Brevet FR3095904A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : Unité d'émission de rayons dans l'environnement, capteur Lidar équipé d'une telle unité et son procédé de commande Domaine de l'invention 100011 La présente invention a pour objet une unité d'émission pour émettre un rayonnement dans l'environnement ainsi qu'un capteur Lidar équipé d'une telle unité d'émission et un procédé de commande ou de gestion d'une telle unité d'émission. Etat de la technique [0002] Le document DE 10 2017 208 705 Al décrit une unité d'émission pour émettre un rayonnement dans l'environnement et comprenant un laser à semi-conducteur avec un premier émetteur ayant une première section et une seconde section et une unité de commande du laser semi-conducteur. L'unité de commande fournit à la première section de l'émetteur une première grandeur d'alimentation et à la seconde section de l'émetteur, une seconde grandeur d'alimentation différente de la première grandeur d'alimentation. [0003] Exposé et avantages de l'invention [0004] La présente invention a pour objet une unité émettrice de rayonnement dans l'environnement comprenant au moins une diode laser, ayant : un substrat, au moins une première pile laser installée sur le substrat et une première zone active entre au moins deux couches laser la première pile laser, une diode tunnel au-dessus de la première pile laser, au moins une seconde pile laser sur la diode tunnel avec une seconde zone active entre au moins deux couches laser de la seconde pile laser et une couche métallique sur la pile laser la plus haute et, dans laquelle la diode laser a une première section et une seconde section et, entre elles, une zone intermédiaire, la couche métallique a une première zone associée à la première section et une seconde zone associée à la seconde section et dans la zone intermédiaire, une zone évidée ; la diode tunnel a une zone fortement ohmique dans la zone intermédiaire et l'unité émettrice comprend en outre au moins une première unité de commande pour commander la diode laser, l'unité de commande sollicitant la première section ou la seconde section avec une première grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante. [0005] En d'autres termes et comme déjà indiqué, la diode laser forme une première section et une seconde section ainsi qu'une zone intermédiaire entre les première et seconde sections. La couche métallique a une première zone avec la première section et une seconde zone avec la seconde section et une zone dégagée dans la zone intermédiaire. 2 Dans la zone intermédiaire, la diode tunnel a une zone fortement ohmique. L'unité émettrice comprend en outre au moins une unité de commande de la diode laser ; cette unité de commande fournit à la première section ou à la seconde section, une première grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante. [0006] La diode laser a ainsi au moins un substrat, au moins deux piles laser (ou empilages laser) séparées l'une de l'autre par au moins une diode tunnel ainsi qu'une couche métallique sur la pile laser du dessus. Cette construction de la diode laser peut se désigner comme "construction multicouches". On peut réaliser la diode laser en technique de nanopilc. La structure multicouche peut se fabriquer en technique dc nanopilc. La diode laser peut également être désignée par l'expression "diode laser rnultisections". La diode laser peut être considérée comme une diode laser à commutation-Q. [0007] La zone fortement ohmique est une zone avec une résistance électrique plus élevée que la diode tunnel. Une zone ohmique est une zone dont la résistance électrique est plus élevée que celle du matériau environnant de la diode tunnel. La zone fortement ohmique peut être constituée d'un matériau semi-conducteur non dopé. Pour obtenir une zone fortement ohmique, on peut réaliser un semi-conducteur non dopé à partir du même matériau que la diode tunnel. [0008] La grandeur d'alimentation peut être une charge électrique. La grandeur d'alimentation est, par exemple, une intensité ou une tension. La première grandeur d'alimentation, variable, peut également être considérée comme première grandeur d'alimentation non constante. La première section peut être appelée section d'amplification. Par exemple, les porteurs de charge peuvent y être accumulés. La seconde section peut être appelée section de commutation. Le rayonnement est le rayonnement laser. Ce rayonnement laser peut être pulsé. [0009] La première zone et la seconde zone de la couche métallique peuvent être réalisées dans des matériaux différents. La première zone et la seconde zone peuvent avoir des structures différentes. La première zone et la seconde zone de la couche métallique peuvent être écartées l'une de l'autre par la zone dégagée. La zone dégagée de la couche métallique peut être, par exemple, une zone isolante. Ainsi, aucune charge électrique ne passe directement de la première zone à la seconde zone et inversement. La première zone et la seconde zone peuvent ainsi être séparées électriquement dans le plan de contact. [0010] L'avantage de l'invention est de permettre de réaliser la structure décrite ci-dessus d'une diode laser en commutation-Q, en technique des nano-piles. Une diode laser multi-section peut se réaliser en technique des nanopiles. Une diode laser muid-section à commutation-Q, passive peut se fabriquer en technique des nano piles. Dans le cas d'une diode laser à commutation-Q, passive, la seconde section n'est, par exemple, pas sollicitée par la seconde grandeur d'alimentation. Une diode laser multi-section en 3 commutation Q, active peut se fabriquer en technique des nano piles. On évite le court-circuit de la pile laser par la diode tunnel faiblement ohmique. L'expression "faiblement ohmique" dans le présent contexte signifie que la diode tunnel présente une résistance électrique inférieure à celle des couches laser ; en d'autres ternies, la résistance de la diode tunnel est inférieure à la résistance des couches laser. On peut augmenter l'énergie pulsée dans la diode laser multiscction. Les énergies pulsées sont, par exemple, des courtes impulsions laser (impulsions inférieures à 1 ns), par exemple, pour l'application avantageuse à un capteur Lidar. On évite d'avoir à augmenter la surface active au prix du courant. En outre, la première et la seconde zone de la couche métallique permettent la mise en contact de la première et de la seconde section de la diode laser. [0011] Selon un développement avantageux de l'invention, l'unité de commande distingue la première section et la seconde section en appliquant une seconde grandeur d'alimentation, variable dans le temps ou constante, et qui est différente de la première grandeur d'alimentation. [0012] L'avantage de cette réalisation est d'avoir une diode laser à commutation-Q passive ou active. Dans le cas d'une diode laser à commutation-Q, passive, la seconde section reçoit, par exemple, une seconde grandeur d'alimentation constante. La première et la seconde grandeur d'alimentation diffèrent, par exemple, par leur valeur. L'instant de l'application de la première grandeur d'alimentation à la première section peut être différent de l'instant d'application de la seconde grandeur d'alimentation à la seconde section. Pour cela, la mise en contact de la première section diffère de la mise en contact de la seconde section. La seconde section peut être commutée rapidement. [0013] Grâce à la zone dégagée de la couche métallique, la première section peut recevoir une première grandeur d'alimentation et la seconde section une seconde grandeur d'alimentation, de manière définie et très précise. On évite ainsi, par exemple, l'échange de porteurs de charge entre la première et la seconde zone. La zone fortement ohmique de la diode tunnel, évite l'échange de porteurs de charge entre la première et la seconde zone par toutes les piles laser. Cela permet d'appliquer, de manière ciblée, la charge électrique à la première section d'amplification. La seconde section peut être commutée de manière ciblée et rapidement. [0014] Une seconde grandeur d'alimentation variable dans le temps est une seconde grandeur d'alimentation non constante dans le temps. Si la seconde grandeur d'alimentation est variable dans le temps, on peut réaliser une diode laser à commutation-Q, active. La diode laser peut-être influencée de manière ciblée par la seconde grandeur d'alimentation non variable dans le temps. C'est ainsi que l'instant d'émission du rayonnement laser peut-être commandé de manière très précise par la diode laser. L'unité d'émission peut émettre de brèves impulsions laser avec une énergie élevée et une forte puissance. Par comparaison, par exemple, avec l'utilisation d'un laser solide, la diode laser permet d'atteindre des fréquences de répétition impulsionnelle élevées, en particulier, dans une plage comprise entre 100 kHz et 1 MHz. Par comparaison aux unités d'émission avec des laser qui ne sont pas à commutation-Q, avec des énergies impulsionnelles identiques, on aura des puissances d'impulsion plus élevées. Cela est avantageux pour la sécurité oculaire de l'unité d'émission et de la portée de détection d'une unité de réception (meilleur rapport signal / bruit. [0015] Selon une forme de réalisation de l'invention, l'unité d'émission comporte pré- cisément une diode laser. [0016] Selon un autre développement avantageux de l'invention, l'unité d'émission comporte au moins deux diodes laser. Chacune des deux diodes laser a une première section respectivement associée à une diode laser et une seconde section respectivement associée à l'autre diode laser. Ces deux diodes laser peuvent être juxtaposées. [0017] L'avantage est que, selon la disposition d'au moins deux diodes laser, on réalise des géométries différentes pour le rayonnement émis. [0018] Selon un autre développement avantageux de l'invention, l'unité de commande est réalisée de façon à appliquer à chaque seconde section de chacune des deux diodes laser, une seconde grandeur d'alimentation correspondant à la diode laser respective ; ces secondes grandeurs d'alimentation peuvent être différentes. [0019] L'avantage est de pouvoir commuter séparément au moins deux diodes laser. [0020] Selon un autre développement avantageux de l'invention, en appliquant à chaque seconde section de chacune des deux diodes laser, respectivement une seconde grandeur d'alimentation associée à la diode laser respective, on génère une émission de rayonnement en corrélation dans le temps. [0021] L'avantage est de pouvoir obtenir des puissances impulsionnelles encore plus élevées et des largeurs d'impulsion encore plus réduites du rayonnement émis [0022] Selon un autre développement avantageux de l'invention, l'unité d'émission comporte en outre un détecteur pour détecter au moins un rayonnement de référence. La seconde grandeur d'alimentation associée à la diode laser respective dépend d'un rayonnement de référence. [0023] L'avantage est de permettre ainsi l'analyse du rayonnement émis par chacune des deux diodes laser. Partant de ce que les secondes grandeurs d'alimentation associées à la diode laser respective sont adaptées. Cette adaptation peut être telle que l'émission du rayonnement soit fait avec une encore meilleure corrélation dans le temps. [0024] Selon un autre développement avantageux de l'invention, l'unité d'émission comporte d'autres éléments optiques. L'unité d'émission a notamment une unité de déflection pour dévier le rayonnement émis par la diode laser dans une direction de déviation dans l'environnement. L'unité de déviation peut être commandée de façon à être mobile pour en commander le mouvement. L'unité de déviation est, par exemple, un miroir. [0025] L'avantage est de pouvoir modifier le rayonnement émis par la diode laser dans sa forme et dans sa direction d'émission. La direction peut être modifiée par des éléments optiques tels qu'un miroir ou un diviseur de faisceaux. La forme du rayonnement peut être modifiée, par exemple, par des lentilles optiques ou des prismes. La commande de l'unité de déflection mobile permet d'appliquer l'unité d'émission à des systèmes dans lesquels le rayonnement laser doit être dévié dans différentes directions de l'espace. [0026] L'invention a également pour objet un capteur Lidar équipé d'une unité d'émission telle que celle décrite ci-dessus. Le capteur Lidar comprend en outre une unité de réception pour recevoir le rayonnement réfléchi par l'objet dans l'environnement. L'unité de réception peut comporter un détecteur pour détecter le rayonnement reçu. Le détecteur peut notamment être un détecteur à photon simple ou un détecteur à photodiode avalanche SPAD. [0027] L'avantage est d'avoir un meilleur rapport signal / bruit pour le capteur Lidar. La qualité du rapport signal / bruit résulte de la brève impulsion laser de forte énergie et de forte puissance de l'unité d'émission. La résolution du système pour le capteur Lidar est augmentée. La portée du capteur Lidar ainsi décrit peut être significativement plus grande que dans le cas des capteurs Lidar dont l'unité d'émission ne comporte pas de diode laser selon l'invention. [0028] L'invention a également pour objet un procédé de commande d'une unité d'émission comprenant au moins une diode laser telle que décrite ci-dessus et au moins une unité de commande. Le procédé comprend l'étape consistant à appliquer à la première section ou à la seconde section par l'unité de commande, une première grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante. [0029] Selon un développement avantageux de l'invention, le procédé comprend également une étape consistant à appliquer en plus à la première ou à la seconde section, une seconde grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante et qui est différente de la première grandeur d'alimentation. [0030] Selon un développement avantageux du procédé, l'unité d'émission comporte au moins deux diodes laser. Chacune des deux diodes laser a une première section associée à la première diode laser et une seconde section associée à la seconde diode laser. En particulier, la seconde section de celle des deux diodes laser associées reçoit une seconde grandeur d'alimentation. Les secondes grandeurs d'alimentation sont notamment différentes. [0031] Selon un autre développement avantageux de l'invention, le procédé comprend une étape de détection par un détecteur d'au moins un rayonnement de référence. Dans une autre étape, on analyse le rayonnement de référence et dans une autre étape on adapte 6 la seconde grandeur d'alimentation associée à la diode laser respective en fonction de l'analyse. Présentation des dessins [0032] La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée, à l'aide de modes de réalisation d'unités émettrices représentées dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments dans les différentes figures portent les mêmes références. [0033] Ainsi : [0034] [fig.11 capteur Lidar équipé d'une unité émettrice selon l'invention, [0035] [fig.21 premier mode de réalisation d'une diode laser dont les diodes tunnel n'ont pas de plage fortement ohmique dans la plage intermédiaire, [0036] [fig.31 second mode de réalisation d'une diode laser dans laquelle les diodes tunnel ont des plages fortement ohmiques dans la plage intermédiaire, [0037] [fig.41 exemple de réalisation d'un procédé dc commande d'une unité émettrice. [0038] Description de mode de réalisation de l'invention [0039] La figure 1 montre, à titre d'exemple, la structure schématique d'un capteur Lidar 100. Le capteur Lidar 100 comprend une unité émettrice 100-1. Celle-ci comporte une unité dc commande 101. L'unité dc commande 101 commande la diode laser 102 et la fait fonctionner. La diode laser 102 émet un rayonnement sous la forme d'un rayonnement laser. Le rayonnement laser peut être pulsé. Le rayonnement laser peut être modifié en forme et en direction d'émission par un autre élément optique 103 de l'unité émettrice 100-1. L'élément optique 103 n'est représenté que schématiquement. L'élément optique 3, est, par exemple, un miroir, un diviseur de faisceau, une lentille optique ou un prisme. [0040] Le rayonnement laser est émis dans l'environnement. Le rayonnement laser après modification par l'élément optique 103 est émis dans l'environnement. Dans l'environnement, le rayonnement laser peut être réfléchi par un objet 104. Dans l'environnement, le rayonnement laser est diffusé par un objet 104. Le rayonnement réfléchi et/ou diffusé par l'objet 104 est reçu par l'unité réceptrice 100-2 du capteur Lidar 100. Pour cela, l'unité réceptrice 100-2 comporte des éléments optiques 105. Le rayonnement reçu est conduit sur un détecteur 106 pour générer des signaux dc détection. A l'aide d'un dispositif de traitement de signal 107 on exploite les signaux ainsi fournis. [0041] La figure 2 montre un premier exemple de réalisation d'une diode laser 102 telle que celle équipant l'unité émettrice 100-1 de la figure 1. La diode laser 201 comporte un substrat 208. La diode laser 201 comporte en outre une première pile laser 209-3 sur le substrat 208. La première pile laser 209-3 a une première zone active 206-3 entre les couches laser 205-3-a et 205-3-b. Au-dessus de la première pile laser 209-3 on a la 7 diode tunnel 207-2. Au-dessus de la diode tunnel 207-2 on a une seconde pile laser 209-2. La seconde pile laser 209-2 a une seconde zone active 206-2 entre les couches laser 205-2-a et 205-2-b. Une autre diode tunnel 207-1 est prévue au-dessus de la seconde pile laser 209-2. La diode tunnel 207-1 est surmontée d'une troisième pile laser 209-1. La troisième pile laser 209-1 a une troisième zone active 206-1 entre les couches laser 205-1-a et 205-1-b. La troisième pile laser 209-1 de l'exemple de réalisation présenté constitue la pile laser la plus haute. Une couche métallique 204-a, 204-b est prévue sur la pile laser 209-1 supérieure. [0042] La diode laser 201 forme une première section 202 et une seconde section 203 ainsi qu'une zone intermédiaire 206 entre la première section 202 et la seconde section 203. La première section 202 peut être une section d'amplification. La seconde section 203 peut être une section de commutation. La couche métallique a une première zone 204-a associée à la première section 202 et une seconde zone 204-b associée à la seconde section 203. La couche métallique a un évidement 216 dans la zone intermédiaire 270. [0043] Comme décrit pour la figure 1, l'unité émettrice 100-1 comporte une unité de commande 101. L'unité de commande 101 a au moins une première section 202 ou la seconde section 203 de la diode laser 201 sollicitée par une première grandeur d'alimentation 211 variable dans le temps ou continue. Cela permet le passage d'un courant 213. L'unité de commande 101 est en outre conçue pour fournir à la première section 202 ou à la seconde section 203, une seconde grandeur d'alimentation 212 variable dans le temps ou constante, différente de la première grandeur d'alimentation. La pile laser la plus haute 209-1 émet des impulsions laser 210-1. La pile laser 209-2 émet des impulsions laser 210-2. La pile laser 209-3 émet des impulsions laser 210-3. [0044] Les diodes tunnel de la diode laser 201 de la figure 2 n'ont toutefois, pas de plage fortement ohmique dans la zone intermédiaire. Pour une telle diode laser à plusieurs sections, on peut néanmoins avoir un court-circuit des piles laser 209-1, 209-2 et 209-3, occasionnées par les diodes tunnel faiblement ohmiques 207-1 et 207-2. Cela est indiqué par les flèches 214 et 215. Il peut arriver que la diode laser 201 puisse ne plus fonctionner comme une diode laser à plusieurs sections. La diode laser 209-2 fonctionne comme laser monosection. La pile laser 209-3 fonctionne comme laser à une section. [0045] La figure 3 montre un second exemple de réalisation d'une diode laser 201. Sa structure correspond, pour l'essentiel, à la structure de la diode laser 201 de la figure 2. Toutefois, les diodes tunnel 207-1 et 207-2 de la diode laser 201 de la figure 3 ont les zones fortement ohmiques 301 et 302 dans la zone intermédiaire 217. La diode tunnel 207-1 peut ainsi comporter une première région 207-1-a et une seconde région 207-1-b. La diode tunnel 207 peut être interrompue. La diode tunnel 207-2 peut avoir une première région 207-2-a et une seconde région 207-2-b. La diode tunnel 207-2 8 peut être interrompue. Du fait des zones fortement ohmiques 301 et 302, toutes les piles laser 209-1, 209-2 et 209-3 peuvent fonctionner comme des diodes laser à plusieurs sections. [0046] Selon une autre variante non présentée, l'unité émettrice 100-1 comporte au moins deux des diodes laser 102, 201 décrites ci-dessus. Chacune de ces deux diodes laser 102, 201 peut avoir une première section 202 associée à respectivement la diode laser 102, 201 et une seconde section 203 associée respectivement à l'autre diode laser. L'unité de commande 101 est réalisée pour que la seconde section respective 203 de chacune des deux diodes laser 102, 201 parmi les diodes laser 102, 201 respectivement associées reçoive une seconde grandeur d'alimentation ; les secondes grandeurs d'alimentation peuvent être notamment différentes. Cela permet une émission en corrélation dans le temps du rayonnement. L'unité émettrice 100-1 peut en outre comporter un détecteur pour détecter au moins un rayonnement de référence. La diode laser 102, 201 respective, associée peut avoir une seconde grandeur d'alimentation en fonction d'au moins un rayonnement de référence. [0047] La figure 4 montre un procédé 400 de commande d'une unité émettrice comme celle de la figure 1, à titre d'exemple, pour le capteur Lidar 100. L'unité émettrice comprend au moins une diode laser comme celle présentée à titre d'exemple à la figure 3 et décrite ainsi qu'au moins une unité de commande. Le procédé 400 commence par l'étape 401. Dans l'étape 402, on sollicite la première section ou la seconde section avec l'unité de commande par une première grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante. Dans l'étape 403, on peut avoir en outre une sollicitation supplémentaire de la première section ou de la seconde section avec une seconde grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante et qui diffère de la première grandeur d'alimentation. Le procédé se termine par l'étape 404. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] REVENDICATIONSUnité émettrice (100-1) pour émettre un rayonnement (210-1 à 210-3) dans l'environnement comprenant au moins une diode laser (102, 201), la diode laser (102, 201) comprenant : au moins un substrat (208), au moins une première pile laser (209-3) installée sur le substrat (208) et ayant une première zone active (206-3) entre au moins deux couches laser (205-3-a, 205-3-b) de la première pile laser (209-3), au moins une diode tunnel (207-1, 207-2) au-dessus de la première pile laser (209-3), au moins une seconde pile laser (209-2, 209-1) sur la diode tunnel (207-1, 207-2) avec une seconde zone active (206-2, 206-1) entre au moins deux couches laser (205-2-a, 205-2-6 ; 205-1-a, 205-1-b) de la seconde pile laser (209-2, 209-1) et une couche métallique (204-a, 204-b) sur la pile laser (209-1) la plus haute et, dans laquelle la diode laser (102, 201) a une première section (202), une seconde section (203) et une zone intermédiaire (217) entre la première section et la seconde section, la couche métallique a une première zone (204-a) associée à la première section (202) et une seconde zone (204-b) associée à la seconde section (203) et une zone évidée (216) dans la zone intermédiaire (217), la diode tunnel (207-1, 207-2) a une zone (301, 302) fortement ohmique dans la zone intermédiaire (217) et, dans laquelle l'unité émettrice (100-1) comprenant en outre au moins une première unité de commande (101) pour commander la diode laser (102,201), l'unité de commande (101) étant réalisée pour solliciter au moins la première section (202) ou la seconde section (203) avec une première grandeur d'alimentation (211) variable dans le temps ou constante. Unité émettrice (100-1) selon la revendication 1, dans laquelle l'unité de commande (101) est en outre réalisée pour solliciter en plus la première section (202) ou la seconde section (203) avec une seconde grandeur d'alimentation (212) variable dans le temps ou constante, et différente de la première grandeur d'alimentation. Unité émettrice (100-1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant au 10 [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] moins deux diodes laser (102, 201), chacune de ces deux diodes laser (102, 201) ayant respectivement une première section (202) associée à la diode laser (102) et une seconde section (203) associée à la diode laser respective. Unité émettrice (100-1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'unité de commande (101) est conçue pour appliquer respectivement à la seconde section (203) de chacune des deux diodes laser (102, 201) une seconde grandeur d'alimentation (212) respective, les secondes grandeurs d'alimentation (212) étant différentes l'une de l'autre. Unité émettrice (100-1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que solliciter la seconde section (203) respective de chacune des deux diodes laser (102, 201) avec une seconde grandeur d'alimentation (212) associée à la diode laser respective (102, 201) génère une émission de rayonnement en corrélation temporelle. Unité émettrice (100-1) selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que l'unité émettrice (100-1) comporte en outre un détecteur pour détecter au moins un rayonnement de référence et, la seconde grandeur d'alimentation associée à la diode laser (102, 201) respective dépend d'au moins un rayonnement de référence. Capteur Lidar (100) comportant une unité émettrice (100-1) selon l'une des revendications 1 à 6, le capteur Lidar (100) ayant une unité réceptrice (100-2) pour recevoir le rayonnement réfléchi par un objet (104) dans l'environnement. Procédé (400) de commande d'une unité émettrice comprenant au moins une diode laser selon l'une des revendications 1 à 6, et au moins une unité de commande, ce procédé comprenant l'étape consistant à : solliciter (402) la première section ou la seconde section à l'aide de l'unité de commande avec une première grandeur d'alimentation variable clans le temps ou constante. Procédé (400) selon la revendication 8, comprenant une seconde étape consistant à solliciter en plus (403) la première section ou la seconde section avec une seconde grandeur d'alimentation variable dans le temps ou constante et qui diffère de la première grandeur d'alimentation.