光源系统的制作方法

要求优先权

本申请是2020年2月3日提交的美国专利申请序列号16/780,761(代理人案卷号3867.722us1)的部分延续，以及于2020年2月3日提交d美国专利申请序列no.16/780,735的部分继续(代理人案卷号3867.723us1)，要求每个案子的优先权的权益，并在此全文引入作为参考。

本公开涉及一种光源系统，其可以例如用作飞行时间相机系统中的光源。

背景技术：

飞行时间(tof)摄像头系统是一种范围成像系统，可通过测量tof摄像头系统发出的光信号的往返时间来解析摄像头与物体之间的距离。该系统通常包括光源(例如激光器或led)、控制来自光源的光的光源驱动器、用于对对象反射的光进行成像的图像传感器、用于控制图像传感器的操作的图像传感器驱动器、对从光源发出的光进行整形并将物体反射的光聚焦到图像传感器上的光学器件、和计算单元，该计算单元被配置为通过确定从光源发出的光与从对象产生的相应反射之间的时间来确定到对象的距离。

tof相机系统可以测量的距离范围从几厘米到100到1000或1000米。鉴于光的高速度，光的发射与反射光的接收之间的时间差仅为16.66ns，对应于来自摄像系统的2.5m物体。因此，tof相机系统需要高水平的时间精度和控制才能准确地测量距离。

技术实现要素：

本发明涉及一种适用于飞行时间相机的光源系统。光源系统包括光源，例如激光器，以及驱动器，该驱动器被布置为向光源提供驱动电流以打开光源以发光。该驱动器包括串联耦合到光源的两个晶体管，使得当两个晶体管都导通时，驱动电路完成，电流流动并且光源导通。通过将一个晶体管切换到导通状态以完成驱动电路，并在短时间内关闭另一个晶体管以断开驱动电路，可以有效地实现非常短的发光脉冲。以这种方式，可以实现小于1纳秒或小于500皮秒的量级的光脉冲。由于光源的开启特性，例如由于vcsel的阈值电平，发光的持续时间可能比电流的持续时间短。

本公开还包括一种光源系统，该光源系统包括诸如激光器的光源，以及驱动器，该驱动器被布置成向该光源供应驱动电流以使该光源开启以发光。驱动器包括电容器以存储能量，然后放电以产生驱动电流，并且驱动器被集成到安装有光源的半导体芯片中。因此，驱动器中包含用于驱动电流的能量源，并且光源和驱动器非常靠近，这意味着可以以相对大的驱动电流非常快速地打开和关闭光源，以便输出高光功率、短持续时间的光脉冲。

在本公开的第一方面，提供激光光源系统，包括：激光光源；第一晶体管器件，耦合到所述激光光源；第二晶体管器件，耦合到所述激光光源，其中所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件被布置成使得当所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件都处于导通状态时，激光驱动电路完成，并且激光驱动电流流过所述激光光源；和控制器，布置用于控制第一开关的状态和第二开关的状态，其中所述控制器被配置为通过以下方式控制来自所述激光光源的光的脉冲发射：a)在所述第二晶体管器件处于截止状态时接通所述第一晶体管器件；b)在接通所述第一晶体管器件之后，通过接通所述第二晶体管器件以使所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件都处于导通状态来导通所述激光光源；和c)在接通所述第二晶体管器件之后，通过关闭所述第一晶体管器件来关闭激光光源。

控制器可被配置为在所述第二晶体管器件仍处于导通状态时通过关闭所述第一晶体管器件来关闭所述激光光源。

激光光源系统可进一步被配置为：d)在关闭所述第一晶体管器件之后，通过关闭所述第二晶体管器件以使所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件都处于截止状态来复位所述激光光源系统。

接通第一晶体管可包括：通过向所述第一晶体管的控制端子施加导通电压来对所述第一晶体管进行预充电，以对与所述第一晶体管的控制端子相关的电容进行充电；和除去施加到所述第一晶体管的控制端子的导通电压，使得所述第一晶体管通过与所述第一晶体管的控制端子相关的电容保持在导通状态。

与所述第一晶体管的控制端子相关的电容可以是所述第一晶体管的寄生电容。

激光光源系统还可包括预充电晶体管，用于控制将导通电压施加到所述第一晶体管的控制端子，并且所述控制器可被配置为通过控制所述预充电晶体管的状态来施加导通电压并去除导通电压。

关闭第一晶体管可包括使与所述第一晶体管的控制端子相关的电容放电。

激光光源系统还可包括用于控制与所述第一晶体管的控制端子相关的电容的放电的截止晶体管，其中所述控制器可被配置为通过使用截止控制信号控制截止晶体管的状态来释放与所述第一晶体管的控制端子相关的电容。

激光光源系统还可包括在电容放电路径中的共源共栅晶体管。

接通电压的幅度可大于用于提供激光驱动电流的激光驱动电压的幅度。

激光光源系统还可包括：自举电容器，其中，所述自举电容器的第一极板耦合到所述第一晶体管的控制端子，并且所述自举电容器的第二极板耦合到所述控制器；和其中所述控制器还被配置为在接通第二晶体管器件之前向所述自举电容器的第二极板施加自举电压，以将所述第一晶体管的控制端子处的电压幅度增加到大于所述导通电压的幅度。

所述控制器可被配置为：产生用于控制所述第一晶体管的状态的第一控制信号；和产生第二控制信号以控制所述第二晶体管的状态，其中所述控制器被配置为通过设置使所述第二晶体管导通的第二控制信号的变化与使所述第一晶体管截止的第一控制信号的变化之间的时间差，来控制来自所述激光光源的光的脉冲发射的持续时间。

所述控制器可被配置为控制所述激光光源发射持续时间小于1纳秒、或小于800皮秒、或小于500皮秒、或小于200皮秒的激光脉冲。

激光光源系统还可包括放电晶体管，耦合到所述激光光源，并被安排为大约在关闭所述第一晶体管器件时产生放电路径(例如在关闭第一个晶体管的同时，或在关闭第一个晶体管器件后不久的某个时间)，以放电与所述激光光源相关的寄生电荷。

在本公开的第二方面，提供一种用于耦合到包括第一晶体管、第二晶体管和激光光源的激光驱动电路的激光光源控制器，其中所述激光光源控制器被配置为：输出用于控制所述第一晶体管的第一控制信号；和将第二控制信号输出到耦合到所述激光光源的第二晶体管，其中所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述激光光源串联排列为使得当所述第一晶体管和所述第二晶体管都导通时，所述激光光源导通，其中所述激光光源控制器被配置为通过以下方式控制来自所述激光光源的光的脉冲发射：a)当所述第二晶体管器件处于非导通状态时，使用第一控制信号将所述第一晶体管设置为导通状态；b)在将所述第一晶体管设置为导通状态之后，通过使用第二控制信号将所述第二晶体管设置为导通状态以使所述第一晶体管器件和所述第二晶体管器件都导通来导通所述激光光源；和c)在将所述第二晶体管设置为导通状态之后，通过将所述第一晶体管设置为非导通状态来截止所述激光光源。

所述第一控制信号可用于将所述第一晶体管从非导通状态切换到导通状态，并且其中所述激光光源控制器可被进一步配置为输出用于将所述第一晶体管从导通状态切换到非导通状态的第三控制信号，其中所述激光光源控制器被配置为使用所述第三控制信号将所述第一晶体管设置为非导通状态。

激光光源控制器可进一步被配置为基于目标发光持续时间来控制将所述第二晶体管设置为导通状态与将所述第一晶体管设置为非导通状态之间的时间差。

在本公开的第三方面，提供一种用于控制来自激光光源的光的脉冲发射的方法，包括：将与所述激光光源串联耦合的第一晶体管设置成导通状态，而与所述激光光源串联耦合的第二晶体管处于不导通状态；通过将所述第二晶体管设置为导通状态以使所述第一晶体管和所述第二晶体管都导通来导通所述激光光源；和通过将所述第一晶体管设置为非导通状态来关闭所述激光光源。

该方法可以进一步包括：在将所述第一晶体管设置为非导通状态之后，将所述第二晶体管设置为非导通状态，使得所述第一晶体管和所述第二晶体管都处于非导通状态。

可以通过将第二晶体管设置为导通状态与将第一晶体管设置为非导通状态之间的时间差来设置来自激光光源的光的脉冲发射的持续时间。由于光源的开启特性以及由于需要充电才能达到光的发光条件的寄生效应，光脉冲的持续时间可以短于通过光源的传导时间的持续时间。

来自激光光源的光的脉冲发射的持续时间可以小于500皮秒或小于200皮秒。

在本公开的第四方面，提供提供一种光源系统，包括：光源；半导体芯片，其上安装有光源；第一驱动器，其耦合到光源并被配置为控制向光源的第一驱动电流的供应以控制光源的操作，其中第一驱动器包括用于存储电能的第一电容器，以用于产生第一驱动器电流，其中第一驱动器包括集成在半导体芯片中的第一开关，用于控制向光源的第一驱动电流的供应。。

第一驱动器可以被配置为：在充电状态下操作，在该充电状态下，第一电容器存储从电源接收的电荷；和在发射状态下操作，在该发射状态下，第一电容器放电以产生第一驱动电流，该第一驱动电流被提供给光源以打开光源。

可以根据所需的第一驱动电流的大小和/或所需的第一驱动电流的持续时间和/或充电状态与发射状态之间的占空比来将第一电容器设置为任何合适的尺寸(即，电容)。

第一驱动电流的至少95％可以从存储在第一电容器中的电能中获得。

第一驱动器还可包括第一开关，该第一开关被配置为：在发射状态期间，闭合包括第一电容器和光源的第一驱动电流电路，以在光源和第一驱动器之间传送第一驱动电流；并且在充电状态下，在充电状态下断开第一驱动电流电路，以停止向光源提供第一驱动电流。

所述第一开关可以耦合在所述光源的阴极端子与所述第一驱动器的参考电压之间，并且其中所述第一电容器耦合在所述光源的阳极端子与所述第一驱动器的参考电压之间。

光源系统可以进一步包括控制器，该控制器被配置为控制第一开关，以控制第一驱动器在充电状态和发射状态之间的切换。

所述第一开关可以包括第一晶体管，所述控制器被配置为通过控制在所述第一晶体管的栅极/基极端子处的第一晶体管驱动器信号来控制所述第一开关的操作。

光源系统可以进一步包括导通的预驱动器，其中，控制器被配置为通过使用导通预驱动器向第一晶体管的栅极/基极施加导通信号来导通第一晶体管，以便将第一驱动器从充电状态转换为发射状态。

光源系统可以进一步包括耦合到第一电容器和开启预驱动器的调压器，其中电压调节器被配置为：从第一电容器接收能量；以及至少在第一驱动器从充电状态过渡到发射状态期间，将调节电压提供给接通预驱动器。

光源系统可以进一步包括导通的预驱动器，其中控制器被配置为通过使用截止预驱动器向第一晶体管的栅极/基极施加截止信号来截止第一晶体管，以便将第一驱动器从发射状态转变为充电状态。

为了将第一驱动器从发射状态转换到充电状态，控制器可以被配置为在第一时间段内将导通信号和截止信号都施加到第一晶体管的栅极/基极端子，然后在第二时间段内仅将截止信号施加到第一晶体管的栅极/基极。

光源系统可以进一步包括布置成检测从光源发射的光的光电检测器，其中，光源系统还被配置为仅在前一个发射状态期间光电检测器检测到从光源发射的光时才对第一电容器充电。

光源可以包括激光器，例如垂直腔表面发射激光器或堆叠的边缘发射激光器。

光源可包括在光源的第一表面上的第一极性的至少一个端子和在光源的第二表面上的第二极性的至少一个端子，其中第一驱动器耦接至第一极性的至少一个端子与第二极性的至少一个端子，以使第一驱动电流可流经光源以开启光源。

光源的第二表面可以固定到半导体芯片的第一表面，并且其中第一驱动器通过第一多条焊线耦合到第一多个的至少一个端子。

光源可以包括第一极性的第一端子，第一极性的第二端子和第二极性的至少一个第三端子，并且其中第一驱动器耦合到第一端子和第三端子，使得第一驱动电流可以在第一端子和第三端子之间流动以打开光源，以及其中半导体芯片还包括耦合到第二端子和第三端子的集成第二驱动器，其中第二驱动器被配置为控制第二驱动电流到光源的供应，使得第二驱动电流可以在第二端子和第三端子之间流动以打开光源，其中第二驱动器包括第二电容器，第二电容器用于存储电能以用于产生第二驱动电流。

第二驱动电流的至少95％可以从第二电容器中存储的电能中获得。

第一端子和第二端子可以被布置在光源上，使得它们关于对称平面基本对称，其中第一驱动器和第二驱动器被布置在芯片内，使得它们关于对称平面基本对称。

在本公开的第五方面中，提供提供一种飞行时间相机系统，包括：光源系统，包括：用于向要成像的物体发射光的光源；以及半导体芯片，其上安装有光源；第一驱动器，耦合到光源并被配置为控制向光源的第一驱动电流的供应以控制光源的操作，其中，第一驱动器包括用于存储电能的第一电容器，以用于产生电能；第一驱动电流；光电探测器，用于接收从物体反射到成像的光。

在本公开的第六方面中，提供一种用于耦合至光源以驱动该光源的驱动器，该驱动器包括：至少一个电容器，用于存储电荷；可控开关，用于在充电状态和发射状态之间切换驱动器；连接至所述可控开关的导通预驱动器，其中，所述导通预驱动器被配置为当从充电状态转变为发射状态时用于控制所述可控开关；和电压调节器，耦合到所述至少一个电容器和所述开启预驱动器，并被配置为向所述开启预驱动器提供经调节的电压，其中驱动器被配置为使得在充电状态下，至少一个电容器存储电荷，并且在发射状态下，至少一个电容器放电器将驱动电流提供给光源以打开光源。

驱动器可以被配置为耦合到电源，使得在充电状态期间，至少一个电容器存储从电源接收的电荷。

在本公开的第七方面，提供了一种光源系统，包括：光源；以及包括集成的第一驱动器的半导体芯片，其中，所述光源安装在所述半导体芯片上，并且所述第一驱动器耦合至所述光源，并且被配置为控制向所述光源的第一驱动电流的供应，以控制所述光源的操作，其中第一驱动器包括用于存储电能以产生第一驱动电流的第一电容器。

附图说明

参考以下附图，仅以示例的方式描述了本公开的各方面，其中：

图1示出了根据本公开的一个方面的光源系统的示例表示；

图2a示出了安装在图1的光源系统的半导体芯片120上的vcsel110的布置的视图；

图2b示出了安装在图1的光源系统的半导体芯片120上的vcsel110的布置的另一视图；

图3示出了表示图1的光源系统的vcsel的驱动电流和从vcsel输出的光的光功率的示例图。

图4示出了图1的光源系统的示例实施方式的细节的示意图。

图5示出了由图4所示的第一驱动器产生的第一驱动电流的示例表示。

图6示出了图1的光源系统的另一示例实施方式的细节的示意图。

图7示出了图1的光源系统的另一示例实施方式的细节的示意图。

图8a示出了根据本公开的一个方面的另一光源系统的简化表示；

图8b示出了图8a的光源系统的控制定时的示例表示；

图9示出了根据本公开的一个方面的另一光源系统的示例表示；

图10示出了用于控制来自图9的光源系统的光的脉冲发射的示例处理步骤；

图11示出了图9的光源系统的控制定时的示例表示。

图12a和12b示出了图9的系统的示例性实施方式的表示和控制定时；

图13a和13b示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示和控制定时；

图14a和14b示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示和控制定时；

图15a和15b示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示和控制定时；

图16a和16b示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示和控制定时；

图17a和17b示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示和控制定时；

图18示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示。和

图19示出了图9的系统的另一示例实施方式的表示。

具体实施方式

许多因素可能会影响tof摄像头系统测量物体距离的精度。这些因素之一是从光源发出的光的性质。系统知道发光时刻的准确性可能会影响系统确定与物体的距离的准确性。例如，如果系统认为它发出光的那一刻与接收到反射光的那一刻之间的时间差是20ns，则将确定大约3m的物距。但是，如果实际上在系统认为发生之后才发生了0.4ns的光发射，则实际上光发射和光反射之间的真实时间差约为19.6ns，这相当于2.94m的物距。对于许多安全性至关重要的应用，此大小的错误可能会很严重。

发明人已经认识到，如果控制光源以发射非常短的光脉冲(大约100ps或更小)，则可以提高tof相机系统的精度。较长的发光脉冲可能使不清楚反射光是否对应于在发光脉冲的最开始，中间或最末端发射的光子。为了解决这个问题，可以收集更多样本以帮助使激光的形状退卷积，但这会降低系统速度并消耗更多功率。但是，如果发光脉冲非常短(例如小于100ps)，则表示最大不确定度为0.1ns，这对于大多数应用是可以接受的。因此，可以更加确定地测量光的发射与光的相应反射之间的时间。

为了实现非常快速地打开光源，发明人已经确定高电流光源驱动信号可能是有益的。用相对较高的，较短持续时间的电流脉冲驱动光源应缩短输出光脉冲的持续时间，并增加峰值光功率输出。发明人已经认识到，该较高的峰值光功率可以在改善tof相机系统的精度方面带来进一步的益处。特别是，许多安全法规限制了从tof摄像头系统发出的平均光功率，而对峰值光功率输出没有限制。通过减少发光持续时间，系统可以发射更高的光功率，同时保持在安全规定之内。发射具有较高峰值光功率的光可能有助于改善tof摄像系统的范围和精度。

然而，在驱动光源发出非常短的高光功率光脉冲时存在许多挑战。可能需要非常短的高电流驱动信号来驱动光源，这可能对提供驱动电流的电源/源提出相当大的要求，并且可能影响也正在使用该电源的其他电气组件。例如，如果tof摄像头系统集成在移动电话中，则在很短的时间内消耗相对较高的电流而又不影响手机的任何其他组件或功能，可能需要在手机内使用非常高质量、昂贵的电源系统。此外，如果tof相机系统以相对较高的电流脉冲工作，则如果出现系统故障/故障，则相对较高的电流可能对tof摄像头系统和/或附近的设备/组件和/或tof摄像头系统的操作员构成安全风险。

除此之外，为了实现这种短的发光脉冲，应该快速且精确地打开和关闭激光源。光源驱动器电路中的固有电阻和电感不仅会导致电损耗(从而增加从光源获得特定光功率所需的电流量)，还会减慢电流水平之间的电路转换，从而减慢开启和关闭的速度。此外，快速切换控制组件(例如晶体管)可能非常具有挑战性，并且可能导致大量额外的功耗。

考虑到所有这些挑战，发明人设计了一种适用于tof相机系统的光源系统。在光源系统中，至少一部分光源驱动器(例如，用于控制电流以驱动光源的开关)集成到半导体芯片中，并且包括电容器(可以集成在半导体芯片中或安装在其上)作为电容器，用于产生电流以驱动光源的能源。驱动器的设计应使电容器可以使用相对较低电流的电源/源逐渐充电，然后迅速放电以提供电流驱动光源所需的大部分(如果不是全部)能量(例如，至少有95％(例如96％或98％或100％)的驱动光源的电流可能来自放电电容器。结果，可以产生相对高的光源驱动电流，而不会显着影响低电流电源/源。此外，光源被安装在半导体芯片上或堆叠在半导体芯片上，使得驱动器与光源之间的物理距离最小。通过最小化驱动器与光源之间的距离，可以减小驱动器与光源之间的电流路径的物理长度，从而减小电阻和电感。此外，通过使用电容器来提供驱动器电流所需的大部分(如果不是全部)能量(例如至少95％)，与使用驱动器电流相比，可以减小承载驱动器电流的电路环路的物理尺寸。独立/外部电源单元，甚至进一步降低了电阻和电感。以这种方式使用电容器的另一个好处是，如果出现系统故障/故障，则仅有限量的能量可用于产生高电流，这将改善整个设备的安全性。

另外，发明人已经开发了一种用于在驱动电流的电流路径中使用两个初级晶体管来控制光源的开启和关闭的电路。安排电路，使得如果任一晶体管关闭(不导通)，则驱动电流的电流路径断开。以此方式，为了控制来自光源的非常短的持续时间的光脉冲，可以控制电路以导通第一个主晶体管，然后在以后的时间导通第二个主晶体管，届时电流路径将完成并且光源关闭。在与光脉冲的目标持续时间相对应的短时间之后，第一晶体管截止，从而断开电流路径并关闭光源。通过导通一个晶体管来启动光脉冲的开始，并在不久之后通过关闭另一个晶体管来结束光脉冲，则无需非常快速地导通然后关断同一电流路径晶体管。这减少了与快速导通然后关断晶体管有关的功耗，从而减少了与发射光脉冲有关的总功耗。由于光源的开启特性以及由于需要充电才能达到光的发光条件的寄生效应，光脉冲的持续时间可能比通过光源的传导时间的持续时间短。

图1示出了根据本公开的一个方面的适用于tof系统的光源系统100的示例表示。光源系统100包括光源110，在此示例中为垂直腔表面发射激光器(vcsel)，以及半导体芯片120，例如cmos硅芯片、gan芯片或gaas芯片等。在整个本公开中，光源110通常将被称为vcsel，尽管应当理解，可以替代地使用任何其他合适类型的光源，例如其他类型的激光器(例如，堆叠边缘发射激光器)或任何合适类型的led。

vcsel包括从其发射光的第一表面112和与第一表面112相对的第二表面114。第一表面112包括第一极性的第一端子116和第二端子118，在该示例中，第一极性是vcsel二极管的阳极。第二表面114包括具有第二极性的一个或多个第三端子，在该示例中，第二极性是vcsel二极管的阴极。vcsel110被安装在半导体芯片120上或堆叠在半导体芯片120上。vcsel110的第二表面114被安装在半导体芯片120的第一表面122上，并且使用键合材料150和电互连键合到半导体芯片120的第一表面122的电连接，使得在vcsel110的一个或多个第三端子与第一和第二驱动器130和140之间形成电连接。为此可以使用任何合适的结合材料150和结合技术，例如环氧或共晶结合。

光源系统100包括第一驱动器130和第二驱动器140。在该示例中，第一驱动器130和第二驱动器140被集成在半导体芯片130中。第一驱动器130被配置为控制向vcsel110的第一驱动电流136的供应，以控制vcsel110的操作(即，用于控制从vcsel110发光)。第二驱动器140被配置为控制向vcsel110的第二驱动电流146的供应，以控制vcsel110的操作(即，用于控制来自vcsel110的发光)。第一驱动器130包括第一开关134，其在该示例中是第一fet，用于控制第一驱动电流136的流动，第二驱动器140包括第二开关146，其在该示例中是第二fet，用于控制第二驱动电流146的流动。第一驱动器130通过一个或多个第一键合线152电耦合到vcsel110的第一端子116(尽管可选地，可以使用任何其他合适形式的电耦合，例如，取决于vcsel110的设计)。第二驱动器140通过一个或多个第二键合线154电耦合到vcsel110的第二端子118(尽管可替代地，可以使用任何其他合适形式的电耦合，例如，取决于vcsel110的设计)。当足够大的第一驱动电流136和/或第二驱动电流146流过vcsel110时，vcsel110将导通并被激发以发射激光并因此发光。当没有驱动电流或驱动电流不足时，流过vcsel110，则不应发光，并且vcsel有效关闭。在本公开的后面将给出第一驱动器130和第二驱动器140的操作的更多细节。

图2a和2b示出了安装在半导体芯片120上的vcsel110的布置的不同视图。可以看出，在该示例中，存在八个第一键合线152和八个第二键合线154，尽管可以使用任何数量的第一键合线152和第二键合线154(例如，一个、两个、三个等)。对于给定尺寸的第一端子116和第二端子118，可能优选地使用尽可能多的第一键合线152和第二键合线154。通过这样做，第一驱动电流136和第二驱动电流146的电阻可被最小化，从而提高了光源系统110的功率效率，并且最大化了传递到vcsel110的驱动电流的量。

图3显示了表示驱动电流(标记为vcsel电流)和从vcsel110输出的光的光功率的曲线图。可以看出，在此示例中，驱动器130、140可以产生大约290ps的驱动电流脉冲持续时间，其可以以大约30ps的有效持续时间激发来自vcsel110的光脉冲发射。将会意识到，由于vcsel110中的激光延迟，驱动电流脉冲持续时间比光脉冲持续时间更长。还将理解，这仅仅是驱动电流和光脉冲持续时间的一个非限制性示例，并且光源系统100可以被配置为以不同的持续时间进行操作。

将vcsel110安装在半导体芯片120上可能是违反直觉的，特别是当由于散热困难而意图使驱动电流相对较高时(例如，>1a或>3a或>5a或>8a或>10a)。当驱动电流流动时，vcsel110和驱动器130和140可能会产生大量的热量，理想情况下，该热量应迅速而有效地散发，以避免器件损坏和退化。可以预期，将vcsel110堆叠在半导体芯片120的顶部可能会使散热变得更加困难。

然而，发明人已经认识到，通过将vcsel110安装在半导体芯片120上，可以使vcsel110与驱动器130、140之间的物理距离最小。因此，由vcsel110、第一电容器132和第一开关134形成以承载第一驱动电流136的第一驱动电流电路可以明显小于其他布置(例如，其中vcsel110和第一驱动器130通过接合线并排地载运电流到vcsel110和从vcsel110载出电流的键合线并排安装在pcb基板上的布置)。同样，由vcsel110、第二电容器142和第二开关144形成的第二驱动电流电路的尺寸也是如此。承载相对较高的驱动电流的电路尺寸的这种减小可以减小电路的电阻和电感，这可以减小电路损耗并提高驱动电流以及vcsel110可以打开和关闭的速度。这使得能够将驱动电流生成为非常短的持续时间脉冲，从而导致来自vcsel110的非常短的持续时间脉冲。由于光源的开启特性以及由于需要充电才能达到光的发光条件的寄生效应，光脉冲的持续时间可能比通过光源的传导时间的持续时间短。因此，通过实现图1、2a、2b中表示的堆叠布置，较短的持续时间(例如<200ps或<150ps或<100ps或<80ps或<50ps)，vcsel110可以输出较高的光功率脉冲。如先前所解释的，为了实现来自vcsel110的相对较短持续时间的光输出，可能需要持续时间稍长的驱动电流脉冲，例如要获得30ps的光脉冲，可能需要300ps持续时间的第一驱动电流136。

这不仅可以提高使用光源系统100的tof系统的精度，而且出乎意料地认识到，由于通过这种布置实现的电流持续时间短，因此散热实际上可能不像最初被认为的那样严重。tof系统可以通过发光一段时间并随后关闭一段时间来进行操作。例如，spad直接tof系统的典型发光持续时间可以是每0.2μs约1-3ns的脉冲持续时间，代表发光：无发光的占空比约为1：100。连续波(cw)间接tof系统的典型发光持续时间可以是每2ms约100-200ns，表示占空比约为1:20到1:10。然而，在本公开中，因为已经实现了这样的短的高光功率光脉冲，所以可以实现至少1：1,000，例如1：5,000或1：10,000的占空比。例如，图3中表示的大约30ps的光脉冲对应于大约1：30,000的占空比。因此，在相对较长的时间段内，光源系统100不产生热量，在此期间，在循环的发射部分产生的热量可能会逐渐散发到周围的环境和芯片的主体(以及耦合到芯片的任何其他材料)中。

在图1、2a和2b表示的示例中，vcsel110具有两个极性相同的端子116和118，其被布置为关于对称平面基本对称。在该示例中，对称平面大致垂直于vcsel110的第一表面112和第二表面114延伸，并大致穿过第一表面112和第二表面114的中间，使得第一端子116在对称平面的一侧，第二端子118是其镜像在对称平面的另一侧。发明人已经认识到，可以以这样的方式布置第一驱动器130和第二驱动器140的组件，使得它们关于对称平面基本或近似对称(如图1所示)。因此，第一驱动电流136的路径/回路的方向与第二驱动电流146的方向/回路基本上相反(例如，第一驱动电流136的路径可以是顺时针方向，第二驱动电流146的路径可以是逆时针方向)。结果，由电流路径/回路之一产生的em辐射可以被另一电流路径/回路所产生的em辐射基本上或至少部分地抵消，特别是在远场。因此，即使当驱动电流相对较高时，来自光源系统100的rf发射(由产生射频频率的光脉冲的光源系统100所引起)也可以减少并保持可接受的低。这意味着光源系统100不应对附近的其他电气设备/组件产生负面影响，也不应违反rf发射法规。应当理解，尽管这种对称布置可以具有益处，但是这种布置不是必不可少的，并且第一驱动器130和第二驱动器140可以以任何其他合适的方式相对地布置。

图4示出了光源系统110的示例细节的示意性表示。该表示提供了第一驱动器130的示例实现的进一步的细节，以帮助说明第一驱动器130的操作，以便控制向vcsel110的第一驱动电流136的供应。在该示例中，第一驱动器130进一步包括电压调节器410(可以以本领域技术人员已知的任何合适方式来实现)，开启预驱动器420，关闭前置驱动器422和用作第一开关134的fet440。光源系统110还包括配置为控制第一驱动器130在充电状态和发射状态之间的切换的控制器430。控制器430可以以任何合适的方式实现，例如，实现为集成在半导体芯片420或其他地方的逻辑，或者使用配置为如下所述操作的微控制器，或者配置为如下所述操作的处理器的任何其他形式。同样地，开启预驱动器420和关闭预驱动器422可以以本领域技术人员已知的任何适当方式来实现，例如，作为缓冲器和/或数字缓冲器和/或放大器。

第一驱动器130耦合到电源/源pvdd和pvss，其可以是相对低电流的电源(例如，第一驱动器电路130可以从电源汲取小于50ma或小于30ma的电流，例如小于20ma的典型平均电流)。当第一驱动器130处于充电状态时，fet440被关断(即，第一开关134断开)，使得流经vcsel110的电流为0a或基本为0a(即，足够低以至于vcsel110不会发出任何光)。电源可以是第一驱动器130可以耦合到的任何合适的电源。例如，如果光源系统100被包括为较大的设备/系统(诸如移动设备)的一部分，则电源可以是该较大的设备系统(诸如移动设备的电池)的电源。在充电状态期间，第一电容器130通过电源逐渐充电。

当期望光脉冲发射时，第一驱动器130可以从充电状态转变为发射状态。为了控制该转变，控制器430可以使用控制线434和/或436来控制fet440的操作。例如，控制器430可以经由其输入线432(其可以采用任何适当的形式，例如它可以是lvds差分信号)接收指令以开始从vcsel110发出光脉冲。控制器430然后可以驱动控制线434，使得导通的预驱动器420向fet440的栅极施加导通信号，以便导通fet440(即，闭合第一开关134)。在该示例中，导通信号是超过fet440的导通阈值电压的电压信号。在该示例中使用导通预驱动器420，因为在导通时将流经fet440的第一驱动电流136应该相对较大(例如，在大约5a和12a之间，例如>8a或>10a)，因此fet440应该是相对较高功率的fet440。大多数控制器可能无法向fet440提供足够大的驱动信号以导通fet440，或者至少不能提供足够大的驱动信号以使fet440足够快地导通以实现从截止到导通的快速过渡。因此，导通预驱动器420有效地起作用以将由控制器430在控制线434上设置的信号增加到足以驱动fet440快速导通的电平。

在这种布置中，导通的预驱动器420和截止的预驱动器422所消耗的功率由电压调节器410提供，该电压调节器又从电容器132的放电中汲取了大部分(如果不是全部)的功率。通过以这种方式布置，在充电状态和发射状态之间切换第一驱动器130所需的大部分(如果不是全部)电流保持在第一驱动器130内，并且没有从其他地方汲取，例如电源pvdd和pvss。较早地参考第一驱动电流136解释了从电容器132而不是外部源中抽取大部分(如果不是全部)所需能量的一些好处。此外，如果将电压调节器410和预驱动器也集成到芯片120中，则它们都可以彼此相对靠近并且与电容器132相对靠近，从而进一步提高了开关速度并减小了损耗。

当fet440导通时(即第一开关134闭合)，第一驱动器130处于发射状态，第一驱动电流电路闭合，从而第一驱动电流136在vcsel110之间流动。

可以看出，在第一驱动器130的该示例布置中，第一电容器132耦合在vcsel110的阳极端子与第一驱动器130的参考电压(在此示例中为接地，但参考电压也可以是任何其他合适的电压电平)之间(即，电容器132的一个端子耦合到vcsel110，而电容器132的另一端子耦合到参考电压)。尽管此特定配置不是必不可少的，但它的好处是vcsel110可以由第一驱动器130内的正电压驱动，这样驱动vcsel110不需要在第一驱动器130内产生负电压。这有利于简化第一转接器130的操作，并且使得第一转接器130的部件能够使用例如结隔离而集成在半导体芯片120中，并且不需要电介质隔离。

图5示出了流过第一驱动电流电路的第一驱动电流136的示例表示。在发射状态期间，第一电容器132放电以产生第一驱动电流136。因此，第一驱动电流136所需的大部分(如果不是全部)能量在驱动时间内由第一电容器132提供，例如如果不是有效地为零，则电源pvdd和pvss上的汲取非常低(例如，可以从电源汲取第一驱动电流136的<5％，或者<1％)。例如，放电的第一电容器132可以提供第一驱动电流136的至少95％，例如至少97％或至少99％。这样，第一驱动电流136的大部分(如果不是全部)保持在相对较小的第一驱动电流电路中的第一驱动器130内(即，没有从其他地方的电流汲取电流或没有从其他源汲取大量电流)。在一个替代实施方式中，当第一分流器130处于发射状态时，可以使用另外的开关将第一驱动器130与电源隔离，尽管在大多数实现中这不是必需的，因为第一电容器130在发射状态期间提供了太多的能量，以至于对电源的消耗微不足道。

通过以这种方式利用第一电容器132，第一电容器132可以在充电状态期间由电源逐渐、缓慢地充电，这不应以任何明显的方式影响电源。然后，第一电容器132可以放电以产生第一驱动电流136，使得电源可以有效地或完全不受相对较高的第一驱动电流136的影响。因此，电源可以是标准规格的，从而使成本最小化，并且可以被其他组件/系统使用而不受光源系统100的影响。此外，因为产生了第一驱动电流136有效地完全通过第一电容器132作为电源，第一电流驱动器电路保持相对较小(与从外部电源汲取第一驱动电流136的情况相比)，这减少了第一驱动电流136开始的延迟并提高了操作速度。

在发射状态期间，第一驱动器130可以被配置为使得第一电容器132可以在生成第一驱动电流136的过程中完全或仅部分地放电。在一些实施方式中，产生第一驱动电流136可仅导致存储在第一电容器132上的电荷的部分放电，从而使第一电容器132两端的电压降低(例如，降低几伏)，但是在发射状态结束时，第一电容器132两端仍然存在非零电压。在这种情况下，可以在发射状态之前，期间和/或之后监视电容器132两端的电压，从而可以确定在发射状态期间提供给vcsel110的第一驱动电流136的量。第一电容器132的尺寸可以根据所需的电压裕量(即在发射状态结束时电容器两端的期望电压)和/或电源pvss和pvdd的电压和/或所需的第一驱动电流水平和/或第一驱动电流的持续时间和/或发射状态与充电状态的占空比来设置为任何合适的值。作为非限制性示例，如果期望大约10a的第一驱动电流136，对于大约300ps的第一驱动电流持续时间，并且在大约3v的发射状态期间期望减小第一电容器132两端的电压，则第一电容器132可以具有大约3nf的电容。

此外，因为电容器132只能存储有限量的能量，所以如果系统中存在故障或故障，则相对较高的第一驱动电流136只能维持有限的相对较短的时间段。因此，与从较少受限制的电源汲取驱动电流的其他设备相比，光源系统100可以具有改善的安全性。

为了将第一驱动器130从发射状态转变为充电状态，fet440被关断(即，开关134被打开)，从而打开第一驱动电流电路并阻止第一驱动电流136流过vcsel110。为了控制该转变，控制器430可以使用控制线434和/或436来控制fet440的操作。例如，控制器430可以经由其输入线432接收指令以停止从vcsel110发射光脉冲。然后，控制器430可以将控制线434设置为将使fet440截止的电平，例如，将其设置为低于fet440的导通阈值电压的电压。控制器430还可以使用关闭预驱动器422将关闭信号施加到fet440的栅极，该关闭预驱动器可以被设计为在一个方向上具有非常高的驱动强度和速度(即，下拉fet440的栅极)。例如，因为在该实施方式中，关断预驱动器422是反相型预驱动器，所以控制器430可以将控制线436处的电压设置为“高”电压(例如3.3v或5v)，导致关闭预驱动器422的输出变为“低”(例如，至0v)。以这种方式使用关断预驱动器422，可以提高相对高电流的fet440可以关断的速度。发明人已经认识到，尽管可以同时进行对开启预驱动器420和关闭预驱动器422的控制，并且对于fet440可以实现相对较快的关闭速度，通过首先将截止信号施加到fet440的栅极可以实现更快的截止速度(使得在第一时间段内将导通信号和截止信号都施加到fet440的栅极)，然后随后去除导通信号，使得仅将截止信号施加到fet440的栅极端子达第二时间段。当将关闭预驱动器422设计为与开启预驱动器420的驱动强度相比具有相对较高的驱动强度时，可以特别实现该效果，这导致关闭的预驱动器422过驱动打开的预驱动器420。因此，关断预驱动器422的优异的驱动强度因此可以导致下拉fet440的栅极比以其他方式实现的更快。为了在第一时间段内用导通和关断信号来驱动fet440的栅极以关断fet440可能是不直观的，但是发明人仍然意识到，这样的驱动可以增加fet440的关断速度。

将意识到，开启预驱动器420和关闭预驱动器422中的每一个可以是反相或非反相类型，并且由控制器430施加到控制线434和436的信号被相应地设置。此外，将意识到，关断预驱动器422是可选的，并且可替代地，其可以整体上省略，其中仅仅通过改变施加到其栅极的电压来使fet440截止，使其低于fet440的导通阈值。

图6示出了第一驱动器130的示例性替代实施方式。该实施方式与图4和图5所示的实施方式类似，但是包括附加的开启预驱动器驱动器610、来自控制器430的附加控制线612和附加的fet620。fet620是一个较低的电流fet(例如，额定电流约为400ma，而fet440约为10a)，它用作vcsel的预偏置电压，以在fet440完全接通vcsel110之前，使相对较低的亚激光阈值电流流过vcsel110。因此，在期望vcsel110的导通之前，控制器612可以使用附加导通预驱动器620将导通电压施加到附加fet620的栅极(即，电压超过附加fet620的导通阈值电压)。一旦附加fet620导通，相对较低的电流就可以流过附加fet620(例如，大约400ma)。因为电流相对较低并且低于vcsel110的激射阈值，所以vcsel110将仍未开始发光。但是，理想情况下，当前水平将仅低于激射阈值。当vcsel110要导通时，如上所述，fet440可以导通，使得较高的第一驱动电流136可以流过第一驱动电流电路并导通vcsel110。然后，例如，一旦fet440完全导通，则控制器430可通过减小附加fet620处的栅极电压来关闭附加fet620。将理解的是，以这种方式使用附加的fet620可以加快控制器430开始导通fet440和从vcsel110发射的光之间的时间，因为fet440开始导通时，vcsel110将已经接近发射激光。

图7示出了光源系统110的各方面的另一替代实施方式的示例。该实施方式示出了仅包括第一电容器132、接通预驱动器420和fet440的第一驱动器130的简化实施方式。然而，将理解的是，第一驱动器130可以可替代地以图4、5或6所示的方式实现。

在该实施方式中，光电检测器710被配置为接收从vcsel110发射的光。例如，光电检测器710可以是用于tof成像的光电检测器，并且可以接收从vcsel110发出的一些杂散光，并通过设备光学封装直接反射回到光电二极管，这样它就可以检测到从vcsel110发出的光(而不仅仅是检测从被成像物体反射的光)。可替代地，可以以直接接收从vcsel110发射的光的方式来布置它。光电检测器710耦合到检测器720，检测器720被配置为输出指示光电检测器710是否已经接收到从vcsel110输出的光的信号722。然后，控制器430可以被配置为基于接收到的信号722控制电荷泵740的操作。特别地，如果控制器430将第一驱动器130转变为发射状态并且随后从检测器720接收到指示光电检测器710接收到从vcsel110输出的光的信号，则控制器430然后可以使用控制线732启用电荷泵740。在这种情况下，可以假设光源系统正常工作，并且当第一驱动器130接下来处于充电状态时，电荷泵740随后将可操作为第一电容器132充电。然而，如果检测器720没有输出指示光电检测器710已经接收到从vcsel110输出的光的信号722，则控制器430可以使用控制线732来禁用电荷泵740。然后，当第一驱动器130接下来处于充电状态时，电荷泵740可以不对第一电容器132充电，从而第一电容器132将不再存储更多能量以用于尝试驱动vcsel110。因此，光电检测器710可能尚未接收到从vcsel110发出的任何光，这是因为在光源系统中可能存在一些错误或故障，从而阻止了vcsel110正确地发光。由于光源系统可能用于对安全至关重要的tof应用中，或者故障的类型可能会对光源系统和/或附近的系统和/或操作人员造成电气危险，从而防止电容器进一步充电和从vcsel110发出企图的发射可能会提高光源系统的整体安全性。可选地，控制器430可以被配置为向任何其他合适的系统/实体输出故障警告。

尽管在此特定示例中使用了电荷泵740，但是基于从vcsel110发出的光的检测，可以使用任何其他合适的电路/组件来控制第一驱动器130与电源的连接/断开。例如，电荷泵740可以用由控制器430控制的开关(例如晶体管)代替，以将第一驱动器130与电源pvdd连接或断开。在另一替代方案中，代替使用电荷泵740，该电源可以是可控电源，例如开关模式电源，其可以由控制器430控制以向第一驱动器130提供或不提供功率。

尽管图4至图7以及以上说明仅涉及第一驱动器130，但是应当理解，第二驱动器140可以以完全相同的方式实现。光源系统100可以具有单个控制器430，该单个控制器430被配置为控制第一驱动器130和第二驱动器140的操作，使得它们各自在相同的时间产生第一驱动电流136和第二驱动电流146，或者第一驱动器130和第二驱动器140中的每一个都可以具有自己的控制器，该控制器如上所述进行操作。同样地，第一驱动器130和第二驱动器140中的每一个可以具有各自的电压调节器，或者可以使用单个电压调节器来给第一驱动器130和第二驱动器140两者中的预驱动器供电。

尽管图4至7所示的布置对于快速接通和断开vcsel110以实现非常短的高强度电流脉冲是有效的，但是发明人已经发现了开关控制的一些潜在缺点。特别是，很难快速地打开fet440，然后仅在很短的时间段内再次快速将其关闭。这是由于fet440是相对较大的fet440(需要用来处理将流过它的相对较大的驱动电流)的结果，这导致相对较大的寄生效应(特别是较大的栅极-漏极寄生效应)，这使得难以以短而受控的栅极信号来驱动fet440的栅极。例如，由于寄生效应，图7的布置中的控制线434上的开-关脉冲可以在fet440上具有控制较少、较长的栅极电压脉冲。这继而可能导致通过vcsel110的驱动电流的脉冲更长，控制得不太好。

如图4至图6所示，使用两个单独的信号434和436来控制fet440的导通切换和截止切换可以帮助改善这种情况，并且能够使fet440的栅极电压更快、更受控制地转变，因此驱动电流流经vcsel110。但是，这种布置可能会导致额外的功耗，这是由于两个信号在从发射状态到充电状态的转换过程中相互竞争而引起的(例如，当在光脉冲结束时关闭vcsel110时)。

图8a和8b显示了一些其他细节来帮助解释这一点。图8a的电路基于图4的电路，但是包括附加的pmos和附加的nmos，它们可以形成用于驱动fet440的栅极的预驱动器420和422的一部分。图8b的图形示出了如何产生导通脉冲434和截止脉冲的定时是fet440从截止到导通以及再次回到截止的相对快速的切换，从而导致相对较短且控制良好的驱动电流ilaser。但是，在关闭过程中，所表示的pmos和nmos可能会导通一段时间，因此彼此竞争。这会导致来自调节器的大电流直通电流同时流经pmos和nmos，从而导致大量的额外功耗。这在图8b中用“来自稳压器的过大电流”表示。

为了解决这个问题，发明人已经开发了一种驱动器电路的配置，该驱动器电路在驱动电流电路中包括两个初级晶体管，以便控制vcsel110的导通和截止。

图9示出了根据本公开的该方面的系统900的示例表示。系统900包括第一fet910、第二fet920和被配置为控制fet的操作的控制器930。控制器931被配置为输出用于控制第一fet910的状态的第一控制信号931和输出用于控制第二fet920的状态的第二控制信号932。系统900适合于以这样的方式耦合到vcsel110，使得当两个fet都处于导通状态(导通)时，激光驱动电路完成并且驱动电流ilaser可以流过vcsel110以使其导通。如果任一个fet都关闭，则激光驱动电路将断开，并且驱动电流将停止流动，从而导致vcsel110关闭。在该示例中，激光驱动电压为pvdd，并且电容器132提供大部分驱动电流，如下所述。然而，系统900可以与其他电源一起使用，例如可以省略电容器132，并且从一些其他外部电源(例如，一个提供pvdd的电源)供应驱动电流。

图10示出了控制来自vcsel110的光的脉冲发射的示例过程。在步骤s910中，控制器930使用第一控制信号931将第一fet910设置为导通状态(即，导通状态)，并且使用第二控制信号932将第二fet920设置为非导通状态(即，截止状态)。在该示例中，第一fet910是nmos，因此可以通过将信号931的电压从低信号转换为高信号来导通第一fet910(即，将信号电压从第一fet910的阈值开启电压以下增加到阈值开启电压以上)。通过简单地将信号932保持在第二fet920的阈值导通电压以下，可以将第二fet920保持在非导通状态。

在步骤s920中，控制器930使用第二控制信号932来接通vcsel110。在该示例中，因为第二fet920是nmos，所以控制器930可以通过将信号932的电压增加到第二fet920的开启阈值之上来完成此操作。现在两个fet都导通，使得激光驱动电路完成，并且激光驱动电流开始流过vcsel110，从而启动激光脉冲。

在步骤s930中，控制器930使用第一控制信号931关闭vcsel110，以将第一fet910设置为非导通状态。在该示例中，控制器930可以通过将信号931的电压减小到第一fet910的接通阈值以下来做到这一点。这将破坏激光器驱动电路，使得激光驱动电流停止流过vcsel110，并且激光脉冲结束。

在步骤s940中，控制器930可以通过使用第二控制信号932将第二fet920设置为非导通状态来重置系统900。在该示例中，控制器930可以通过将信号932的电压减小到第二fet920的接通阈值以下来实现这一点。然后，当需要另外的光脉冲时，过程可以返回到步骤s910。

在该过程中，通过改变第二fet920的状态(从截止到导通)来接通vcsel110，然后通过改变第一fet910的状态(从导通到截止)而截止。结果，不需要非常快速地将单个晶体管的状态从截止切换为导通，然后再次截止以实现来自vcsel110的相对短的光脉冲。在步骤s910中导通第一fet910与在步骤s920中导通第二fet920之间的时间段可以相对较长，以允许第一晶体管910在vcsel110导通之前完全导通。结果，在步骤s920中接通第二fet920之后不久，可以在步骤s930中直接关闭第一fet910。因此，在导通第二fet920与截止第一fet910之间的时间可以相对较短(例如，大约100皮秒或更小，例如小于1纳秒，或小于800皮秒，或小于500皮秒，或小于200皮秒，或小于100皮秒)，而不会遭受与快速切换单个fet440相关的高功耗的困扰。

图11示出了第一信号931和第二信号932的定时的示例表示。控制器930可以基于目标光脉冲发射持续时间来设置步骤s920与s930之间的时间段，这是因为步骤s920的转变与步骤s930的转变之间的时间差影响驱动电流流过vcsel110的时间，并且因此影响vcsel110导通并发光的时间。

图9的表示假设控制器930可以设置和控制足够大且强的信号以快速地改变fet的状态，特别是第二fet920的快速且受控的导通以及第一fet910的快速且受控的截止。但是，此假设可能并不总是合理的，特别是在fet相对较强/较大以便处理相对较大的驱动电流(例如，>1a或>3a或>5a或>8a或>10a)的情况下。现在将描述被设计为实现对fet的这种控制的各种进一步的详细配置。

图12a示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1200。图12b示出了由控制器930输出的控制信号的时序的示例表示，以便执行参考图10描述的处理。

系统1200类似于先前描述的系统900，但是包括一些用于控制初级fet910和920的操作的附加组件。控制器930输出用于控制预充电晶体管1210的状态的第一控制信号1211。在步骤s910中，第一控制信号1211可以用于通过导通预充电晶体管1210来导通第一fet910。在此示例中，预充电晶体管1210是pmos，因此控制器930通过将第一控制信号1211的电压降低到晶体管1210的导通阈值以下来导通晶体管1210。导通晶体管1210将导致导通电压被施加到第一fet910的栅极，在这种情况下，激光驱动电压pvdd被施加到第一fet910的栅极。这将通过对与fet910的控制端子(栅极)相关联的电容(例如，fet910的寄生栅极-源极电容，尽管它可以替代地是耦合在控制端子和沟道端子之间(例如在fet910的栅极和源极端子之间)的电容器)充电来对第一fet910进行预充电。在一段时间之后，控制器930可以使用第一控制信号1211来关闭预充电晶体管1210(例如，将电压增加至大约pvdd)，并且第一fet910将通过与第一fet910的控制端子相关联的充电电容而保持在导通状态。这可以在图12b中的第一控制信号1211和第一fet910的栅极的控制信号时序图中看到。通过以这种方式对第一fet910进行预充电来接通第一fet910，控制器930不需要输出任何特别大或强的信号来控制相对大/强的第一fet910的操作。此外，通过一旦完成预充电就关闭预充电晶体管1210，然后随后在步骤s930开启晶体管1240(稍后说明)，则没有时间将预充电晶体管1210和晶体管1240都导通。结果，应该没有通过晶体管1210和1240的直通电流，这可以显着降低与vcsel110的快速切换相关的功耗。此外，第一fet910的栅极电压可以通过相对较弱的晶体管1210增加到激光器电源电压。为了对fet910的栅极进行预充电，可能需要相对较长的时间(如图12b所示)，但这是可以接受的，因为由于在激光驱动电路的布置中，第一fet910的接通速度并不重要。可选地，第一控制信号1211可以通过由激光驱动电压pvdd供电的预驱动器，类似于先前描述的预分流器420或422。

在整个说明书中，将提及相对“弱”/“小”和“强”/“大”的晶体管。相对术语“弱”和“强”是指晶体管的相对驱动强度(即，对于给定的栅极驱动电压，晶体管可以输送多少电流)。与“强”晶体管相比，“弱”晶体管在给定的栅极驱动电压下提供相对较低的沟道电流。晶体管的相对强度可以通过晶体管的设计来控制，例如通过其w/l比来控制，这会影响漏极-源极电流方程式(饱和度近似为ids＝w/l*gm*(vgs-vt)²)。为了快速导通或关断相对强/大的fet910和920，fet910和920的栅极可能需要由相对大的栅极电流驱动，这通常可能需要相对强的驱动晶体管。然而，发明人已经认识到，在可能的情况下，优选的是，将驱动电路设计为使用相对较弱的晶体管来控制fet910和920的开关，并且尝试最小化用于对fet910和920进行开关的相对较强的晶体管的数量。根据本公开，为了驱动相对强的晶体管，可能需要具有至少0.5a的电流(例如1a或2a)的栅极信号。沟道电流可以在1a至100a的范围内。根据本公开，为了驱动相对弱的晶体管，可能需要小于100ma的栅极电流，例如50ma或25ma。相对较弱的晶体管的沟道电流可以高达大约300ma，例如100ma或200ma。因此，可以看出，可能希望在任何可能的地方都使用弱晶体管来控制第一和第二fet910和920的开关，以便最小化电流需求并潜在地通过控制信号实现直接栅极控制(如果控制器930可以输出具有足够电流的信号以驱动弱晶体管)。

在导通第一fet910之后，在步骤s920中，控制器930使用第二控制信号932导通第二fet920，从而导通vcsel110。这与先前参考图9所描述的非常相似，但是在图12a的布置中使用了一些其他的开关电路，以便快速导通相对较大/较强的第二fet920。特别地，推/拉晶体管1220和1230被配置为使得当第二fet920要被导通时，pmos1220被第二信号932导通并且nmos1230被第二信号截止。导通pmos1220并截止nmos1230导致从电压调节器410(先前描述)输出的调节电源电压被施加到第二fet920的栅极，以便快速导通第二fet920。pmos1220可以相对大/强，以便控制第二fet920的栅极上的足够大和强的信号。为了帮助控制相对大/强的fet，第二控制信号932可以通过预驱动器(其可以由从调节器410输出的调节电源电压供电，尽管为了简单起见在图12a中未示出)。在图12a中，将预驱动器表示为发明类型，但是如果第二控制信号932的信号电平转变的性质合适，则它可以是非反相的。此外，取决于晶体管1220的性质和从控制器930输出的控制信号的性质，预驱动器的使用是可选的。

将理解的是，在该布置中以及在下面描述的所有布置中，推/拉晶体管1220和1230是可选的。例如，第二控制信号932(或第二控制信号932通过的驱动器的输出)可能足够强以驱动第二fet920。

在步骤s930中，控制器930使用第三控制信号1214来截止第一fet910。第三控制信号控制截止晶体管1240。控制器930设置第三控制信号以导通晶体管1240，这导致与第一晶体管910的控制端子相关的电容被放电，从而截止第一fet910。为了实现第一fet910的相对较快的关断，截止晶体管1240可以相对较大/较强，使得其可以快速改变状态并快速使第一fet910的电容放电。因此，第三控制信号1214可以可选地通过预驱动器(取决于第三控制信号转变的性质，该预驱动器可以是反相的或非反相的)。在使用预驱动器的情况下，可以以任何适当的方式为预驱动器供电，例如由电压调节器410输出的调节电源电压供电。

在步骤s940中，控制器930通过关断晶体管1220并导通晶体管1230来使用第二控制信号932来关断第二fet920。这将第二fet920的栅极电压降低到其导通阈值电压以下，从而关断第二fet920。晶体管1230可以是相对较小/弱的晶体管，因为第二fet920的快速关断并不重要，因此fet920的缓慢关断是可以接受的(从图12b的控制信号时序中可以看出)。

图13a示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1300。图13b示出了由控制器930输出的控制信号的时序的示例性表示，以便执行参考图10描述的过程。

在这种布置中，第一fet910是pmos。系统1300还包括预充电电压调节器1310，该预充电电压调节器1310被设置为设置要施加到第一fet910的栅极以便在步骤s910期间将其导通的预充电电压。调节器1310输出的预充电电源电压比激光器电源电压pvdd低一个量，该量超过第一fet910的接通阈值电压。为了预充电第一fet910，控制器930增加电压信号1211的高电平使晶体管1310导通，并将第三控制信号1214保持在保持晶体管1340截止的电平。当晶体管1310导通时，随着与第一fet910相关联的电容被充电，第一fet910的栅极处的电压如图13b所示降低。一旦第一fet910被预充电，则控制器930然后可以再次改变第一控制信号1211，使得晶体管1310截止并且第一fet910保持导通。在这种布置中，晶体管1310可以相对较小/较弱，因为第一fet910的接通速度并不重要。

如前所述，可以执行步骤s920和s940。可以由控制器930通过设置第三控制信号1214以使得晶体管1340导通而使第一fet910截止来执行步骤s930。晶体管1340可以相对大/强以便实现第一fet910的快速截止。取决于第三控制信号1214的转变以及取决于晶体管1340的栅极的信号驱动要求，晶体管1340的栅极可以可选地由反相或同相驱动器驱动。

图14a示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1400。图14b示出了由控制器930输出的控制信号的时序的示例性表示，以便执行参照图10描述的过程。

在这种布置中，第一和第二fet910和920都是pmosfet。电源电压–pvdd为负电源电压。在步骤s910中，控制器930通过使用第一控制信号1211导通预充电晶体管1410来对第一fet910进行预充电以使其导通。一旦与第一晶体管910相关联的电容被充电，则第一控制信号1211可以关断预充电晶体管1410，并且第一fet910将保持导通。由于第一fet910的接通速度并不重要，所以预充电晶体管1410可以相对较小/较弱。

在步骤s920中，控制器930可以通过控制第二控制信号932以使晶体管1240截止并导通晶体管1430来导通第二fet920，从而降低第二fet920的栅极电压并使其导通。晶体管1430可以相对大/强，以便将相对强的栅极电压信号施加到第二fet920，从而快速打开第二fet920。

在步骤s930中，控制器可以通过控制第三控制信号1214以导通晶体管1440来关闭第一fet910，使得与第一fet910的栅极相关联的预充电电容放电，并且第一fet910的栅极电压增加以截止第一fet910。晶体管1440可以相对较大/较强，以便控制第一fet910的强栅极电压，从而迅速将其截止。

最终，在步骤s940中，控制器930可以通过控制第二控制信号932以导通晶体管1420并截止晶体管1430来截止第二fet920，从而增加第二fet920的栅极电压以截止第二fet920。由于第二fet920的截止速度并不重要，所以晶体管1420可以相对较小/较弱。

图15a示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1500。图15b示出了由控制器930输出的控制信号的时序的示例表示，以便执行参考图10描述的过程。

系统1500与参考图12a和12b描述的系统1200非常相似，但是预充电晶体管1210不耦合到激光电压源pvdd，而是耦合到单独的预充电源。预充电电源的大小可以大于激光电压电源的大小，这可以帮助更强地导通第一fet910。更详细地，在较早描述的系统1200中，当预充电晶体管1210导通时，第一fet910的栅极可以被上拉至大约pvdd，并且第一fet910的栅极-源极电压将大约为第一fet910的阈值电压。vcsel110的阳极耦合到第一fet910的源极，因此将处于大约pvdd减去第一fet910的阈值电压的水平。然而，在系统1500中，当预充电晶体管1210导通时，第一fet910的栅极电压近似为预充电电源。如果预充电电源的幅度大于pvdd大约等于或大于第一fet910的开启阈值的量，则当第一fet910开启时，其源极电压可能约为pvdd(实际上，由于第一fet910的沟道电阻，它可能略低于pvdd)，该电阻高于系统1200中实现的沟道电阻。此外，通过将第一fet910的栅极-源极电压进一步增加到其阈值电压以上，可以进一步降低第一fet910的沟道电阻。预充电电源可以来自任何合适的电源。

另一个区别是在第一fet910的关闭，放电路径中包括了共源共栅晶体管1510。在步骤s930中，在第一fet910的放电路径中包括一个或多个共源共栅晶体管1510可以使第一fet910的栅极上存储的电荷更容易放电，这可以使控制放电的晶体管1240成为相对更快和更小的低压晶体管。级联晶体管1510是系统1500中的可选特征，并且可以可选地包括在参照图12-14以及图16和图17描述的任何系统的第一fet910放电路径中。

图16a示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1600。图16b示出了由控制器930输出的控制信号的时序的示例性表示，以便执行参考图10描述的过程。

系统1600与参考图12a和12b描述的系统1200非常相似，但是控制器930被配置为输出第四控制信号1610。第四控制信号1610被配置为向自举电容器的第一极板施加电压，其中，自举电容器的第二极板耦合到第一晶体管910的控制端子。施加该电压会增加第一fet910的栅极电压，以使其可以升高到高于激光电压源。控制器930可以被配置为在步骤s910中接通第一fet910之后并且在步骤s920中接通第二fet920之前的任何时间，使用第四控制信号1610施加电压。可以在步骤s930中关闭第一fet910的同时或之后的任何合适的时间移除电压(这意味着第三控制信号1214和第四控制信号1610的转变不必对齐)。以这种方式，可以在不需要单独的电源的情况下将第一fet910的栅极电压获取在激光电压源之上。如果控制器930例如由电压调节器410输出的调节器电源供电，则施加到自举电容器的电压可以是调节器电源。系统1600的引导程序布置可以可选地包括在参照图12-15和图17描述的任何系统中。

图17a示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1700。图17b示出了由控制器930输出的控制信号的时序的示例性表示，以便执行参考图10描述的过程。

控制器930可以使用第一控制信号1641直接(可选地通过预驱动器)控制第一fet910的状态。因此，步骤s910和s930可以通过第一控制信号1641的适当转变来实现，以根据需要将第一fet的栅极电压设置为高于或低于第一fet910的开启阈值，如图17b所示。在17b中假设第一控制信号1641经由驱动器驱动栅极电压，该驱动器由调节器电源供电。

对于步骤s920，控制器930可以使用第二控制信号1625来关断晶体管1620并且导通晶体管1630。电平移位电容器clevelshift可以将第二fet920的栅极电压降低到pvdd之下的量超过第二fet920的开启阈值，从而接通第二fet920。晶体管1630可以是相对强的晶体管，以便控制第二fet920的栅极处的强信号，从而将其快速接通。晶体管1620可以相对较弱，因为在切换时不需要控制强信号。

对于步骤s940，控制器930可以将第二控制信号1625转换回去，使得晶体管1620导通并且晶体管1630截止。这将导致第二fet920的栅极电压被电平移位电容器拉回到高电平，从而第二fet920的栅极电压被升高回到pvdd，并且第二fet920截止。晶体管1620可以相对较弱，因为在步骤s940中第二fet920快速截止并不重要。

最终，控制器930可以可选地将第三控制信号1611输出到晶体管1610的栅极。在步骤s920的切换之前的某个时间，控制器930可以将信号1611的电平设置为高(例如，处于或接近pvdd)，其将晶体管1610截止并且允许第二fet920的栅极浮置并使用第二控制信号1625来控制(如上所述)。在步骤s940之后的某个时间，控制器930可以将信号1611的电平设置为低(即，低于晶体管1610的导通电压)，这使晶体管1610导通并且将第二fet920的栅极保持为高。这可以帮助防止第二fet920的栅极电压在光脉冲之间漂移(例如，由于泄漏或寄生耦合)，这可能导致步骤s920和s940中的切换困难。然而，可替代地，可以省略晶体管1610和第三控制信号1611，并且第二晶体管920的栅极仅耦合到电平移位电容器。当使用晶体管1610时，由于第三控制信号1611中的转变相对于第二控制信号1625中的转变的时序可以被设置为使得不需要晶体管1610的快速切换，因此它可能相对较弱。

图18示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1800。图18的系统1800与前面所述的系统1200非常相似，但包括一个额外的放电晶体管1810，该晶体管并联耦合在vcsel110上，并设置为在关闭第一fet910时导通并创建放电路径(步骤s930)，以释放与激光光源相关的寄生电荷。vcsel可以具有寄生电容cp1和/或cp2之一或全部，这可能导致残留能量减慢vcsel110的关闭。放电晶体管1810的布置可以帮助放电与vcsel110相关联的寄生电荷，从而甚至进一步提高了vcsel110关断的速度。放电晶体管1810可以与以上参考图9至图17描述的任何配置结合使用。

图19示出了根据本公开的另一方面的示例性激光光源系统1900。图19的系统1900与先前描述的系统1200非常相似，但是包括附加的放电晶体管1910，其耦合到vcsel110以帮助放电与vcsel110相关的寄生电荷。放电晶体管1910布置成导通并大约在关闭第一fet910时产生放电路径。这可以帮助甚至进一步提高vcsel110的截止速度。图19中表示的布置包括耦合到晶体管1910的栅极的可选的附加驱动器，其被包括在内以增加对晶体管1910的驱动的延迟，从而减少流过第一fet910和放电晶体管1910的电流发生直通的机会。因此，该晶体管可以被布置为在vcsel110截止的大约同时导通(例如，在与第一fet910截止的同时或之后不久)。虽然放电晶体管1910被表示为耦合到vcsel110的阴极，但是它可以可替代地耦合到阳极。

从所有图9至图17b中将理解，控制器930可以使用各种不同的电路以各种不同的方式控制第一fet910和第二fet920的状态，以便执行图10的过程。第二fet910和920可以是n型或p型，并且可以耦合到vcsel110的阳极或阴极。此外，尽管在上述的每个系统中，fet910和920中的一个被耦合到vcsel110的阳极，而另一个被耦合到vcsel110的阴极，但是在替代方案中，第一和第二fet910和920可以彼此串联耦合，两个fet都在vcsel110的阴极侧或阳极侧。

典型地，第二fet920可以设置流过vcsel110的电流，因为第一fet910通常在步骤s920的开始将充分地导通而不影响激光驱动电流。因此，作为图9至图17b的布置的另一个优点，可以借助于为第二fet920选择的晶体管以及控制其栅极电压以便将其导通的方式来控制/设置激光驱动电流的大小(例如，栅极电压能够多快地接通第二fet920)。

技术人员将容易地意识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下，对本公开的上述方面进行各种改变或修改。

例如，尽管以上示例的第一驱动器130包括一个或多个预驱动器420、422等，但是在替代方案中，预驱动器可以完全省略，并且fet440(以及可选的附加fet620)可以由控制器430直接驱动。替代地，可以完全省略电压调节器410。此外，即使当第一驱动器130包括一个或多个预驱动器时，虽然使用电压调节器410为预驱动器供电可能是有益的，但是一个或多个预驱动器中的至少一个可以替代地以任何其他合适的方式被供电，并且从第一驱动器130中省略了电压调节器。

尽管在以上示例中使用了fet(例如fet440和附加fet620)，但也可以使用任何其他合适类型的可控开关，例如任何其他类型的晶体管，例如bjt等。因此，每当提及fet的栅极时，应将其理解为晶体管的控制端子或栅极/基极。此外，每当提及fet的源极时，应将其理解为晶体管的沟道端子或源极/发射极，并且每当提及fet的漏极时，应将其理解为晶体管的沟道端子或漏极/集电极。

在以上公开的一些方面中，描述了两个驱动器(第一驱动器130和第二驱动器140)。对于图1、2a和2b所示的vcsel110设计而言，使用两个驱动器可能特别有益，其中vcsel110的表面上有两个阳极端子，因此两个驱动器可以对称地排列在芯片120内。然而可选地，可以仅实现单个驱动器(例如，仅第一驱动器130)以提供驱动vcsel110所需的所有驱动电流。例如，vcsel110可以是只有一个阳极端子的设计。替代地，vcsel110可以具有其中有两个或更多个阳极端子的设计，在这种情况下，单个驱动器可以耦合到任意一个或多个阳极端子。可选地，参考图1至图7描述的每个驱动器电路可以包括两个晶体管，用于控制vcsel110的脉冲发射，如参考图9至图17b所述地布置。

在另一替代方案中，系统100可包括布置成驱动vcsel110的两个以上驱动器。例如，其可包括四个驱动器，每个驱动器与上述第一驱动器130具有相同的设计。可以以任何合适的方式将这些多个驱动器布置在芯片110内或上，例如，第一和第二驱动器可以相对于第一对称平面彼此对称，并且第三和第四驱动器可以相对于垂直于第一对称平面的第二对称平面彼此对称。

尽管特别参考与tof相机系统一起使用来描述上述光源系统110，但是光源系统110不限于此使用，并且可以用于任何其他目的。

在本公开全文中使用术语“耦合”和“连接”既涵盖两个组件/设备之间的直接电连接，以及两个组件/设备之间的间接电耦合，其中在两个组件/设备之间的电耦合路径中有一个或多个中间组件/设备。

尽管第一驱动器130被描述为具有用于控制充电状态和发射状态之间的过渡或切换的开关134，但是应当理解，可以以任何其他合适的方式配置第一驱动器130，使用任何其他合适的组件在充电状态之间切换或转换第一驱动器130，其中第一电容器132逐渐存储从电源接收的电荷，并且vcsel110截止，并且发射状态下第一电容器132放电以产生第一驱动电流136以导通vcsel110。同样，控制器430用于控制第一驱动器130在充电状态和发射状态之间的切换或转变不是必须的。可替代地，任何其他合适的布置或电路可以用于该目的，例如，配置成以规则间隔转换第一驱动器130的定时器电路，或者配置为基于存储在第一电容器132上的电荷量来转换第一驱动器130的电路(例如，当第一电容器132上存储的电荷达到预定水平时，切换到发射状态)等。

上面描述的电容器132和142可以或者与半导体芯片120集成在一起，或者它们可以是横向硅设计电容器，可以由于120而被凸点键合到半导体表面，以便将它们耦合到驱动器ic电路。特别地，在图1和所附描述中，电容器132和142被集成在半导体芯片120内，使得开关134和144以及电容器132和142都是集成装置。结果，在该示例中，第一驱动器130和第二驱动器140是集成驱动器。然而，在替代实施方式中，电容器132和142可以不是集成电容器，而是例如可以是安装在半导体芯片上的电容器，例如安装在第一表面122上的电容器。每个电容器的一个端子可以例如，使用如图1所示的键合线152和154将第一电容器110耦合到光源110，每个电容器的另一端通过任何适当的电耦合装置耦合到相应的集成开关134和144。本领域技术人员可以理解，例如通过凸点结合，环氧树脂结合或共晶结合。第一和第二电容器可以是任何合适的类型，例如，作为非限制性示例，横向电容器(例如，横向硅电容器)或垂直电容器(例如，垂直硅电容器)。