VCSEL调谐装置和用于调谐VCSEL的方法与流程

vcsel调谐装置和用于调谐vcsel的方法
1.本公开一般涉及一种用于垂直腔面发射激光器vcsel的调谐装置，以及一种用于调谐vcsel的方法。
2.对于许多应用来说，期望具有在其波长方面可调谐且分辨率高的激光器。特别是在激发光学谐振器或操作通常用于最先进的高灵敏度位移传感器的光学干涉仪时，调谐到精确波长的激光对于实现系统的特定效率和/或灵敏度至关重要。垂直腔面发射激光器vcsel为这些应用提供了合适的解决方案，因为它们能够节约成本地制造并使用晶圆级加工来与所期望的系统集成。与传统的法布里-珀罗二极管激光器相比，vcsel的特征是具有卓越的高速调制效率。迄今为止，使用具有在反馈回路中并联连接的多个加权分接头的模拟积分器或高分辨率idac来在vcsel的波长方面对其进行调谐，该反馈回路由光学部件(诸如基准腔或干涉仪)的输出来控制。这导致了还可能缺乏灵活性的复杂且敏感的设置。
3.要实现的目的是提供一种用于vcsel的调谐装置和用于调谐vcsel的方法的改进概念。
4.该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中定义了本改进概念的实施例和改进方案。
5.本改进概念基于以下构思：使用delta sigma调制器来数字地调谐vcsel的波长，以给出控制单比特或低分辨率idac或切换的单比特或低分辨率比特流。例如，多位比特流可以用来数字地辅助例如简单的4位idac，以实现提高的分辨率并实现传统的数字信号处理方法(诸如动态元件匹配(dem)或抖动)。特别地，由于vcsel的波长取决于施加到vcsel的偏置电流，因此delta sigma调制器有效地控制偏置电流以便调谐vcsel的波长。
6.特别地，一种根据本改进概念的用于vcsel的调谐装置包括：delta sigma调制器，其配置为生成包括比特信号的比特流；以及电流源，其配置为根据控制信号以可切换的方式向vcsel提供电流。比特流基于目标状态信号生成，并且控制信号对应于比特流的比特信号或从比特流的比特信号导出。
7.在vcsel中，发射波长是由腔共振来确定的，而不是由增益峰值(例如法布里-珀罗型边缘发射激光器就是这种情况)来确定的。因此，vcsel在其发射波长上表现出显著的温度依赖性，这是由vcsel的半导体层的热膨胀(即腔长度)和热折射效应(即由于温度波动造成的谐振器中平均折射率的变化)两者所引起的。由于温度变化，vcsel的典型发射波长变化大约为0.07nm/k。vcsel的温度能够借助于施加到vcsel的电流(例如偏置电流)以直接的方式进行调节。
8.由于强烈的温度特性，传统vcsel的特征是具有大约0.5nm/ma的较大调制效率，与典型激光二极管的调制效率相比，这大约高了两个数量级。因此，即使对于集成的cmos电流源和其他部件，也能够借助于施加合理水平的偏置电流来有效地调谐vcsel的波长。
9.本改进概念借助于向vcsel提供恒定偏置电流的单个可切换电流源来实现vcsel的调谐。该原理可以理解为通过开启和关闭在vcsel内消散热量的偏置电流来将vcsel的或vcsel的部件(例如其半导体层)的温度调节到某个设定点。电流源例如是具有恒定输出电流的集成电路ic电流源，基于施加到电流源的控制信号的电平来开启和关闭该恒定输出电
流。
10.施加到电流源的控制信号对应于比特流的比特信号或从比特流的比特信号导出，该比特流由delta sigma调制器基于目标状态信号生成。delta sigma调制器例如是单比特delta sigma adc，其同样可以是集成电路。delta sigma调制的工作原理已经充分确立，从而不在此进一步详述。例如，电流源配置为在比特流的比特信号具有高值(即值为1)的情况下启用偏置电流的输出，并且对于低比特信号(即值为0的比特信号)禁用该输出。
11.提供给delta sigma调制器的目标状态信号可以例如对应于vcsel的或vcsel的部件的目标温度。这样，vcsel的波长的调节(即调谐)是借助于经由delta sigma调制器生成的调制来调节温度来实现的。
12.例如，调谐装置可以是集成电路，诸如cmos集成电路。
13.在一些实施例中，控制信号是脉冲密度调制pdm信号。
14.与以特定基准和特定占空比打开和关闭电流源的经典的脉冲宽度调制pwm相比，比特流的比特信号可以表示脉冲密度调制pdm。例如，delta sigma调制器是一位量化器，其根据目标状态信号的幅度为比特流的比特信号产生高值或低值。一位量化器可以进一步负反馈delta sigma处理回路中的量化误差，使得量化误差在比特流的多个比特信号中被平均。pdm信号是pwm信号的一般形式，该pdm信号在高值和低值之间没有固定频率。因此，与pwm信号相比，pdm类型的比特流可能能够更加有效和可靠地调节温度。
15.在一些实施例中，电流作为偏置电流提供给vcsel。
16.在一些实施例中，偏置电流配置为控制vcsel的温度和/或输出功率。
17.如上所述，偏置电流可以用于在vcsel的部件内消散热量以增加温度并从而引起发射波长的变化。因此，在没有偏置电流的情况下，即当电流源关闭时，vcsel部件中累积的热量被消散到vcsel的环境中，从而导致冷却。替代地或附加地，偏置电流可以用于例如通过增加vcsel的工作电流来影响vcsel本身的输出功率。由于更多的光学功率意味着由于光学吸收而产生更多的热量，因此同样vcsel能够通过这种方式在温度方面提升以调谐发射波长。
18.在一些实施例中，目标状态信号对应于目标波长或从目标波长导出。
19.理想情况下，调谐装置允许将vcsel调节到特定波长而不是调节到一个温度，因为发射波长是预期的调节量。例如，调谐装置包括诸如查找表之类的手段，利用该手段将目标发射波长转换为目标温度并最终提供给delta sigma调制器。这样，无需执行手动转换即可将vcsel调谐到特定的发射波长。
20.在一些实施例中，调谐装置还包括输入处理器，该输入处理器配置为通过将线性化算法应用于输入信号来生成目标状态信号。
21.调谐装置的输入信号可以是对应于目标状态(诸如目标波长)的数字化表达的数字控制字。在这些实施例中采用输入处理器以将输入信号转换为目标状态信号，该目标状态信号同样可以是对应于delta sigma调制器的实际设定点的数字控制字。例如，目标状态信号是对应于vcsel的目标温度并从而对应于目标发射波长的占空比值的数字化表达。为此，可以应用线性化算法以执行在提供给调谐装置的输入信号与提供给delta sigma调制器的目标状态信号之间的转换。因此，调制器可以被视为由于应用了适当的线性化算法而提高数字代码对vcsel的发射波长的线性度的手段。
22.在一些实施例中，比特流基于目标状态信号和从vcsel接收的实际状态信号生成。
23.为了进一步增强发射波长的调谐的效率和可靠性，在这些实施例中采用了反馈回路。反馈回路将对应于vcsel实际状态(例如瞬时温度或发射波长)的实际状态信号反馈回到delta sigma调制器或输入处理器以用于将实际状态信号与目标状态信号进行比较。基于该比较，可以调节delta sigma调制，例如可以调节目标状态信号，以将由delta sigma调制器生成的控制信号适配于vcsel的实际状态。
24.在一些实施例中，调谐装置还包括调制器，该调制器配置为通过调制比特流来生成控制信号。
25.调制器可以适配delta sigma调制器的比特流，该比特流可以是pdm信号，以便一步精细调谐电流源的切换。例如，调制器可以将进一步的调制(例如具有预定pwm占空比的pwm)应用于比特流。该pwm调制可以被称为pdm信号之上的高分辨率pwm。例如，pwm调制可以用于防止电流源长时间开启，从而导致大量且不受控制的温度升高和/或vcsel的有害输出功率。
26.例如，pwm可以具有借助于自时钟pwm电路来生成的两位或三位的分辨率。在该上下文中，自时钟是指具有比delta sigma调制器的时序快四或八倍的时序元件的pwm电路。因此，pwm在vcsel的调谐中提供了几个额外位的分辨率。
27.在一些实施例中，delta sigma调制器以至少1mhz的采样率运行。例如，采样率为2.4mhz，其对应于37.7khz的64的过采样率，这是37.7khz的商业音频应用的典型采样带宽。
28.在一些实施例中，电流源是稳定的低噪声电流源。
29.对于许多感测应用来说，为了实现所期望的灵敏度，vcsel的低噪声输出至关重要。为此，vcsel优选地在散粒噪声水平附近或在散粒噪声水平下运行，这构成了对光学强度噪声的基本限制。为了防止电流源引入任何额外的显著噪声，特别是在电流配置为调节激光器的输出功率的情况下，这些实施例中的电流源具有低于vcsel的散粒噪声的噪声水平，而这又取决于偏置vcsel的绝对电流。
30.该目的还通过一种包括根据上述实施例之一的调谐装置的电子设备(例如音频设备、通信设备或医疗传感器)来解决。例如，这些电子设备中的调谐装置配置为调谐光学位移传感器的光源。同样，光谱学和其他光声设备的应用将从根据本改进概念的调谐装置中受益。
31.该目的还通过一种用于调谐垂直腔面发射激光器vcsel的方法来解决，其中该方法包括借助于delta sigma调制器生成包括比特信号的比特流，并从比特流的比特信号生成控制信号。该方法还包括基于控制信号切换可切换电流源以用于生成电流，并向vcsel提供该电流。比特流基于目标状态信号生成。
32.从上述调谐装置的实施例中，本方法的其他实施例对于本领域技术人员来说变得显而易见。
33.示例性实施例的附图的以下描述可以进一步说明和解释本改进概念的各方面。具有相同结构和相同效果的部件和部分，分别具有相同的附图标记。只要调谐装置的部件和部分在不同的附图中的功能是彼此对应的，其描述就不会在以下附图的每个中重复。
34.图1至图4示出了根据本改进概念的调谐装置的示例性实施例的示意图；以及
35.图5示出了在调谐装置的各种实施例中采用的控制信号的示例。
36.图1示出了根据本改进概念的调谐装置1的示例性实施例的示意图。该实施例中的调谐装置1包括delta sigma调制器10和电流源11。调谐装置1可以是集成电路，诸如cmos集成电路。调谐装置1可以设置在半导体衬底上，该半导体衬底例如还包括垂直腔面发射激光器vcsel 20。替代地，vcsel 20可以由附加衬底构成，该附加衬底例如借助于熔合或粘合设置在具有调谐装置1的半导体衬底上。
37.调谐装置1配置为在输入侧接收目标状态信号ts。例如，目标状态信号ts是量化vcsel 20的期望目标状态(诸如其发射波长或温度)的数字控制字。delta sigma调制器10例如是单比特delta sigma adc，其配置为借助于应用传统的delta sigma调制来根据目标状态信号ts生成比特流bs。比特流bs包括比特信号，这些比特信号各自要么是高值，即“1”，要么是低值，即“0”。例如，比特流bs的比特信号构成表示对应于vcsel 20的期望目标状态的模拟或数字信号的脉冲密度调制pdm类型信号。
38.电流源11是可切换电流源，其配置为基于提供给电流源11的控制信号cs来启用或禁用电流输出，该控制信号在调谐装置1的该实施例中对应于比特流bs。例如，电流源11配置为在接收到高值的比特流bs的比特信号的情况下启用电流输出，并且对于低值的比特信号禁用电流输出。例如，电流输出是作为偏置电流提供给vcsel 20的恒定电流。电流源11的特征可以是生成具有小于vcsel 20的散粒噪声水平的噪声水平的电流。偏置电流配置为影响vcsel 20的或vcsel的部件的温度变化和/或影响vcsel 20的输出光学功率的变化。
39.可选地，向调谐装置1(例如向delta sigma调制器10)提供对应于vcsel 20的实际状态的实际状态信号as，其作为反馈信号以实现vcsel20的闭环调节。
40.图2示出了基于图1的实施例的调谐装置1的实施例的示意图。在该实施例中，调谐装置1还包括输入处理器12，该输入处理器配置为根据提供给调谐装置1的输入信号is生成目标状态信号ts。输入信号is同样可以是量化vcsel 20的期望目标状态的数字控制字。输入处理器12配置为将波长线性化算法应用于输入信号is以生成目标状态信号ts。在这个意义上，目标状态信号ts可以被视为转换的输入信号is。例如，输入处理器12将期望的目标波长转换成vcsel 20的参数的对应设定点，诸如温度设定点和/或输出功率设定点。
41.图3示出了基于图1的实施例的调谐装置1的另外的实施例的示意图。在该实施例中，调谐装置1还包括调制器13，该调制器配置为通过调制比特流bs来生成控制信号cs。例如，调制器13配置为将脉冲宽度调制pwm应用于比特流bs。因此，借助于调制器13生成的控制信号cs可以是脉冲宽度调制pdm信号，电流源11基于该脉冲宽度调制信号来启用和禁用其电流输出。
42.图4示出了基于图2和图3所示的实施例的调谐装置1的另外的实施例的示意图。该实施例结合了用于将线性化算法应用于输入信号is以生成目标状态信号ts的输入处理器12、用于将delta sigma调制应用于目标状态信号ts以生成比特流bs的delta sigma调制器10、以及用于调制比特流bs以生成控制信号cs的部分的调制器13。此外，图4的实施例采用基于实际状态信号as的反馈，该实际状态信号携带关于vcsel 20的实际状态的信息并作为反馈信号提供给调谐装置1。如上所述，调谐装置1的所有部件(即delta sigma调制器10、输入处理器12、调制器13和电流源11)可以由集成电路构成。
43.图5示出了包括由调谐装置1生成以控制可切换电流源11的控制信号cs的不同示例的图。该图中的控制信号cs的不同示例以定性的方式(即具有任意幅度)随时间绘制。
44.控制信号cs的最上面的示例表示具有特定占空比(在该情况下为50％)的脉冲宽度调制pwm类型信号。在该情况下，占空比对应于目标状态信号ts或从其导出。由于控制信号cs能够被视为包括比特信号的比特流，因此该示例意味着控制信号cs的第一半段由高值(即“1”)的比特信号形成，而控制信号cs的第二半段由低值(即“0”)的比特信号形成。因此，控制信号cs的该示例控制电流源11以在预定时间段的第一半段启用电流输出并且在预定时间段的第二半段禁用电流输出。控制信号cs的比特信号可以以至少1mhz的采样率、尤其是2.4mhz的采样率提供给电流源11。例如，该采样率等于deltasigma调制器的采样率。
45.图5中的控制信号cs的中央示例表示脉冲密度调制pdm类型信号，该信号的占空比对应于前一示例的占空比，即也是50％。与pwm类型信号相比，具有相同占空比的pdm类型信号包括相同量的高值比特值和低值比特值，然而，pdm信号在低值与高值之间切换更频繁。通常，脉冲密度调制器的输出表示pdm类型信号。
46.图5中的控制信号cs的最底部的示例表示pdm和pwm的组合。尤其是，所示信号是另外已被脉冲宽度调制的pdm类型信号。在这个意义上，pwm可以被视为应用于pdm类型信号的高分辨率pwm。
47.如所述的图1至图4中所示的调谐装置1的实施例代表示例性实施例，因此它们不构成根据本改进概念的所有实施例的完整列表。例如，实际的调谐装置可以在附加部件和配置方面与所示实施例不同。
48.用于调谐vcsel20的发射波长的调谐装置1可以方便地用于需要来自被调谐到特定目标波长的vcsel20的光学辐射的各种应用中。可能的应用包括例如在计算设备(诸如膝上型计算机、笔记本电脑和平板计算机)中、以及在其中用于附加部件的空间极其有限的便携式通信设备(如智能手机和智能手表、头戴式耳机和入耳式耳机)中用作用于语音识别和深度学习目的的声学麦克风的高灵敏度光学位移传感器。其他应用包括医疗传感器和配置为测量表面振动的传感器。
49.附图标记说明
50.1调谐装置
51.10deltasigma调制器
52.11电流源
53.12输入处理器
54.13调制器
55.20vcsel
56.as实际状态信号
57.bs比特流
58.cs控制信号
59.is输入信号
60.ts目标状态信号
61.pdm脉冲密度调制
62.pwm脉冲宽度调制
63.pdm+pwm具有pwm的pdm。