阅读说明：本技术 带激光控制的固态lidar发送器 (Solid-state LIDAR transmitter with laser control ) 是由 R·海瑞尔 N·茨欧尼 M·卡斯皮 M·弗盖尔 M·J·道诺万 于 2020-04-06 设计创作，主要内容包括：一种具有矩阵可寻址激光器驱动电路的固态LIDAR发送器,包括向矩阵可寻址激光器驱动电路的列提供第一电压电位的第一电总线和向矩阵可寻址激光器驱动电路的行提供第二电压电位的第二电总线。多个列开关将多个列连接到第一电总线。多个行开关将多个行连接到第二电总线。发送器包括多个串联连接的二极管,所述二极管包括与另一个二极管串联连接的激光二极管,其中所述多个串联连接的二极管中的相应一个电连接在矩阵可寻址激光器驱动电路的相应列和相应行之间以形成LIDAR发送器。第二二极管中的至少一些增加串联连接的二极管的整体反向击穿电压。(A solid-state LIDAR transmitter with a matrix-addressable laser driver circuit includes a first electrical bus providing a first voltage potential to columns of the matrix-addressable laser driver circuit and a second electrical bus providing a second voltage potential to rows of the matrix-addressable laser driver circuit. A plurality of column switches connect the plurality of columns to the first electrical bus. A plurality of row switches connect the plurality of rows to the second electrical bus. The transmitter comprises a plurality of series-connected diodes comprising a laser diode connected in series with another diode, wherein a respective one of the plurality of series-connected diodes is electrically connected between a respective column and a respective row of the matrix-addressable laser driver circuit to form a LIDAR transmitter. At least some of the second diodes increase the overall reverse breakdown voltage of the series-connected diodes.)

具体实施方式

现在将参考如附图所示的本教导的示例性实施例更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不旨在将本教导限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替代、修改和等同形式。能够获得本文教导的本领域普通技术人员将认识到附加的实施方式、修改和实施例以及其它使用领域，这些都在如本文所述的本公开的范围内。

在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指同一个实施例。

应当理解的是，本教导的方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时执行，只要该教导保持可操作即可。此外，应该理解的是，本教导的装置和方法可以包括任何数量或全部所描述的实施例，只要该教导保持可操作即可。

当今用于自主车辆的大多数商用LIDAR系统使用少量激光器，结合机械扫描环境的某种方法。当前的汽车应用和未来的自主汽车应用非常期望使用基于固态半导体的LIDAR系统。与当前的LIDAR系统相比，固态LIDAR系统，特别是那些没有移动零件的系统，表现出更好的可靠性并且可以在更宽的环境工作范围内运行。用在LIDAR系统中的此类固态系统也可以在物理上紧凑且成本相对低。

固态LIDAR的一种方法是使用大量激光器以独特的角度将每个激光器投射到期望的FOV上，从而避免对机械扫描的需要。但是，将驱动电路电连接到大量激光器，同时保持单独操作它们的能力是一个挑战。一种解决方案是将多个激光器布置成二维矩阵，然后采用矩阵可寻址激光器驱动电路，该驱动电路可以同时满足控制阵列中个体激光器和/或激光器组的需要，并提供最优的电气特点(例如，电流、电压和定时)以激励激光器。本教导的方法和装置涉及使得能够单独控制2D激光器矩阵同时确保低成本系统的激光器控制方法和系统体系架构。

图1A图示了固态LIDAR系统100的示意图，其中可以独立地激发(fire)发送器阵列102中的各个激光器。图1A中所示的系统不采用闪光发送器来同时照亮整个系统的视场。代替地，发送器阵列102中的每个个体激光器可以被独立地激发，由每个激光器发射的光束与仅对着整个系统视场的一部分的3D投影角对应。在受让给本受让人的美国专利公开No.2017/0307736A1中详细描述了这种发送器的一个示例。美国专利公开No.2017/0307736A1的全部内容通过引用并入本文。

来自激光器阵列102中的激光器的光束共享将光束106投射到目标平面110处的目标108的发送器光学器件104。来自入射光束106的光的部分被目标108反射。反射光束112的部分共享接收器光学器件114。检测器阵列116接收由接收器光学器件114投射的反射光。在各种实施例中，检测器阵列116是固态的，没有移动零件。检测器阵列116可以具有比发送器阵列102具有单独激光器更少数量的单独检测器元件。

LIDAR系统100的测量分辨率不是由检测器阵列116中的检测器元件的尺寸确定的，而是由发送器阵列102中的激光器数量和各个光束的准直确定的。LIDAR系统100中的处理器(未示出)执行飞行时间(TOF)测量，该测量确定到目标108的距离，该目标108反射来自激光器阵列102中的激光器的光束106，如在检测器阵列116处检测到的。

本教导的系统的一个特征是可以单独控制发送器阵列102中的个体激光器和/或激光器组。本教导的系统的另一个特征是可以单独控制检测器阵列116中的个体检测器和/或检测器组。这种控制提供各种期望的性能特点，包括对视场、光功率水平、扫描和/或其它特征的控制。

图1B图示了图1A的LIDAR系统的系统视场150的二维投影。检测器阵列中个体检测器的视场由小正方形152表示。与发送器中的个体激光器相关联的被照亮的测量点由圆圈154图示。作为阵列中具有一个激励的激光元件的情况的示例，来自激光器的光击中图1A的LIDAR系统的整个视场中的个体检测器视场。这个接收光的检测器视场由特定正方形156中的散列标记突出显示，并且来自个体激光器的测量点的视场被示为特定黑圈158，其与激光器阵列中的特定个体激光器对应。

在图1B中可以看出，由圆圈158示出的测量点落在个体检测器内，其中那个个体检测器的视场已在正方形156中示出，具有用于标识的交叉影线图案。这个图说明了LIDAR系统的一些实施例的3D分辨率由激光器的数量确定，因为每个激光器与特定的投影角对应，该投影角导致目标范围处圆圈154的尺寸，以及表示个体检测器元件的视场的圆圈154与正方形152的相对尺寸。因此，可以通过控制发送器阵列中的特定个体激光器或激光器组选择性地激励并传输激光脉冲和/或接收阵列中的特定个体检测器或检测器组将接收到的(一个或多个)检测器视场中的光信号转换成电信号来建立各种视场。本教导的一个特征是阵列驱动控制系统，其能够为能够照亮目标的激光器设备阵列提供这种选择性设备控制。

在一些实施例中，检测器阵列中的个体检测器的视场是检测器的有源区域。阵列内的个体检测器尺寸在很大程度上由设备的电气特点确定。例如，随着雪崩光电二极管(APD)检测器的有源区域尺寸的增加，检测器的电容增加，从而降低了设备的光-电带宽。APD的带宽必须维持足够高，以免使接收到信号衰减或失真。在激光脉冲宽度<10纳秒且上升/下降时间为～1纳秒的LIDAR系统中，光到电(O/E)带宽和APD电容的典型值分别是350MHz和小于2pF。一般而言，为了覆盖LIDAR系统的整个视场，同时维持可接受的电检测器性能，必须使用检测器的阵列。阵列的整体物理尺寸和维度由所需的视场和接收器光学透镜系统的规格确定。

图2图示了可以在根据本教导的LIDAR系统中使用的已知底部发射VCSEL 200的结构的透视图。VCSEL 200的发射孔202的面积通常从直径几微米(用于mW功率操作)到直径100微米或更大(用于100mW和更大的CW功率操作)。VCSEL 200被制造在基板204上，该基板可以是例如GaAs或许多其它半导体材料。N-型分布式布拉格反射器(DBR)层206被定位在基板上。有源区208构造在n-型DBR层206上，随后是可以在氧化物材料中形成的孔。然后在有源区上生长p-型DBR层212。通常，p-型DBR层212是高反射的，并且n-型DBR层206是部分反射的，从而导致从层结构的底部、基板侧的光输出214。有源区208、氧化物孔210和p-型DBR层212在所示设备中的台面(mesa)结构中形成。顶部触点216和底部触点218用于向有源区提供电流以生成输出光。氧化物孔210将电流限制到有源区208。顶部触点216是p-型，并且底部触点218是n-型。

发射孔202在底部触点218中形成以允许输出光214从底部发射VCSEL 200的底部基板侧出射。注意的是，图2中仅示出了一个发射孔202，因为图2仅图示了多元件VCSEL阵列的一个元件。这种类型的VCSEL可以是独立的单个元件，或者可以是可以在基板204上制造为一维或二维阵列的多元件VCSEL的一部分。VCSEL触点216、218可以被单独寻址和/或它们可以以各种配置电连接在一起以使用公共电输入信号寻址VCSELS组。本教导的一个特征是一种用于控制阵列中的一个或多个VCSEL 200设备的激励的系统和方法，其具有用于LIDAR系统应用的适当驱动信号。

在一些实施例中，在本教导的固态LIDAR系统中使用的VCSEL阵列是单片的并且激光器都共享其上集成有激光器的共用基板。可以使用多种共用基材类型。例如，共用基板可以是半导体材料。共用基板还可以包括陶瓷材料。在其它实施例中，2D VCSEL阵列由一组1D条甚至个体管芯组装而成。

在一些实施例中，VCSEL是顶部发射的VCSEL器件。在其它实施例中，VCSEL器件是底部发射的VCSEL。个体VCSEL器件可以具有或者单个大发射孔，或者个体VCSEL可以由较大有效发射直径内的两个或更多个子孔形成。形成较大有效发射区的一组子孔有时被称为簇(cluster)。

图3图示了根据本教导的用在固态LIDAR系统中的具有256个单独激光发射器302的2D单片VCSEL阵列300的实施例的示意图。每个激光发射器302具有直径为“a”的发射孔304。来自每个单个激光发射器302的发射基本上充满整个发射孔。因此，每个激光发射器302生成具有初始直径“a”的激光束，该初始直径“a”等于发射孔的直径304。激光发射器302在水平方向上以间距dx 306均匀地间隔开，并且在垂直方向上以间隔dy 308均匀地间隔开。从最外面的激光器的中心测量的阵列的总尺寸在水平方向上是距离Dx 310并且在垂直方向上是距离Dy 312。实际芯片尺寸在维度上将比距离Dx310和距离Dy 312稍大。在各种实施例中，发射器302可以产生具有不同于圆形发射器形状的各种形状的光束。例如，在各种实施例中可以实现椭圆形、正方形、矩形和各种奇怪形状。在将激光器布置为2D阵列的实施例中，可以以矩阵可寻址方式电驱动激光器的行和列。

本教导的一些实施例利用每个激光器具有单个大孔的VCSEL器件的底部发射高功率阵列，诸如图3中所示的配置。本教导的其它实施例利用VCSEL的顶部发射或底部发射的高功率阵列，其中总发射面积包括子孔。但是，本领域的技术人员将认识到，本教导不限于顶部和底部发射VCSEL器件和相关联的发射孔的任何特定配置。

二维VCSEL阵列可以被用作根据本教导的LIDAR系统的构建块，以建立允许发送器具有小物理尺寸的平台。例如，可以在近似4mmx4mm的单片芯片上构建具有256个高功率个体激光器的2DVCSEL阵列。这种单片芯片可以与选择的光学元件一起使用，以保持物理维度尽可能小，例如，通过使用微透镜阵列、维度小于20mm的共享透镜或最大维度大约20mm的衍射光学器件。

但是，根据本教导的LIDAR系统对2D VCSEL阵列提出了某些要求。特别地，期望2DVCSEL阵列允许独立地同时控制所有VCSEL器件。在本教导的LIDAR系统的某种操作模式下，矩阵内的每个VCSEL在不同时间激发。对于这种操作，VCSEL阵列需要以矩阵可寻址的方式被操作，其中激光器可以被单独激发，但并不总是同时。

图4图示了根据本教导的用于VCSEL阵列的个体半导体激光器的实施例的示例性级联两端口电路模型400。本征激光结由众所周知的二极管402的符号表示。发射激光的激光器的有源区夹在二极管的p-n结之间。电路模型400包括驱动器连接404，其供应电压V_d以及金属触点406的电特点。此外，电路模型400包括寄生元件408，其包括寄生焊盘电流408i_p和寄生芯片电流410i_p形式的焊盘电阻损耗。

在一个实施例中，本教导的固态LIDAR系统使用VCSEL器件，该VCSEL器件是使用异构集成技术组装的。例如，这些设备可以是键合到硅电子器件的倒装芯片，以提供高度紧凑的连接到和电驱动VCSEL的方法。例如，参见Plant等人的“256-Channel BidirectionalOptical Interconnect Using VCSELs and Photodiodes on CMOS”，IEEE Journal ofLightwave Technology，第19卷，第8期，2001年8月。另参见标题为“Electro-Optical ChipAssembly”的美国专利No.7,702,191和标题为“Optical Illuminator that Fire Devicesin Parallel”的美国专利No.8,675,706。但是，这些已知的异构集成技术主要针对光通信市场中的应用，在该市场中期望多通道的同时并行操作作为增加数据传输吞吐量的解决方案。

图5A图示了根据本教导的一个实施例的被配置为具有行/列矩阵可寻址性的2D激光器阵列500的矩阵可寻址激光器驱动电路的实施例的电气示意图。为简单起见，在这个图中和以下的图中，二极管符号502用于表示激光器，但应理解的是，结合图4描述的模型400更准确地表示激光器，并且此类模型将用于实际设计。而且，为简单起见，示意图500中仅示出了4x4的二极管矩阵，并且未示出驱动矩阵可寻址激光器驱动电路的电压和/或电流驱动器。但是，可以理解的是，实际上，激光二极管的矩阵是MxN，其中M和N是大于或等于二的任意整数，并且在一些实施例中，M和N是大数字。

用于2D激光器阵列500的矩阵可寻址激光器驱动电路被配置为使得VCSEL器件502连接到阳极504、504’、504”、504”’。VCSEL器件502的行通过阴极506、506’、506”、506”’连接。示意图500中所示的这种阳极-列和阴极-行连接配置允许通过行和列的操作打开/关闭个体激光器502，而不需要单独访问单个激光器502的阴极和阳极。

图5B图示了根据本教导的被配置为电压驱动器的矩阵可寻址激光器驱动电路的实施例，其中使用行/列矩阵可寻址性来激励2D激光器阵列500内的单个激光器502。电源548经由阳极触点电总线554和接地总线552施加相对于地552的电压电位550，阳极触点电总线554通过一系列开关556、556’、556”、556”’连接到阳极列504、504’、504”、504”’并且接地总线552通过一系列开关558、558’、558”、558”’连接到阴极行506、506’、506”、506”’。电源548生成具有期望电压电位波形的电压电位550、V₊。被激励开启的VCSEL的阳极列经由开关556’连接到电压电位550，该电压电位550足够高以正向偏置VCSEL，二极管550。包含那个VCSEL的阴极行506’经由开关558’连接到接地总线552以完成电路，从而允许电流流过VCSEL，激励激光器使其发射光。其它阴极和阳极被设置为“打开”状态，其中电源548通过打开开关556、556”、556”’和打开开关558、558”、558”’而不向它们提供任何特定电压电平。

在图5B中所示电路的替代实施例中，阴极506、506”和506””不是“打开”而是连接到提供电压电位波形的电源548(或另一个电源)，该电压电位波形具有在操作期间设置在某个预定电压电平的电压，该电压小于V+。换句话说，图5B中指示的接地总线552上的电位可以不是地电位，而是代替地可以是由电源548设置的在操作期间小于V+的电压电平，使得电压电位550相对于预定电压被施加。在这些实施例中，开关556、556”、556”’、558、558”、558”’将在阳极或阴极电压电位550和设置为这个定义的电压电平的电压源(未示出)之间切换。这个替代实施例可以具有性能优势，诸如减少的串扰。结合图5E描述实现这个实施例的更详细的电路。

本教导的激光器阵列控制器的一个特征是它可以使用多种激光器驱动电路来提供期望的激光器驱动特点。在一些实施例中，驱动激光器的电源548生成高电流、短持续时间脉冲。在这些实施例中，电源548被设计为提供必要的高电流和短持续时间脉冲。而且，可以通过使电源548施加具有定义的电压的电位波形(所谓的电压驱动器)或具有定义的电流电平的电流波形(所谓的电流驱动器)来操作矩阵。

在一些实施例中，电源548被配置为在没有生成脉冲时产生降低功率耗散的波形。这可以例如通过使用在短持续时间脉冲的施加之间的停机时间期间提供电源548的输出的接近或完全关断的电路配置来实现。在一个这样的实施例中，电源在生成短持续时间脉冲之前的唤醒周期期间激励激光器驱动器，然后生成脉冲。电源548在脉冲之间的时间产生波形关断，该时间在脉冲已经被激发之后发起。在再次生成短持续时间脉冲之前，这个波形关断周期之前是唤醒周期。一些电源还具有“低功耗”状态，用于进一步降低功耗。例如，在实际的实施方式中，电源中的控制器或分离的控制器可以执行一系列命令，诸如以下命令：(1)将激光器驱动器电源置于“低功率状态”；(2)将激光器驱动器电源置于“唤醒”模式；(3)“打开”激光器驱动器电源输出；(4)“关闭”激光器驱动器电源输出；以及(5)将激光器驱动器返回到“低功率状态”。

图5C图示了根据本教导的一个实施例的被配置为高侧电流驱动器的单个矩阵可寻址激光器驱动器570的电气示意图，该高侧电流驱动器可以与具有行/列矩阵可寻址性的2D激光器阵列一起使用。高侧配置的激光器驱动器570包括场效应晶体管(FET)572，其中FET源极耦合到电源电位V+，并且FET漏极耦合到激光二极管574的阳极。用于激光二极管574的驱动电流由压控电流源576提供，使得激光电流与驱动电压成比例。

图5D图示了根据本教导的一个实施例的被配置为低侧电流驱动器的单个矩阵可寻址激光器驱动器580的电气示意图，其可以与具有行/列矩阵可寻址性的2D激光器阵列一起使用。激光器驱动器580包括具有耦合到电源的输入的压控电流源582。压控电流源582的输出连接到激光二极管584的阳极。场效应晶体管(FET)586具有耦合到激光二极管584的阳极的源极和耦合到地的漏极。

图5E图示了根据本教导的一个实施例的配置有用于列的高侧电压驱动器591、用于行的低侧电压驱动器592和可以用于向行施加附加电压的开关的矩阵可寻址激光器驱动电路590的电气示意图，其可以与具有行/列矩阵寻址能力的2D激光器阵列一起使用。分压器电路593被用于设置2D激光器阵列的行之间的电压。分压器电路593通过向其FET栅极施加充电信号来控制。激光二极管594与其相关联的寄生电容器一起被示出。

矩阵可寻址激光器驱动电路590的配置与图5B中所示电路的替代实施例类似，其中激光二极管的阴极在正常操作期间不处于地电位而是处于另一个电位。但是，在这个电路中，开关593的添加允许对施加到阴极的电压进行更复杂的控制。在图5E中所示的矩阵可寻址激光器驱动电路590配置中，激光二极管的阴极处于由分压器593确定的电位，分压器593由施加到其FET栅极的充电信号来控制。操作矩阵可寻址激光器驱动电路590使得激光二极管被反向偏置使得阴极处于除地电位以外的电位可以具有许多性能优势。此类性能优势之一是可以显著减少激光二极管之间的串扰。

图5F图示了电压时序图599，其示出了操作结合图5E描述的矩阵可寻址激光器驱动电路590的一种方法。示出了施加到高侧电压驱动器591的列驱动信号C2 595、施加到低侧电压驱动器592的行驱动信号R2 596和施加到分压器593的充电信号597的波形。

仅当列驱动信号595和行驱动信号596都为高时才生成光脉冲。行驱动信号的脉冲持续时间确定了光脉冲宽度。占空比取决于各种操作参数。例如，在一种操作方法中，光脉冲的占空比为1％。列驱动信号595脉冲长于行驱动信号596脉冲。这防止行和列脉冲之间的竞争。

本教导的方法和设备的一个重要特征是各种激光器驱动器电路配置和操作方法减少串扰，并因此提高性能。参考结合图5E描述的矩阵可寻址激光器驱动电路590，当激光二极管经由穿过其相关联的寄生电容器和低侧驱动器的电路径间接激励时，会发生串扰。在图5E所示的配置中，可以通过将寄生电容器充电到电压+V来防止这种不期望的结果，这将激光二极管594设置为反向偏置。因此，当期望的激光二极管被激励时，不应当有其它激光二极管发射光。但是，在连续反向偏置条件下偏置激光二极管594的方法将导致器件故障率增加和整体器件可靠性降低。根据本教导的一种解决方案是在激光二极管未被有意激励时在剩余的占空比期间激励低侧驱动器以对激光二极管的寄生电容器放电。例如，激励通常以1％占空比在大约99％关闭持续时间内完成。

图5G图示了配置有处于电容器充电模式的高侧电容放电电路622的矩阵可寻址激光器驱动电路620的电气示意图。驱动电路620与结合图5A描述的驱动电路500类似，但包括高侧电容放电电路622。在电容器充电模式下，所有高侧开关624和所有低侧开关626都打开，从而允许电容器C1-C3 630以时间常数充电至施加到驱动电路620的全电位，该电位被指示为-V。

图5H图示了结合图5G描述的矩阵可寻址激光器驱动电路620的电气示意图，但是配置有处于电容器放电模式的高侧电容放电电路622用于激光二极管2,2(第二行第二列)。在用于激光二极管2,2的电容器放电模式下，高侧开关624和低侧开关626都闭合，从而造成路径632中的电流放电。

图5I图示了电压电位时序图635，其示出了跨电容器C₂和跨第二行第二列中的激光二极管2,2的电压电位。开关LS2和HS2闭合直到初始时间t₀。在时间t₀之前，电位C2+处于地电位，并且电位C2-处于-V电位。在时间t₀，开关LS2 626和HS2 624闭合，使得电位C2-过渡到地电位并且使电位C2+充电到+V电位，在时间t₁达到这些电位。在激光二极管2,2的阳极充电到+V电位之后，电容器C2从电位C2+经由激光二极管2,2放电，从而生成光脉冲。在时间t₂，开关LS2和HS2闭合以发起用于下一个脉冲的条件。这种开关序列的结果是放电控制方法生成模拟驱动脉冲，其中功耗与脉冲宽度无关。

图5J图示了配置有处于电容器充电模式的低侧电容放电电路642的矩阵可寻址激光器驱动电路640的电气示意图。驱动电路640与结合图5A描述的驱动电路500相似，但包括低侧电容放电电路642。在电容器充电模式下，所有低侧开关644和所有高侧开关646都打开，从而允许电容器C1-C3 626以时间常数充电至施加到驱动电路640的全电位，该点位被指示为+V电位。

图5K图示了结合图5J描述的矩阵可寻址激光器驱动电路640的电气示意图，但是配置有处于电容器放电模式的低侧电容放电电路642用于激光二极管2,2(第二行第二列)。在用于激光二极管2,2的电容器放电模式下，高侧开关和低侧开关都闭合，从而造成路径648中的电流放电。

图5L图示了电压电位时序图650，其示出了跨电容器C₂和跨第二行第二列中的激光二极管2,2的电压电位。开关LS2和HS2最初是打开的。在时间t₀之前，当开关LS2和HS2打开时，电容器C2上的C2+电位是+V电位，C2-电位是地电位。在时间t₀，开关LS2和HS2闭合，驱动C2+接地，并导致C2-开始从接地充电至-V。在时间t₁，电容器C2开始经由激光二极管2,2以时间常数放电，从而使激光二极管2,2生成光脉冲。在时间t₂，开关LS2和HS2闭合，从而发起用于下一个脉冲的条件。这种切换序列的结果也是放电控制方法生成模拟驱动脉冲，其中功耗与脉冲宽度无关。

图6图示了根据本教导的用于电驱动LIDAR系统激光器阵列中的矩阵地址激光器驱动电路中的激光二极管的组合的高侧和低侧GaN FET驱动器电路600的实施例。这种驱动器电路在本领域中也被称为非对称开关驱动器电路。在本教导的LIDAR系统的各种实施例中，驱动电路600连接到图5A-B中所示的列/行阳极/阴极连接中的每一个，其中驱动电路600被配置为开-关驱动器，其包括高侧驱动电输入602和低侧驱动电输入604。

更具体而言，参考图5B和图6，电气示意图500中的单元格560以如下方式配置有驱动电路600。晶体管602，Q1，与将电压电位550连接到激光器阳极504的开关556对应。晶体管604，Q2，与将地552连接到激光阴极506的开关558对应。高侧驱动器输入606电连接到晶体管602的栅极。低侧驱动器输入608电连接到晶体管604的栅极。

非对称、开-关驱动器电路600适用于将良好控制的、持续时间短的、高偏置电流脉冲注入激光结610以激励激光器并使其发射光。对于脉动的TOF LIDAR系统，理想的光功率输出脉冲应当在几纳秒的持续时间范围内，并应当在那个持续时间内提供高峰值输出功率。在一些实施例中，非对称、开-关驱动器电路600被配置和操作以使得来自激光器的峰值输出功率处于或最低限度地低于人眼安全极限。

本教导的一个特征是阵列驱动控制电路可以被配置为基于激光发送器的电流-电压(IV)曲线的特点来优化驱动。图7图示了根据本教导的矩阵地址激光器驱动电路中的半导体二极管702的实施例的典型电流-电压曲线700。电流-电压曲线以图形方式表示流过VCSEL器件的电流与施加在VCSEL器件上的电压之间的关系。如图7中所示，当激光二极管702正向偏置时，阳极704处的电压相对于阴极706将为正，并且正向或正电流708将流过二极管702。二极管的电流-电压特点是非线性的，并且在超过阈值电压V_th 710之后，正电流708从标称零开始呈指数增加。

当激光二极管在阴极处的电压相对于阳极为正的情况下被反向偏置时，除了极小的漏电流之外，激光二极管阻止电流流动。激光二极管继续阻止电流流动，直到跨二极管的反向电压变得大于其击穿电压(V_br 712)。一旦达到击穿，电流就会在负方向上呈指数增加，并且由于电压和电流相对高，因此自耗功率也相对高，从而导致激光二极管过热烧坏。激光在正向偏置条件下生成光。

每个个体激光器的电流-电压行为，结合控制激光器驱动以激励个体激光器的方法，显著影响激光器阵列的操作性能和可靠性。本教导的矩阵可寻址激光器驱动电路的一个特征是它们可以被配置为最小化不利影响，诸如光串扰。当阵列中的其它激光器(除了有意正向偏置以供能的单个激光器之外)同时正向偏置时，会发生光学串扰，因为电流和/或电压从供应给激励激光器的电驱动器泄漏。因此，其它激光器发射光，即使这种发射是不期望的。这种光串扰情况由于照亮不打算被照亮的测量点和/或照亮比打算被照亮的更宽的目标区域而对LIDAR系统的性能产生不利影响。

图8图示了根据本教导的矩阵-地址激光器驱动电路控制器800的实施例的在激励具有行/列矩阵可寻址性的二维阵列内的单个激光器时在矩阵中的节点处感应出的电压。矩阵可寻址激光器驱动电路控制器800在矩阵中的每个节点处提供电压，类似于结合图5B描述的实施例的操作。例如，开关802将第二列连接到电源电压804并且开关806将第二行激光器连接到地808。这种开关配置使得在除了通过开关806到地808的连接有意接地的行之外的每一行的阳极处感应出电压V’810。电压V’810在阵列中每个激光器的对应阴极处造成电压V”812。电压V’810和V”812的确切值是V+804以及用于特定激光二极管的实际电流-电压曲线的函数。

在电源电压804的值小于激光脉冲的反向击穿电压的情况下，激光器的正向压降(即，V+的绝对值)小于V_br和V_th之和，几乎没有反向电流流过激光二极管。这种条件提高了器件的可靠性。而且，如果阴极处的电压小于阈值电压(即，V<V_th)，那么几乎没有正向电流流过与有源激光器814位于同一行上的二极管。

图9图示了根据本教导的在载体902上安装的LIDAR系统的VCSEL阵列芯片900的实施例。到阵列的物理连接使印刷电路板(PCB)基板上相关联的电子电路的布局更加密集。示出了包括可寻址VCSEL器件的九个小孔908的发送器簇906的16x16阵列904。载体902具有多个电边缘连接器910、910’，每个电边缘连接器通过引线接合912、912’连接到阵列904的行边缘914或列边缘914’。阳极和阴极的连接在其上PCB连接到VCSEL的电路的两侧交替。这种交替的连接模式导致行和列电路之间的PCB间距更宽，这使得GaN FET能够更靠近VCSEL阵列放置，从而使电路布局更紧凑，从而减少了物理占用空间。

如前所述，本教导的LIDAR系统的一个方面是能够以最少数量的所需电驱动器单独地激励位于激光器阵列中的2D矩阵可寻址配置内的每个VCSEL。当阵列以矩阵可寻址方式被驱动时，按行/列，所需的最小驱动器数量等于M+N，其中分别M是列数，N是行数。相比之下，如果阵列中的每个VCSEL器件都有自己的专用驱动程序，那么驱动程序的数量会高得多，等于MxN。例如，使用本文描述的矩阵寻址的16x16元件VCSEL阵列只要求32个驱动器，而如果每个VCSEL都有自己的专用驱动器，那么要求256个驱动器。

应该理解的是，对于矩阵寻址，所有激光器同时完全独立的操作是不可能实现的。换句话说，在给定的时间只能激发某些激光器。但是，这种限制对于本文描述的LIDAR系统并不重要，因为在典型的操作中，一次只有特定单片阵列内的一个激光器被激励，以便对空间中的哪个测量点被照亮没有歧义。一次激励特定单片阵列中的一个激光器也有助于维护1级人眼安全。

还应理解的是，矩阵寻址在电子领域中是众所周知的。但是，在要求短持续时间、极高光功率脉冲和低占空比的LIDAR系统中使用矩阵寻址的方面以前是未知的。如上所述，具有256个激光器的LIDAR系统工作距离为100m(脉冲之间的最短时间为1微秒)，其占空比仅为0.002％，脉冲持续时间为5纳秒。矩阵寻址已被用于激励光通信激光器设备，这些设备通常以相对低的峰值功率(mW与W相比)和相对较长的脉冲持续时间以及～50％的占空比操作。在这些条件下，电力驱动要求与最先进的LIDAR应用中高功率激光器的操作有很大不同。

例如，用于使用905-nm波长激光器进行大于100-m范围操作的脉动TOF LIDAR系统通常要求具有超过20瓦的峰值功率和小于10纳秒的脉冲持续时间的光脉冲。假设激光器设备在脉冲条件下具有1W/A效率，那么个体激光器上的对应驱动电压和电流在10伏特范围内，并且是10安培范围。当然，如果向矩阵可寻址阵列施加大于10V的电压，那么很可能会出现不想要的电和光串扰。当这种电压存在反向偏置条件时，矩阵中的VCSEL器件也很有可能被损坏或毁坏。

影响激光器可靠性的主要因素之一是器件的平均温度和瞬态温度。如果控制脉冲能量以保持器件的瞬态温升足够低，那么只要脉冲的持续时间足够短，峰值电流和电压值就可以相对高。即使在热失控是一个重要问题的反向偏置条件下，只要结附近的温升足够低，瞬态反向电流对于可靠性就是可以接受的。例如，假设GaAs的材料特性具有比热和密度，1μJ脉冲进入2微米厚、100微米直径的结，将导致该结的温度升高～9℃。持续时间为5纳秒的20V/10A方波脉冲相当于1μJ能量。由此产生的瞬态温升将只有几度的数量级，因此可能不足以降级设备的可靠性。

图10图示了根据本教导的具有矩阵驱动控制电路1000的2x2激光器阵列的实施例的示意图，其示出了当一个激光器1002被激励时可能的电流路径。为简单起见，这个图中仅示出了2x2矩阵。应当理解的是，2x2矩阵的电气行为可以被扩展到更大的MxN矩阵。

给出图10是为了图示最先进的LIDAR应用所必需的高电压导致的潜在问题。在图10中，由于第2列1004连接到驱动电压总线1006，V+，并且第2行1008连接到接地总线1010，因此VCSEL器件L22 1002被有意地正向偏置并发射光。流经VCSEL器件L22的电流由图中带箭头的实线1012指示。理想地，矩阵中的所有其它VCSEL器件1014、1016、1018都由于第1行1020和第1列1022打开并且未连接到接地总线1010或V+总线1006而被关闭。

但是，除了实线1012的主要路径之外，还存在第二电流路径的可能性。这个第二电流路径由带有方向箭头的虚线1024指示。当通过闭合开关1026、1028将总线1006上的V+施加到第2列1004时，VCSEL器件1016L12将在阳极处施加总线1006上的V+，并且将在阴极感应出表示为V’1030的电压，以便满足这条路径名义上是开路的条件，其中没有电流可以流动。注意的是，当总线1006上的电压V+最初施加到第2列1004时，电压V’1030最初可以为零。当这种情况发生时，有可能会出现瞬态电流，其具有VCSEL器件L12 1016和L22 1018的足够正向电压，以使其发射不期望的光，这导致光学串扰。在这种情况下，串扰是在视场内产生的额外不期望的光，而不是由VCSEL器件L22 1002生成的光。

由于阴极被连接在给定的行中，因此电压V’1030也将被施加到VCSEL器件L111014的阴极并且这将立即将VCSEL器件L11 1014置于反向偏置条件。电压V”1032将在VCSEL器件L11 1014的阳极处感应出来，以便满足电流/电压关系。如果电压V’1030小于L11 1014的反向击穿电压，那么电流通常小于1μA。流经L11 1014的小电流也将流经L21 1018，使其处于正向偏置状态。电压V”将与L21 1018的正向IV曲线对应。为避免从L21发射光，通过L211018的电流应当低于激光阈值电流，对于LIDAR应用，该电流预计在10到100mA的范围内。

但是，如果电压V’1030大于VCSEL器件L11 1014的击穿电压，那么更高的电流将流过电路。如果这个电流高于L21 1018的阈值电流，那么将在VCSEL器件L12 1016和VCSEL器件L21 1018中都生成光，这导致生成不期望的光串扰。因此，可以理解电压V’1030不能任意大，而是必须受到约束，以便它总是小于VCSEL器件的反向击穿电压，或者至少流过对应路径的电流不足以使光从这两个VCSEL器件L12 1016和L21 1018发射。

因此，本教导的一个方面是认识到，对于用于LIDAR应用的特定VCSEL器件，期望将电压V’1030约束为小于反向击穿电压，以避免不期望的光串扰。此外，在反向偏置条件下持续的电流流动是不期望的，因为它可以是激光二极管的潜在可靠性问题，这取决于时间、与电流相关联的能量以及由此产生的激光二极管中的热上升等因素。

在电压V’1030导致显著的瞬态电流流过器件1014、1016和1018的操作条件下，脉冲能量应当足够低以不会显著影响可靠性，并且这些器件中的瞬态温升应当低于20℃。

将许多已知的VCSEL器件结构用于LIDAR应用将导致生成不希望的光串扰，因为通常要求10V-80V的电压来生成最先进的LIDAR应用所需的高功率光脉冲，而具有单个有源区的典型VCSEL器件的反向击穿电压在5V至15V的范围内。

因此，使用根据本教导的矩阵可寻址控制电路来驱动用于LIDAR应用的激光器阵列的LIDAR系统的另一方面是VCSEL器件本身的设计，以具有减少或照亮光串扰和同时具有高可靠性的期望操作规范。即，根据本教导的VCSEL器件被专门设计为使得操作条件防止不想要的光串扰影响系统性能。防止不想要的光串扰的一种方式是制造具有激光器结构的VCSEL器件，该结构可以实现相对高的反向偏置操作条件而不会进入击穿条件。

可以增加V_th或V_br或两者的一种可能的激光器结构包括在VCSEL器件内串联的多个结。具有多个串联结的激光器结构已在使用隧道结的器件中得到证明，这些隧道结将有源结分开。应当理解的是，可以使用具有多个结的许多其它类似激光器结构。虽然使用多个结会增加V_th，但由于脉冲电压和电流高，因此对于这个应用，对效率和器件性能的影响通常是可接受的。

图11图示了根据本教导的包括具有与矩阵地址激光器驱动电路1100中的每个激光二极管串联的第二二极管的激光器的2x2激光器阵列的实施例的示意图。类似于结合图10描述的2x2激光器阵列1000的示意图，激光器阵列1100包括矩阵中的VCSEL器件1102、1104、1106、1108。此外，第二二极管器件1110、1112、1114、1116与激光二极管1102、1104、1106、1108电串联。在一些实施例中，VCSEL器件1102、1104、1106、1108是GaAs激光二极管并且第二二极管器件1110、1112、1114、1116是硅二极管。类似于结合图10描述的2x2激光器阵列1000的示意图，存在驱动电压总线1118、接地总线1120、两列1122、1124和两行1126、1128。

在操作中，当两个开关1132、1134闭合时，激光器驱动电流在箭头指示的方向上流过用粗线示出的路径1130。第二二极管1110、1112、1114、1116将增加列和行阳极和阴极连接之间的正向压降。但是，由于GaAs激光二极管的典型正向压降约为2V至3V，而对于硅二极管大约为1V至2V，因此附加的正向压降并不显著，因为矩阵寻址激光器驱动电路1100被设计为从每个激光器生成高光功率，因此它通常在超过10V的驱动电压下操作。照此，这种附加的正向压降不会对性能产生重大影响。在一些实施例中，多于一个附加二极管与激光二极管串联添加。

不同的实施例使用不同的二极管类型来实现串联连接的第二二极管1110、1112、1114、1116，或串联连接的多个附加二极管。例如，一些实施例将第二二极管1110、1112、1114、1116与相应的激光器1102、1104、1106、1108单片地堆叠在芯片内。该芯片可以是GaAs芯片，类似于图2中所示的芯片，但具有形成一个或多个串联二极管的附加层结构。在一些实施例中，堆叠的第二二极管是另一个有源P-N结，其生成有益地增加VCSEL亮度的光学增益。在其它实施例中，堆叠的第二二极管不是光学活性的，因此它不贡献所生成的光。在一些实施例中，堆叠的第二二极管是光电二极管。在一些实施例中，堆叠结构的实施利用隧道结来分隔两个堆叠二极管以保持整体结构的电阻相对低。

具有堆叠或级联的多二极管区域的VCSEL器件在本领域中是已知的。参见例如“Bipolar Cascade VCSEL with 130％Differential Quantum Efficiency”，AnnualReport 2000，Optoelectronics Department,University of ULM。而且，多二极管级联VCSEL结构已被用于增加整体亮度。参见例如美国专利公开No.US2015/0311673A1。而且，VCSEL已采用集成光电二极管制造。参见例如美国专利No.6,717,972。但是，现有技术并未教导使用这种结构为LIDAR应用配置的矩阵地址激光器驱动电路1100。

根据本教导的实现相对高的反向偏压操作条件而不进入击穿条件的另一种VCSEL器件结构在单个激光发送器配置中串联连接两个或更多个VCSEL器件。这可以通过在芯片制造过程中适当地布置阳极和阴极连接来实现。

在高功率VCSEL激光器中，在单个发射器内并联连接多于一个发射器孔是常见的。例如，结合图9描述的VCSEL阵列是16x16阵列904，其包括可寻址顶部发射VCSEL器件的九个小孔908，其中每个单个发射器内的个体孔并联连接。最近开发了串联连接的VCSEL器件用于高功率应用，但没有考虑光串扰和正向压降问题。例如，参见美国专利公开No.2019/0036308A1，该专利公开描述了串联连接的单芯片VCSEL器件。根据本教导，此类器件可以被配置为减少光学串扰。

根据本教导的实现相对高的反向偏压操作条件而不进入击穿条件的另一种VCSEL器件结构将附加二极管结合到键合到VCSEL器件的配对基板或IC中。图12图示了串联配置的多个二极管1200的实施例，其包括VCSEL阵列1202，附加二极管1204与作为根据本教导的单独载体1208的一部分的每个激光二极管1206串联连接。在一些实施例中，载体1208是集成电路。例如，集成电路可以是廉价的基于硅的集成电路。

载体1208可以以各种方式电连接到阵列1202。例如，载体1208可以使用凸块接合连接器1210电键合到阵列1202。在图12所示的配置中，底部发射VCSEL激光器阵列1202键合到载体。为简单起见，该图仅示出了共享共用阴极连接1212的单行VCSEL发射器。阳极连接1214垂直于图中所示的平面延伸。每个VCSEL二极管1206与载体1208上的二极管1204配对。应当理解的是，附加二极管可以串联添加到被问描述的这种配置和其它配置中，以进一步降低光串扰的可能性。对于一些配置，串联连接多于两个二极管以实现在矩阵中感应出的期望的反向电压，以减少或消除光串扰。

等同物

虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是并不意图将申请人的教导限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，申请人的教导涵盖各种替代、修改和等效形式，这些形式可以在不背离本教导的精神和范围的情况下进行。