激光雷达、窄线宽外腔半导体激光器及其控制方法与流程

本发明实施例涉及激光器，尤其涉及激光雷达、窄线宽外腔半导体激光器及其控制方法。

背景技术：

1、调频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)激光雷达通过调制窄线宽激光器，在扫频周期内发射频率变化的连续波进行相干探测，可以同时实现测距和测速。其中，直调方式的fmcw雷达通过直接调制窄线宽激光器的工作电流实现调频，无须外部调制器和信号源，因而提升了系统集成度且易于降低成本。

2、作为fmcw雷达的核心光源模块，窄线宽激光器主要包括分布反馈(distributedfeedback，dfb)激光器和外腔半导体激光器两种方案。其中，外腔半导体激光器成本较低，且可以达到更窄的线宽(＜10khz)，因而有望实现更远的探测距离。然而，相较于dfb激光器，窄线宽外腔半导体激光器(为描述方便，以下简称窄线宽外腔激光器)在直接调制过程中，随着电流的改变存在跳模或者进入多纵模状态的风险。此外，车规级激光雷达要求窄线宽外腔激光器具有很宽的工作温度范围。然而，即使封装壳体内部专门控制激光器芯片温度，受热辐射、热传导等效应影响，窄线宽外腔激光器仍然可能会发生跳模或者工作在多纵模状态，导致fmcw雷达不能进行相干探测。

3、因此，如何在宽温度范围下保障外腔半导体激光器稳定单模运转，制约着外腔半导体激光器在直调调频连续波激光雷达方案中的应用。

4、背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供了一种宽温度范围的窄线宽外腔半导体激光器及其控制方法，以及应用其的直调调频连续波激光雷达。

2、首先，本发明实施例提供了一种窄线宽外腔半导体激光器的控制方法，包括：

3、监测环境温度；

4、根据所述环境温度，确定所述激光器的目标工作温度，使其不等于相应的跳模温度，其中，所述跳模温度为所述激光器的输出参数的值发生跳变时对应的温度；

5、调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度。

6、可选地，所述根据所述环境温度，确定所述激光器的目标工作温度，使其不等于相应的跳模温度，包括：

7、根据所述环境温度，确定所述激光器的目标工作温度，使其大于相应的跳模温度，且所述目标工作温度与相应的跳模温度的差值处于预设范围。

8、可选地，所述根据所述环境温度，确定所述激光器的目标工作温度，使其大于相应的跳模温度，包括：

9、根据所述环境温度，按照预设的温度补偿系数和温差初始设定值，确定所述激光器的目标工作温度，使其大于相应的跳模温度。

10、可选地，按照如下方式得到所述温度补偿系数：

11、在不同的环境温度下，逐步增加所述激光器的工作温度，并监测所述激光器的输出参数的值随所述激光器的工作温度变化情况，获取相应跳模点对应的激光器的工作温度，作为相应的跳模温度；

12、基于不同的环境温度，及对应环境温度下得到的相应的跳模温度，得到所述温度补偿系数。

13、可选地，所述在不同的环境温度下，逐步增加所述激光器的工作温度，并监测所述激光器的输出参数的值随所述激光器的工作温度变化情况，获取相应跳模点对应的激光器的工作温度，作为跳模温度，包括：

14、在第一环境温度下，逐步增加所述激光器的工作温度，监测所述激光器的输出参数的值随所述激光器的工作温度变化情况，直至出现第一跳模点，获取所述第一跳模点对应的激光器的第一跳模温度；

15、升高环境温度至第二环境温度，控制所述激光器从所述第一跳模温度开始逐步增加，并监测所述激光器的输出参数的值随所述激光器的工作温度变化情况，直至出现第二跳模点，获取所述第二跳模点对应的激光器的第二跳模温度；

16、所述基于不同的环境温度，及对应环境温度下得到的相应的跳模温度，得到所述温度补偿系数，包括：

17、根据所述第一跳模温度、所述第二跳模温度、所述第一环境温度和所述第二环境温度，计算所述温度补偿系数。

18、可选地，所述根据所述第一跳模温度、第二跳模温度和所述第一环境温度和所述第二环境温度，得到所述温度补偿系数，包括：

19、分别获取所述第二跳模温度和所述第一跳模温度之差，以及所述第二环境温度和所述第一环境温度之差；

20、求取所述第二跳模温度和所述第一跳模温度之差与所述第二环境温度和所述第一环境温度之差的比值，作为所述温度补偿系数。

21、可选地，所述第一环境温度和所述第二环境温度的差值大于预设阈值。

22、可选地，所述预设阈值不小于50℃。

23、可选地，所述温差初始设定值处于[0.5℃-1℃]范围内。

24、可选地，所述激光器的输出参数包括如下至少一种：

25、所述激光器的输出功率；

26、所述激光器的输出波长。

27、可选地，通过封装于所述激光器内部的光电探测器监测所述激光器的输出功率。

28、可选地，所述激光器包括外壳及封装在所述外壳内的增益模块，通过封装于所述外壳内且位于所述增益模块周围的第一温度传感器，获取所述增益模块的工作温度，作为所述激光器的工作温度。

29、可选地，其特征在于，所述监测环境温度，包括：

30、通过设置于所述外壳上的第二温度传感器，监测所述环境温度。

31、可选地，所述调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度，包括：

32、通过与所述第一温度传感器耦接的温度控制器，调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度，所述温度控制器适于控制所述激光器整体的工作温度。

33、可选地，通过与所述第一温度传感器耦接的半导体制冷器，调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度。

34、可选地，所述激光器包括外壳及封装在所述外壳内的增益模块，所述激光器还包括：设置于所述增益模块出光面一侧的选频模块，以对所述激光器出射的光信号的频率进行选择；

35、所述调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度，包括：

36、通过与所述选频模块耦接的加热电阻，调整所述激光器外腔的工作温度为所述目标工作温度。

37、可选地，所述激光器包括：

38、增益阵列，包括：沿第一方向依次排列的多个增益单元；

39、选频阵列，包括：沿第一方向依次排列的多个选频单元，各选频单元分别与相应的增益单元对应设置；

40、各增益单元与相应的选频单元沿第二方向依序排布，形成独立的激光发射单元。

41、可选地，所述激光器还包括：分别与各选频单元耦接的加热电阻，所述调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度，包括：

42、通过分别与各选频单元耦接的加热电阻，调整相应激光发射单元外腔的工作温度至所述目标工作温度。

43、本发明实施例还提供了一种窄线宽外腔半导体激光器，包括：

44、外壳；

45、增益模块，设置于所述外壳内，适于对入射至其中的光进行放大，且具有光线出射的出光面；

46、选频模块，设置于所述增益模块出光面一侧，以对所述激光器出射的光信号的频率进行选择；

47、第二温度传感器，设置于所述外壳内部，并与所述外壳耦接，适于监测环境温度；

48、数据处理模块，适于根据所述第二温度传感器监测到的环境温度，确定所述激光器的目标工作温度，使其不等于相应的跳模温度，其中，所述跳模温度为所述激光器的输出参数的值发生跳变时对应的温度；

49、温度控制器，设置于所述外壳内部，适于调整所述激光器的工作温度至所述目标工作温度。

50、可选地，所述数据处理模块，适于根据所述环境温度，确定所述激光器的目标工作温度，使其大于相应的跳模温度，且所述目标工作温度与相应的跳模温度的差值处于预设范围。

51、可选地，所述数据处理模块，根据所述环境温度，按照预设的温度补偿系数和温差初始设定值，确定所述激光器的目标工作温度，使其大于相应的跳模温度。

52、可选地，所述激光器还包括：

53、第一温度传感器，与所述增益模块耦接，适于获取所述增益模块的工作温度，作为所述激光器的工作温度。

54、可选地，所述温度控制器包括：

55、半导体制冷器，与所述第一温度传感器耦接，适于按照所述数据处理模块确定的目标工作温度，调整所述激光器整体的工作温度至所述目标工作温度。

56、可选地，所述温度控制器包括：

57、加热电阻，与所述选频模块耦接，适于调整所述激光器外腔的工作温度为所述目标工作温度。

58、可选地，所述激光器的输出参数包括：所述激光器的输出波长；所述激光器还包括：

59、光电探测器，设置于所述外壳内部，适于监测所述激光器的输出功率。

60、可选地，所述增益模块包括：沿第一方向依次排列的多个增益单元组成的增益阵列；

61、所述选频模块包括：沿第一方向依次排列的多个选频单元组成的选频阵列，各选频单元分别与相应的增益单元对应设置；

62、各增益单元分别与相应的选频单元沿第二方向依序排布，形成独立的激光发射单元。

63、可选地，所述激光器还包括：加热电阻阵列，包括：多个加热电阻，各加热电阻分别与各选频单元耦接，适于分别调整相应激光发射单元外腔的工作温度至所述目标工作温度。

64、可选地，所述激光器还包括：光电探测模块，所述光电探测模块包括多个光电探测单元，各光电探测单元分别适于探测相应的激光发射单元的输出功率。

65、本发明实施例还提供了一种激光雷达，包括：

66、前述任一实施例所述的激光器，适于发射探测信号；

67、探测器，适于接收所述探测信号遇障碍物反射的回波信号；

68、处理器，适于基于所述探测信号和所述回波信号，输出探测信息。

69、采用本发明实施例中的窄线宽外腔半导体激光器的控制方法，根据监测到的环境温度所确定激光器的目标工作温度不等于相应的跳模温度，因此，使得激光器能够在工作温度范围内稳定工作，不产生跳模现象，实现激光器宽温度范围的单模稳定运转，满足直调调频连续波雷达的应用需求。

70、进一步地，当激光器的工作温度大于相应的跳模温度，且与跳模温度差值处于预设范围时，激光器对应的扫频带宽越大，电流调谐速率越高，进而当将其应用至调频连续波激光雷达时，激光雷达的分辨率越高，具有较好的探测性能，因此根据环境温度所确定的所述激光器的目标工作温度能够提高激光器扫频带宽和电流调谐速率，进而提高激光雷达的探测性能。而且，通过使所述激光器的目标工作温度大于相应的跳模温度，能够避免激光器启动时发生跳模，提高激光器的工作稳定性。

71、进一步地，根据所述环境温度，并通过预设的温度补偿系数和温差初始设定值，能够对激光雷达的工作温度进行精细调节，使得所述激光器的目标工作温度大于相应的跳模温度，且所述目标工作温度与相应的跳模温度的差值处于预设范围。由此通过预设的温度补偿系数，能够对激光器的工作温度进行补偿，维持所述激光器目标工作温度和相应的跳模温度间的温差，使其总是略大于相应的跳模温度，提高激光器在不同工作温度下的扫频带宽一致性，进而提高激光器扫频带宽和电流调谐速率。同时通过预设温差初始设定值，能够使得所述激光器的目标工作温度大于相应的跳模温度，避免激光器启动时发生跳模，提高激光器的工作稳定性。

72、进一步地，基于不同的环境温度，及对应环境温度下得到的相应的跳模温度，得到的温度补偿系数能够更加真实地反映不同环境温度下激光器跳模温度的变化情况，进而根据所述温度补偿系数，能够对不同环境温度下的跳模温度偏移进行更加精确地补偿，故能够使激光器在宽温度范围单模运转。

73、进一步地，通过使第一环境温度和第二环境温度的差值大于预设阈值，能够得到激光器在较宽温度范围下的温度补偿系数，进而根据所述温度补偿系数，确定激光器的目标工作温度时，能够使得激光器在整个工作温度范围内均可以保持单模稳定运转。

74、进一步地，通过封装于所述激光器内部的光电探测器监测所述激光器的输出功率，一方面，能够避免外部环境的影响，提高监测结果的准确度；另一方面，可以提高集成度，有效减小激光器的尺寸。

75、进一步地，所述激光器包括外壳及封装在所述外壳内的增益模块，通过封装于所述外壳内且位于所述增益模块周围的第一温度传感器，能够实时获取所述增益模块的工作温度，从而能够确定激光器是否处于目标工作温度，提高控制精度。

76、进一步地，通过设置于所述外壳上的第二温度传感器，能够实时监测所述环境温度，进而能够在确定环境温度发生变化时，调整激光器的工作温度，使得激光器能够工作于目标工作温度。

77、进一步地，通过与所述第一温度传感器耦接的温度控制器，能够控制激光器整体的工作温度，使得所述激光器的工作温度能够为所述目标工作温度，进而使得所述激光器能够在不同环境温度下均工作于单模状态。

78、进一步地，由于激光器可以包括外壳及封装在所述外壳内的增益模块，以及设置于所述增益模块出光面一侧的选频模块，通过与所述选频模块耦接的加热电阻，可以调节激光器外腔的工作温度为所述目标工作温度，使得所述激光器在不同的环境温度下均能够保持单模运转。

79、进一步地，所述激光器可以包括增益阵列和选频阵列，所述增益阵列、所所述选频阵列分别包括沿第一方向依次排列的多个增益单元和选频单元，各增益单元可以与相应的选频单元沿第二方向依序排布，形成独立的激光发射单元，也即所述激光器内封装有多个通道的激光发射单元，相较于由多个单独封装的单通道激光器形成的具有多通道功能的激光发射模组，可以极大地提高集成度，有效减小激光雷达光源的尺寸；并且，由于仅需一次封装，因而可以减少封装次数，节省封装材料，降低封装成本。

80、进一步地，由于激光器还包括分别与各选频单元耦接的加热电阻，通过分别与各选频单元耦接的加热电阻，能够独立调整相应激光发射单元外腔的工作温度至所述目标工作温度，能够提高激光器在不同工作温度下的扫频带宽一致性，使得使各通道的调谐性能保持基本相同。