Lasertutkalähettimen ja -vastaanottimen suunnittelu- ja toteutusvaiheet

Abstract

Työssä suunnitellaan ja toteutetaan piirilevyt kahteen eri lasertutkaan, joilla suoritettavat etäisyysmittaukset perustuvat optisten pulssien kulkuaikojen mittaamiseen. Molemmissa lasertutkissa käytettävä puolijohdelaser ja CMOS-tekniikalla valmistettu SPAD-TDC-ilmaisinpiiri ovat erityisesti kehitetyt pulssitettua etäisyysmittausta varten Oulun yliopiston ITEE-tiedekunnan CAS-tutkimusryhmässä. Työn ensimmäistä lasertutkaa kutsutaan viirututkaksi ja toista miniatyyritutkaksi.

Käytettävä puolijohdelaser on kvanttikaivotyyppinen ja perustuu kaksoisheterorakenteeseen, jonka aaltojohde on vahvasti epäsymmetrinen. Suhteellisen paksu ja useita kvanttikaivoja sisältävä aktiivinen kerros on sijoitettu epäsymmetrisesti laserdiodin aaltojohteeseen. Aktiivista kerrosta ympäröivä aaltojohde sisältää lisäksi kyllästysvaimentimen, joka mahdollistaa passiivisen Q-kytkentätekniikan hyödyntämisen ja auttaa pitämään laserin emittoimat optiset pulssit yksittäisinä ilman jälkioskillaatioita. Työssä käytettyjen laserdiodien muodostamat impulssimaiset laserpulssit ovat merkittävästi lyhytkestoisempia kuin laserdiodien läpi johdetut virtapulssit, minkä vuoksi toteutusta kutsutaan tehostetuksi vahvistuskytkentätekniikaksi.

Molempien lasertutkien vastaanottimissa käytettävä ilmaisinpiiri mahdollistaa jopa yksittäisten fotoneiden havaitsemisen. Ilmaisinpiiriin on sisäänrakennettu 9 x 9 kokoinen SPAD-matriisi sekä 10-kanavainen aika-digitaalimuunnin, joka suorittaa hyötyfotoneiden kulkuajan laskemisen mitattavaan kohteeseen. Fotoneiden aikavälimittausta varten ilmaisimesta valitaan haluttu 3 x 3 kokoinen alimatriisi, jonka sisältämät SPAD-diodit voidaan asettaa aktivoitumaan vasta halutun ajan kuluttua aloitusmerkkisignaaliin nähden. Jokaisen yhdeksän SPAD-diodin aktivointiviive voidaan asettaa erikseen tai halutut SPAD-diodit voidaan jättää kokonaan aktivoimatta.

Lasertutkien lähettimille suoritettiin aikatasomittaukset, joissa selvitettiin lähettimien virta- ja laserpulssien huippuarvot sekä puoliarvoleveydet. Viirututkan tuottamat virtapulssit olivat puoliarvoleveydeltään keskimäärin noin 1,1 ns ja optiset pulssit vastaavasti noin 120 ps. Miniatyyritutkassa virtapulssien puoliarvoleveydet olivat pienimmillään noin 990 ps ja optisten pulssien vastaavasti noin 103 ps.

In this thesis, printed circuit boards for two different laser radars are designed and implemented. Both laser radars are based on the principle of pulsed time-of-flight measurement. The semiconductor laser and the CMOS SPAD-TDC detector chip used in both laser radars have specifically been developed for pulsed laser time-of-flight rangefinding applications. The work has been carried out in the CAS research unit of the ITEE Faculty at University of Oulu. The first laser radar is referred to as a stripe radar and the second one as a miniature radar.

The semiconductor laser is based on a double heterostructure and its active layer consist of multiple quantum wells. The waveguide structure of the laser diode is strongly asymmetric to provide a very small optical confinement factor. Combined with a relatively thick active layer, the laser is capable of generating high-power single-optical pulses. The optical resonator includes a saturable absorber that both enables passive Q-switching operation and helps to keep the optical pulses trail-free. The generation of sharp, impulse-like optical spikes with a laser diode, utilizing drive current pulse with much longer width, is called enhanced gain switching.

The single-photon detection capability of both laser radar receivers is achieved with the use of a SPAD array that has been realized in CMOS technology. The detector chip includes an integrated 10-channel time-to-digital converter that measures the transit time of short laser pulses from the transmitter to the object. A sub-array of a size of 3 x 3 SPADs is freely chosen within a 9 x 9 SPAD array for time interval measurements. The SPADs can be set to be activated only after a desired period of time in relation to the arrival time of a start pulse from the transmitter. The activation delay for each SPAD can be set independently or the SPADs can be left completely unactived.

The peak amplitudes and full width at half maximum values for the current and optical pulses were measured. The stripe radar generated current and optical pulses with a FWHM of about 1.1 ns and about 120 ps, respectively. The minimum FWHM values for the current and optical pulses generated by the miniature radar were about 990 ps and 103 ps, respectively.