基礎(chǔ)知識(shí)之激光二極管

激光二極管(Laser Diode) 的LASER是取“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（基于受激發(fā)射的光放大）”的首字母組成的縮寫單詞，激光二極管也被稱為半導(dǎo)體激光器，通常簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D。

由于可產(chǎn)生波長(zhǎng)及相位等性質(zhì)完全一樣的光，因此相干性高(coherent)是其最大特點(diǎn)。

利用注入電流產(chǎn)生的光在2片鏡片之間往返放大，直至激光振蕩。簡(jiǎn)單的說(shuō)，激光二極管也可以說(shuō)成是一個(gè)通過(guò)反射鏡將光放大的發(fā)光LED。

作為元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半導(dǎo)體，由于LSI及Tr、Di等使用的Si躍遷概率（電流轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾母怕剩┹^差，因此不適用于激光二極管。

將激光二極管和LED的區(qū)別匯總在了下表中。 由于激光二極管的譜寬是狹窄單一的波長(zhǎng)、相位整齊、指向性高的光，因此具備容易控制能量的特征。

激光二極管充分利用直進(jìn)性、微小光斑尺寸 (數(shù)um～)、單色性、高光密度、相干性 (coherent) 這些特點(diǎn)，被用在各種應(yīng)用上面。 最近，運(yùn)動(dòng)傳感器、HDD熱輔助磁性記錄、照明（投影儀、前照燈）上也在使用。

下表中匯總了按激光二極管的功能分類的用途示例。

激光二極管的封裝，主流為業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的φ5.6mm CAN型，也有重視成本類型的沒(méi)有玻璃蓋片的產(chǎn)品。

在Quad beam LD及部分通信類產(chǎn)品中，尺寸大的有φ9.0mm，備有各種封裝。另外，在光盤領(lǐng)域，為了進(jìn)一步降低成本，也有采用樹脂制作的框架封裝等。

法布里-珀羅型LD是由n/p包層、夾在包層之間的有源層(發(fā)光層) 和2片鏡片端面構(gòu)成。

由于包層材料的禁帶寬度比有源層寬，因此將載體（電子和空穴）能量性的封閉起來(lái)。并且，由于包層材料的折射率比有源層小，因此光也封閉在有源層內(nèi)。(與光纖的原理相同)

有源層和包層由納米級(jí)可控的外延生長(zhǎng)生產(chǎn)，條形(電極)以微米級(jí)可控的光刻法制作。

【激光二極管的芯片結(jié)構(gòu)】

法布里-珀羅型LD:一種最簡(jiǎn)單的激光二極管的結(jié)構(gòu)。

外延生長(zhǎng):薄膜結(jié)晶生長(zhǎng)技術(shù)的一種，在原有晶片上進(jìn)行生長(zhǎng)，使之以電路板結(jié)晶面一致的結(jié)晶排列生長(zhǎng)。

光刻法:一種將涂敷了感光性物質(zhì)的表面曝光，利用曝光部分和未曝光部分生成圖案的技術(shù)。

下圖是注入電流-光輸出 (I-L) 特性。 如果激光二極管通過(guò)放大得到的增益（Gain）高于內(nèi)部損耗和磁鏡損耗，則產(chǎn)生振蕩。即存在振蕩電流閾值。 最大輸出受到扭折（電流-光輸出直線的折彎）、COD（端面光破壞）、溫度引起的熱飽和等的限制。

【注入電流-光輸出 (I-L) 特性】

測(cè)量激光二極管的光輸出時(shí)使用光功率計(jì)。

設(shè)置受光面時(shí)，使激光的所有光束都入射到光功率計(jì)的受光面上。

將受光面相對(duì)光軸傾斜5~20°，以避免來(lái)自光功率計(jì)受光面的反射光返回到激光二極管。

I-L特性表示正向電流 (IF) 和光輸出 (PO) 的關(guān)系，可讀取閾值電流 (Ith) 和工作電流 (Iop) 。

監(jiān)視電流 (Im) 是用內(nèi)置的光電二極管監(jiān)視從激光芯片后面射出的激光時(shí)的輸出電流。

【測(cè)量示意圖】

注：因?yàn)檫@些測(cè)量受溫度影響很大，所以請(qǐng)?jiān)诩す舛O管上安裝散熱板，使用溫度控制器在控制殼體溫度的狀態(tài)下測(cè)量。

輻射到離芯片端面足夠遠(yuǎn)的地方的光的強(qiáng)度分布稱為遠(yuǎn)場(chǎng)圖。

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光并不都是直線光，因衍射導(dǎo)致擴(kuò)散發(fā)射。 由于芯片內(nèi)的共振器（有源層和條形電極）的垂直方向是以數(shù)10nm級(jí)，水平方向是以數(shù)μm級(jí)制作而成，因此一般來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)場(chǎng)圖在有源層上的垂直方向比水平方向要大。

使用APC驅(qū)動(dòng)器，使激光二極管的光輸出保持一定。 光電二極管的受光面朝向激光芯片的發(fā)光面，在以發(fā)光點(diǎn)為中心的圓周上使之移動(dòng)，測(cè)量正面為0度時(shí)的角度和光強(qiáng)度的關(guān)系。 在激光芯片的有源層上，沿水平方向和垂直方向分別進(jìn)行移動(dòng)。

【測(cè)量示意圖】

APC驅(qū)動(dòng)器：

Auto Power Controll的簡(jiǎn)稱，是輸出一定驅(qū)動(dòng)的意思。 LED通常使用的是ACC（恒流驅(qū)動(dòng)），但LD的用途上，使用ACC時(shí)輸出的穩(wěn)定程度不夠。因此，一般的激光二極管中都內(nèi)置光電二極管用于監(jiān)視，設(shè)置在封裝內(nèi)部，使之能夠接收到來(lái)自芯片后端的光。 使該光電二極管的輸出 (Im：監(jiān)視電流)保持一定的反饋驅(qū)動(dòng)電路叫作APC驅(qū)動(dòng)器（電路）。

振蕩波長(zhǎng)用符號(hào)λ表示，單位是nm（納米）。 由有源層結(jié)晶材料具有的禁帶寬度和芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)的共振器長(zhǎng)度決定。 共振器長(zhǎng)度存在很多候選振蕩波長(zhǎng)，但禁帶寬度周圍增益最大的波長(zhǎng)發(fā)生振蕩。 如果結(jié)區(qū)（有源層）溫度上升，則共振器長(zhǎng)度發(fā)生物理伸長(zhǎng)或折射率變大，如果殼體溫度及光輸出增大，則振蕩波長(zhǎng)將變長(zhǎng)。

使用APC驅(qū)動(dòng)器，使LD的光輸出保持一定。 使用集光鏡頭令激光入射到光纖上，再通過(guò)光纖輸入光譜分析儀，觀測(cè)振蕩光譜。

【測(cè)量示意圖】

激光二極管接合部在垂直方向和水平方向上外觀的焦點(diǎn)位置不同。將這2個(gè)焦點(diǎn)間的距離定義為像散差 (As)。

【像散差 (As)】

像散差通過(guò)[圖1]所示的刀緣法測(cè)量。 將半導(dǎo)體激光器的光束用刀緣從一側(cè)切下去。

[圖1]

如果對(duì)通過(guò)刀緣的光量和刀緣的位置（X）進(jìn)行繪圖，就能得到激光束的積分值。

[圖2]

通過(guò)將其微分，可以測(cè)量光束直徑（半值全角）。

[圖3]

移動(dòng)半導(dǎo)體激光器的端面位置 (Z) ，測(cè)量光束直徑。 繪制與半導(dǎo)體激光器的接合方向垂直、水平的各方向的光束直徑和端面位置。[圖4]

從2個(gè)光束直徑的最小值的位置可求得像散差。

[圖4]

1) 由于與其他的分立式產(chǎn)品相比，ESD水平非常低，因此如果在正向上加入浪涌，則過(guò)量發(fā)光，導(dǎo)致端面損壞，激光無(wú)法振蕩。

Electro Static Discharge 的簡(jiǎn)稱，意思是靜電放電。 2) 使用時(shí)，請(qǐng)不要觸摸作為鏡片發(fā)揮作用的端面。 （其他的分立式產(chǎn)品通常可以將端面作為“裁切余量”使用 。）

LiDAR是Light Detection And Ranging（激光探測(cè)與測(cè)距）的縮寫，是使用近紅外光、可見(jiàn)光或紫外光照射對(duì)象物，并通過(guò)光學(xué)傳感器捕獲其反射光來(lái)測(cè)量距離的遙感（使用傳感器從遠(yuǎn)處進(jìn)行感應(yīng)）方法。

也被稱為“Laser Imaging Detection And Ranging（激光成像檢測(cè)與測(cè)距）”，通常以脈沖狀近紅外激光照射對(duì)象物，計(jì)量光線到達(dá)對(duì)象物并反射回來(lái)的時(shí)間差。

談到使用LiDAR技術(shù)的應(yīng)用，首先想到的是汽車的高級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。 據(jù)稱該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛（五級(jí)）所必不可少的技術(shù)。

此外，該技術(shù)還被用于高精度檢測(cè)人和物體，例如消費(fèi)電子領(lǐng)域的掃地機(jī)器人和高爾夫測(cè)距儀，以及工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的自動(dòng)搬運(yùn)車（AGV）和服務(wù)機(jī)器人等。

在ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)：例如自動(dòng)剎車和車道保持輔助系統(tǒng)）中，攝像頭和毫米波雷達(dá)融合的方式是主流選擇。然而，一般認(rèn)為要想實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)駕駛，則需要加上LiDAR技術(shù)，采用這三種技術(shù)相融合的方式。 可以說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，需要取長(zhǎng)補(bǔ)短地充分利用這三種技術(shù)，并且三者缺一不可。

要提高LiDAR的性能，如實(shí)現(xiàn)“更長(zhǎng)距離”和“更高空間分辨率”的感測(cè)，要求作為感測(cè)光源的激光二極管具有更高輸出功率、更高效率以及更小的光束光斑。 ROHM可以提供同時(shí)滿足這兩項(xiàng)要求的激光二極管。