基礎知識之激光二極管

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體激光器，通常簡稱為LD。

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

利用注入電流產生的光在2片鏡片之間往返放大，直至激光振蕩。簡單的說，激光二極管也可以說成是一個通過反射鏡將光放大的發光LED。

作為元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半導體，由于LSI及Tr、Di等使用的Si躍遷概率（電流轉變為光的概率）較差，因此不適用于激光二極管。

將激光二極管和LED的區別匯總在了下表中。 由于激光二極管的譜寬是狹窄單一的波長、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性、微小光斑尺寸 (數um～)、單色性、高光密度、相干性 (coherent) 這些特點，被用在各種應用上面。 最近，運動傳感器、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，主流為業內標準的φ5.6mm CAN型，也有重視成本類型的沒有玻璃蓋片的產品。

在Quad beam LD及部分通信類產品中，尺寸大的有φ9.0mm，備有各種封裝。另外，在光盤領域，為了進一步降低成本，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(發光層) 和2片鏡片端面構成。

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。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。(與光纖的原理相同)

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

【激光二極管的芯片結構】

法布里-珀羅型LD:一種最簡單的激光二極管的結構。

外延生長:薄膜結晶生長技術的一種，在原有晶片上進行生長，使之以電路板結晶面一致的結晶排列生長。

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

下圖是注入電流-光輸出 (I-L) 特性。 如果激光二極管通過放大得到的增益（Gain）高于內部損耗和磁鏡損耗，則產生振蕩。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】

測量激光二極管的光輸出時使用光功率計。

設置受光面時，使激光的所有光束都入射到光功率計的受光面上。

將受光面相對光軸傾斜5~20°，以避免來自光功率計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) 的關系，可讀取閾值電流 (Ith) 和工作電流 (Iop) 。

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

【測量示意圖】

注：因為這些測量受溫度影響很大，所以請在激光二極管上安裝散熱板，使用溫度控制器在控制殼體溫度的狀態下測量。

輻射到離芯片端面足夠遠的地方的光的強度分布稱為遠場圖。

半導體激光器發出的光并不都是直線光，因衍射導致擴散發射。 由于芯片內的共振器（有源層和條形電極）的垂直方向是以數10nm級，水平方向是以數μm級制作而成，因此一般來說，遠場圖在有源層上的垂直方向比水平方向要大。

使用APC驅動器，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光面，在以發光點為中心的圓周上使之移動，測量正面為0度時的角度和光強度的關系。 在激光芯片的有源層上，沿水平方向和垂直方向分別進行移動。

【測量示意圖】

APC驅動器：

Auto Power Controll的簡稱，是輸出一定驅動的意思。 LED通常使用的是ACC（恒流驅動），但LD的用途上，使用ACC時輸出的穩定程度不夠。因此，一般的激光二極管中都內置光電二極管用于監視，設置在封裝內部，使之能夠接收到來自芯片后端的光。 使該光電二極管的輸出 (Im：監視電流)保持一定的反饋驅動電路叫作APC驅動器（電路）。

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

使用APC驅動器，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，再通過光纖輸入光譜分析儀，觀測振蕩光譜。

【測量示意圖】

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

【像散差 (As)】

像散差通過[圖1]所示的刀緣法測量。 將半導體激光器的光束用刀緣從一側切下去。

[圖1]

如果對通過刀緣的光量和刀緣的位置（X）進行繪圖，就能得到激光束的積分值。

[圖2]

通過將其微分，可以測量光束直徑（半值全角）。

[圖3]

移動半導體激光器的端面位置 (Z) ，測量光束直徑。 繪制與半導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品相比，ESD水平非常低，因此如果在正向上加入浪涌，則過量發光，導致端面損壞，激光無法振蕩。

Electro Static Discharge 的簡稱，意思是靜電放電。 2) 使用時，請不要觸摸作為鏡片發揮作用的端面。 （其他的分立式產品通?？梢詫⒍嗣孀鳛椤安们杏嗔俊笔褂?。）

LiDAR是Light Detection And Ranging（激光探測與測距）的縮寫，是使用近紅外光、可見光或紫外光照射對象物，并通過光學傳感器捕獲其反射光來測量距離的遙感（使用傳感器從遠處進行感應）方法。

也被稱為“Laser Imaging Detection And Ranging（激光成像檢測與測距）”，通常以脈沖狀近紅外激光照射對象物，計量光線到達對象物并反射回來的時間差。

談到使用LiDAR技術的應用，首先想到的是汽車的高級自動駕駛系統。 據稱該技術是實現全自動駕駛（五級）所必不可少的技術。

此外，該技術還被用于高精度檢測人和物體，例如消費電子領域的掃地機器人和高爾夫測距儀，以及工業設備領域的自動搬運車（AGV）和服務機器人等。

在ADAS（高級駕駛輔助系統：例如自動剎車和車道保持輔助系統）中，攝像頭和毫米波雷達融合的方式是主流選擇。然而，一般認為要想實現汽車的自動駕駛，則需要加上LiDAR技術，采用這三種技術相融合的方式。 可以說，要想實現高級自動駕駛系統，需要取長補短地充分利用這三種技術，并且三者缺一不可。

要提高LiDAR的性能，如實現“更長距離”和“更高空間分辨率”的感測，要求作為感測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可以提供同時滿足這兩項要求的激光二極管。