用于激光雷达的激光发射模组制造技术

本发明专利技术公开了一种用于激光雷达的激光发射模组，所述模组中的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片，因HCSEL芯片发出的激光至少在一个方向上准直，这样简化了光学系统；通过光栅锁模，使激光发射模组无需加入任何光学器件就可具备中心波长范围小、谱宽窄、波长温漂小等特征，并且HCSEL可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用；另外由于大的出光面积，出光面功率密度变低，器件的寿命也会相应变长；HCSEL的激光芯片结构及出光方式还可以降低芯片成本，方便和模组内其它光学器件集成。

Laser Emission Module for Lidar

【技术实现步骤摘要】
用于激光雷达的激光发射模组
本专利技术涉及激光器件
，特别涉及一种用于激光雷达的激光发射模组。
技术介绍
激光雷达(LiDAR)主要是通过利用近红外波段的半导体激光器发射激光脉冲，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对物体如汽车、飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台(用于扫描式雷达)和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。目前的激光雷达通常采用端发射芯片或垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片作为激光芯片，发射出的半导体激光都具有发射角度大的缺点，导致需对两个方向的激光光束都要进行准直整形，使激光发射模组系统复杂，不易于集成，并且成本较高。图1是根据一示例性实施例示出的基于目前MEMS(MicroElectromechanicalSystem)技术(也可以是其它扫描式激光雷达系统，例如机械式扫描)的扫描式激光雷达系统的光路示意图。在该MEMS激光雷达中，半导体激光一般采用F-P(Fabry-Perot)腔端发射芯片，其具有发射角度大、出光面积小，频谱宽、波长温度漂移严重等特点。大的激光出光角度通常需要对两个方向的光束都进行准直整形(即快轴准直和慢轴准直)，将导致光学集成系统复杂，并且尺寸较大。具有大发散角度的半导体激光器的远场角度分布如图2所示，图2(a)为慢轴发射角的远场角度分布图，图2(b)为快轴发射角的远场角度分布图。现有F-P端发射激光器宽波长谱宽和严重波长温度漂移极大的限制了激光雷达的信噪比。众所周知，背景光是影响信噪比关键因素，背景光强，信号光就被可能被淹没，导致信噪比弱。由以下背景光功率的方程可知背景光功率：Pb＝(л/16)*Tr*ρ*θr*dr*△λ*(Ta*ρ*Hλ*cosβ*cosφ+л*Nλ*(1-Ta))其中，Tr接收光学系统透过率，Ta大气透过率，θr接收视场，dr接收光学孔径，△λ光学滤光片带宽，Hλ太阳对地面光谱，Nλ为大气散射的太阳光谱辐射亮度，ρ为目标漫反射系数，φ为目标表面和太阳光线夹角，β为接收光轴与目标表面法线夹角。上述公式中△λ的选择与所用激光的特性有关系，假设其他条件不变情况下，△λ(光学滤光片带宽)主要是由激光光源的谱宽和波长温度漂移的总量决定，谱宽和波长温度漂移大，那么△λ就需要相应增大，这样背景光功率大，探测信号信噪比低，如果△λ小，能量损耗严重，则雷达可探测距离变近。值得一提的是，上述宽光谱，严重温漂等特性并不会在通过各种光学整形器件后有所改善。因此，窄线宽和低温漂的激光光源具有允许激光雷达使用更窄带宽的光学滤光片，从而降低背景光功率，提升信噪比的优势。图3是根据一示例性实施例示出的目前三维(3D)flash激光雷达的光路示意图。通常flash雷达的使用角度至少60°*45°且要求光束均匀分布。通常采用的端发射半导体激光器光束是近高斯模式，分布不均匀，如果使用在3Dflash激光雷达中，不仅仅要进行快慢轴扩角度，且还需要进行高斯均匀化，导致系统相对复杂，成本也过高。
技术实现思路
为了解决相关激光雷达技术中的激光发射模组系统复杂，不易于集成，并且成本较高的问题，本公开提供了一种激光雷达的激光发射模组。本专利技术提供了一种激光雷达的激光发射模组，所述模组中的激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片。优选地，所述水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片包括高阶光栅，通过所述高阶光栅耦合输出激光。优选地，所述高阶光栅位于所述水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片的表面或内部。优选地，所述高阶光栅是线性光栅、非线性光栅、二元光栅或非均匀光栅。优选地，所述HCSEL芯片的出光方向垂直于所述HCSEL芯片中水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形出光方式。优选地，所述激光发射模组还包括快轴准直模块，所述快轴准直模块位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。优选地，所述快轴准直模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。优选地，所述激光发射模组还包括扩角模块，所述扩角模块位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。优选地，所述扩角模块包括快轴扩角模块和慢轴扩角模块，所述快轴扩角模块和慢轴扩角模块均位于所述HCSEL芯片发出光线的光路上。优选地，其扩角模块为球面镜、非球面镜、二元光学元件或衍射光学元件。优选地，所述激光发射模组发出的激光信号的中心波长为600-2000nm。优选地，所述激光发射模组发出的激光信号的中心波长为940nm。在用于激光雷达的激光发射模组中，将HCSEL芯片作为激光发射芯片，由于HCSEL芯片发出的激光至少在一个方向上准直，大大降低模组集成的难度；通过光栅耦合的出光方式使激光发射模组无需加入任何光学器件就可具备中心波长范围小、谱宽窄、波长温漂小等特征；并且HCSEL可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用。另外由于大的出光面积，出光面功率密度变低，器件的寿命也会相应变长，并且HCSEL的芯片结构及出光方式还可以降低芯片生产成本，方便和模组内其它光学器件集成。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据一示例性实施例示出的目前MEMS式激光雷达的光路示意图。图2为图1示出的光路示意图对应的MEMS式激光雷达所使用的端发射激光芯片的快、慢轴发射角的远场角度分布图。图3是根据一示例性实施例示出的目前3Dflash激光雷达的光路示意图。图4是根据一示例性实施例示出的一种激光雷达的发射模组的光路示意图。图5是根据一示例性实施例示出的另一种激光雷达的发射模组的光路示意图。图6是根据一示例性实施例示出的一种HCSEL的结构示意图。图7是根据一示例性实施例示出的采用二元光栅或衍射光栅后的一种HCSEL出光示意图。图8是根据图7对应实施例示出的HCSEL的远场发散角度图。图9是根据一示例性实施例示出的HCSEL芯片不同出光方式的示意图。图10是根据一示例性实施例示出的一种3DFlash激光雷达的光路示意图。图11是图10对应实施例的扩角效果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本专利技术的不同构造。为了简化本专利技术的公开，下文中对特定例子的部件和连接关系进行描述。当然，它们仅仅为示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光雷达的激光发射模组，其特征在于，所述激光发射模组的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片。

【技术特征摘要】
1.一种用于激光雷达的激光发射模组，其特征在于，所述激光发射模组的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片。2.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述HCSEL芯片包括高阶光栅，通过所述高阶光栅耦合输出激光。3.根据权利要求2所述的激光发射模组，其特征在于，所述高阶光栅位于所述HCSEL芯片的表面或内部。4.根据权利要求2所述的激光发射模组，其特征在于，所述高阶光栅是线性光栅、非线性光栅、二元光栅或非均匀光栅。5.根据权利要求1所述的激光发射模组，其特征在于，所述HCSEL芯片的出光方向垂直于所述HCSEL芯片中水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形出光方式。6.根据权利要求1所述的激光发...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖岩，勾志勇，周德来，
申请(专利权)人：深圳市柠檬光子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44