二极管310用于产生激光脉冲312的驱动电流脉冲。如图3B所示，由两个脉冲发生器304和303产生的脉冲和预脉冲信号都具有对应于到激光二极管310的驱动电流的信号幅度，该驱动电流高于阈值激光输出功率的激光阈值电流。然而，它们的幅度是不同的。预脉冲信号的幅度被设置为刚好在对应于阈值激光器输出功率的激光发射阈值电流的水平以上，以便在没有操作脉冲的情况下，单独的预脉冲信号可以使LDD306以激光发射模式驱动激光二极管310，但在激光发射模式下以低功率输出。操作脉冲信号的幅度也被设置为在对应于阈值激光器输出功率的激光阈值电流的水平以上，但被设置为高于预脉冲信号的幅度。如图3B中还示出的，预脉冲信号的前沿首先被启动并且具有比用于操作脉冲以通过激光二极管生成所需的激光脉冲的所需脉冲持续时间更长的脉冲持续时间。因此，脉冲–脉冲的前沿导致激光二极管以略高于激光器阈值水平的相对低的光功率经历从自发发射到激光发射的转换。在这种设计下，由预脉冲信号导致的激光二极管已经处于激光发射模式后，操作脉冲信号的到来将更有效率地将由操作脉冲信号所增加的驱动电流的能量转化为激光输出。

图3B还示出预脉冲信号的前沿t1与操作脉冲信号的前沿t2之间的时间差是可调谐或调整的。由于两个信号具有相同的后沿t3，因此可以调谐预脉冲信号的持续时间以调谐或调整t1和t2之间的时间差。此外，还可以调谐预脉冲信号的幅度。对于给定的操作脉冲信号，对预脉冲信号的这两种调谐可用于优化激光二极管输出脉冲中波形失真或光学啁啾的减少。操作脉冲的脉冲形状，幅度，或持续时间可以针对激光输出脉冲的所需脉冲形状，幅度，或持续时间专门设计。

在实现中，可以使用相同的时钟电路302来触发或控制发生器1和发生器2。发生器1的脉冲幅度和宽度将生成所需光信号的光脉冲。发生器2的脉冲幅度将生成刚好在激光阈值以上的小激光电流。发生器2的脉冲宽度比来自发生器1的脉冲宽度更宽。通过转变发生器2的幅度和脉冲宽度，可以生成具有小光学啁啾和光束宽度的最佳光发射器信号。

图4说明了基于图3中的双脉冲发生器光发射器的调谐的啁啾补偿的示例。当施加来自脉冲发生器2的脉冲时波长被漂移，但与由脉冲发生器1生成的主脉冲相比，峰值功率非常小。当施加来自脉冲发生器1的主脉冲时，波长随着高峰值光功率而变得恒定。因此，这种瞬态啁啾非常小，可以忽略不计。类似于图2，图4包括图4A，4B，4C，和4D用于分别与图2A，2B，2C，和2D进行比较。比较图4C和2C，图4C中的光脉冲示出了比图2C中的光脉冲显著更少的失真，这是由于在负责生成所需激光输出脉冲的操作脉冲到达之前使用用于在激光发射模式中预先驱动激光二极管的预脉冲信号。

虽然本专利文件包含许多细节，但这些不应该被解释为对任何发明的范围或可能要求保护的范围的限制，而是对可能具体到特定发明的特定实施例的特征的描述。本专利文件中在单独实施例的情境中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合被实现。相反，在单个实施例的情境中描述的多种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合中被实现。而且，尽管上述特征可能被描述为在某些组合中甚至最初被要求保护的那样作用，但在某些情况下，可以从组合中删除一个或多个来自要求保护的组合的特征，并且所要求保护的组合可能涉及子组合或子组合的变体。

仅描述了几个实现和示例，并且可以基于本专利文件中描述和说明的内容做出其他实现，增强，和变化。