脈衝 1550 nm 激光 用於 光達
技術分享雜談GaN技術 – Steve Colino
四月 20, 2021
脈衝激光雷達系統通常使用 905 nm 或 1550 nm 激光進行光學發射。 在 1400 nm 以上時，眼睛的各種元素會吸收光線，阻止其到達並損害視網膜。 隨著激光功率的增加，並不是所有的光都被吸收，在某些情況下可能會發生視網膜損傷。 由於 905 nm 的光線不被吸收，它確實會到達視網膜，因此必須小心控制能量密度以防止損壞。
如果決定使用 1550 nm 光線，半導體激光器的效率差異使得在相同的光學功率下需要使用更高的電流，與 905 nm 光線相比。 此外，同樣的特性使得光線在到達視網膜之前被眼睛吸收，這也會導致光線被大氣吸收。 隨著濕度增加到霧、雨或雪，這一現象會被放大。 1550 nm 激光器所需的驅動功率可能是基於 905 nm 激光器系統的高達 10 倍。 幸運的是，有一種解決方案可以在保持脈衝激光雷達應用所需的邊緣速度和脈衝的同時，提供驅動 1550 nm 激光器所需的功率。
EPC 的 eGaN® FET 技術能夠使用小型、廉價的電路在非常短的時間內驅動寬範圍的脈衝電流。 技術範圍從安培到數百安培，所有都能夠使用功率器件從 15 V 到 200 V 的脈衝寬度從 1 ns 到 5 ns。
共振放電是高功率直接飛行時間 (DToF) 的典型方法，其中電容器被充電，然後激光驅動器將其放電到激光器中。 共振頻率主要由功率存儲電容和雜散電感決定，公式為 1/(2π√LC)。 在 CStore 和 LStray 固定的情況下，峰值功率是電容電壓的函數。 下圖顯示了基本電路和基本波形。
為了在保持窄脈衝寬度的同時實現高功率，可以使用 160 V 的電源。 EPC2034C 是一款 200 V 器件，能夠實現超過 213 A 的峰值電流。 eGaN 技術具有超低電容，其晶圓級封裝使其成為高速脈衝激光雷達系統的理想選擇。 EPC2034C 的波形顯示峰值電流為 221 A，半高全寬 (FWHM) 時間為 2.9 ns。
即將進行的工作預計會顯示 > 300 A 的脈衝，FWHM 小於 5 ns。 這項工作將使用 80 V 線上的 100 V EPC2032。
除了由矽集成電路門驅動器驅動的分立 eGaN FET 外，EPC 還推出了 eToF™ 激光驅動器 IC。 第一款產品具有 40 V、10 A 的能力，並使用 EPC 的標準 eGaN 工藝單片集成。 EPC21601 使用 3.3 V 輸入邏輯，而 EPC21603 則使用 LVDS 接收器。 兩者都需要 5 V 邏輯電源。 這些激光驅動器是直接飛行時間 (DToF) 和間接飛行時間 (IToF) 3D 相機的快速、小型且成本效益高的解決方案。 下圖顯示了 EPC21601 的方塊圖和焊凸側的圖像。 這些集成激光驅動器具有將 1550 nm 激光器帶入 IToF 短距離應用的功率能力。
EPC21601 在 20 V、10 A 下使用電阻負載的結果顯示，在開啟時具有非常令人印象深刻的 410 ps 漏極下降時間，在關閉時具有 320 ps 的漏極上升時間。 下圖顯示了波形。
雖然 1550 nm 系統大大提高了眼睛的安全性，但它們需要比 905 nm 系統更多的功率。 eGaN FET 和 eToF 激光驅動器解決了為其供電的問題。 請關注 EPC 擴展其 eTOF 產品線，針對特殊應用，請與我們聯繫 以獲取定制解決方案。