激光二極管的特性、使用注意事項和驅(qū)動電路設(shè)計

激光二極管(半導體激光器，LD)是一種將電能轉(zhuǎn)換為高功率光能的半導體，具有相干性高、光譜寬度窄和方向性強的發(fā)光特點，被廣泛應用于通信、醫(yī)療、工業(yè)切割和焊接等眾多領(lǐng)域，但需要注意過電流、靜電和發(fā)熱問題。在驅(qū)動電路設(shè)計時要求恰當?shù)碾娏骺刂坪蜔峁芾恚虼私ㄗh引入激光二極管保護電路和冷卻系統(tǒng)。本文總結(jié)了使用激光二極管時需要了解的注意事項等內(nèi)容。

激光二極管的特性

首先，我們介紹一下激光二極管的基本特性，然后介紹產(chǎn)品規(guī)格書中用于表示特性的術(shù)語和符號，最后介紹封裝內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，在選用激光二極管時可作為參考。

激光二極管的基本特性

1. 光輸出功率Po

這是激光二極管最基本的特性。光輸出功率Po是指一定大小的電流正向流過激光二極管時輸出的光功率大小，單位為[W]。這種關(guān)系用曲線圖表示時被稱為“I-L特性曲線”(光輸出功率-正向電流特性曲線)。從I-L特性曲線可以看出，流過一定電流時獲得的光輸出功率會隨著溫度升高而降低。換言之，溫度越高，獲得既定光輸出功率所需的電流就越大。

從下述示例中可以看出，25℃時獲得5mW光輸出功率所需的電流為30mA，而在70℃時，獲得相同光輸出功率所需的電流為44mA。

例：RLD65NZX2

激光二極管的光輸出功率大小因產(chǎn)品而異，目前已實現(xiàn)量產(chǎn)的功率范圍為幾mW～幾百W。根據(jù)應用領(lǐng)域合理地選擇所需光輸出功率的激光二極管光非常重要。

2. 振蕩波長λ(振蕩光譜)

波長是用頻率表示從激光二極管輻射出的光的顏色的指標，也是實際使用激光二極管時的一個重要特性。波長的單位為nm(納米)，光的波長越短越接近紫外線(UV)或藍光，波長越長越接近紅外線(IR)。

在激光二極管中，特定波長不同，通信的電波特性以及對特定物質(zhì)的吸收和反射率等也不盡相同，因此需要根據(jù)其使用用途選擇與其特性相匹配的波長。

另外，使用時需考慮振蕩波長的溫度依賴性和光輸出功率依賴性。當芯片結(jié)區(qū)(有源層)溫度升高時，諧振腔的長度發(fā)生物理延長，折射率增大，因此隨著光輸出功率的增加，殼體溫度升高，振蕩波長會呈現(xiàn)變長的趨勢。

3. 遠場圖(FFP：Far Field Pattern)

雖然激光通常被認為是筆直的平行光束，但實際上激光二極管振蕩產(chǎn)生的光束是存在發(fā)散性的。輻射到離激光二極管的芯片端面足夠遠的地方的光的強度分布稱為“遠場圖”。

激光的光束并不都是直線光，而是會因衍射而在傳播過程中發(fā)散開來。由于芯片內(nèi)的諧振腔(有源層和條形電極)的垂直方向是以數(shù)十nm級、水平方向是以數(shù)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。

激光二極管特性的定義

●Absolute Maximum Ratings(絕對最大額定值)：

絕對最大額定值是指在任何外部條件下即使是瞬間也決不能超過的值。按照殼體溫度Tc=25℃時的數(shù)值進行規(guī)定。

●光輸出功率[Po(max.)]：

連續(xù)工作時的最大允許輸出功率。在光輸出功率-正向電流特性曲線圖中，到達該光輸出功率之前不會出現(xiàn)扭折(彎曲)。(圖1)

●反向耐壓(Vr)：

在產(chǎn)品上施加反向偏壓時的最大允許電壓。激光二極管和光電二極管是分別規(guī)定的。

●工作溫度(Topr)：

產(chǎn)品工作時允許的環(huán)境溫度，是按照產(chǎn)品的殼體溫度進行定義的。

●存儲溫度(Tstg)：

產(chǎn)品存放時允許的環(huán)境溫度。

●Characteristics(電氣特性和光學特性)：

表示在Conditions所述條件下驅(qū)動激光二極管時的特性。

●閾值電流(Ith)：

圖2中A為自發(fā)輻射區(qū)，B為激光振蕩區(qū)。激光振蕩開始時的電流值即為閾值電流。激光振蕩區(qū)的電流-光輸出功率直線的延長線與X軸的交點定義為Ith。

●工作電流(Iop)：

輸出既定光輸出功率時所需的正向電流。

●工作電壓(Vop)：

輸出既定光輸出功率時的正向電壓。

●微分效率(η)：

單位驅(qū)動電流所對應的光輸出功率的平均增量。表示激光振蕩區(qū)內(nèi)的正向電流與光輸出功率直線的斜率。(圖2)

●監(jiān)控電流(Im)：

向監(jiān)控光電二極管施加既定的反向電壓的條件下，輸出既定光輸出功率時該光電二極管的輸出電流值。

●水平發(fā)散角(θ//)和垂直發(fā)散角(θ⊥)：

從激光輻射出的光束是像圖3一樣發(fā)散的。當在平行于結(jié)平面的方向(x方向)和垂直于結(jié)平面的方向(y方向)上測量該分布時，其結(jié)果如圖4所示。該分布中峰值強度的1/2處的發(fā)散寬度(半值全角)稱為“θ//”和“θ⊥”，按角度進行定義。

圖3：輻射特性

圖4：輻射特性

●水平方向光軸偏移量(Δ?//)和垂直方向光軸偏移量(Δ?⊥)：

表示相對于基準面的光軸偏差。水平和垂直方向的發(fā)散角分布(圖4)均按(a-b)/2進行定義。(圖5)

圖5：光軸偏移量

●發(fā)光點位置(ΔX，ΔY，ΔZ)：

表示發(fā)光區(qū)域的位置偏差。ΔX和ΔY表示相對于封裝中心的偏差，ΔZ表示相對于基準面的偏差。(圖6)

圖6：發(fā)光點位置

●振蕩波長(λp)：

輸出既定光輸出功率時的峰值振蕩波長。振蕩光譜存在如圖7所示的單模和多模兩種類型，其中多模是按光譜中的最大光強的波長進行定義的。

圖7：振蕩光譜的特性

●功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)：

衡量電能能夠多高效地轉(zhuǎn)換為光能的指標

●像散差(As)：

指激光二極管發(fā)出的光在垂直方向和水平方向的不同位置形成焦點的現(xiàn)象。這2個焦點間的距離定義為像散差(Astigmatism，As)。像散差可能對激光光束的質(zhì)量和形狀有很大影響，因此必須將該值控制在最小范圍內(nèi)。

激光二極管封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路

激光二極管封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)置光電二極管型和不內(nèi)置光電二極管型兩種。光電二極管用于監(jiān)測激光二極管的光輸出功率以使其保持恒定。

以3pin封裝為例，ROHM將從激光二極管封裝頂部(激光光束發(fā)射的方向)俯視時的引腳按順時針方向依次標記為1、2和3號。其中3號引腳作為激光二極管和光電二極管的共用引腳，通常被稱為“公共引腳”。

【3pin封裝的示例】

不同產(chǎn)品的激光二極管和光電二極管的極性(封裝內(nèi)部電路)存在差異。ROHM激光二極管的型號結(jié)構(gòu)如下所示，其中從左起第6個字符表示極性。

激光二極管使用注意事項

激光二極管是非常精密的器件，使用時有一些注意事項。其中特別重要的幾點是不能超過絕對最大額定值、需采取浪涌電流保護措施和靜電防護措施(ESD)、需通過引入適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)進行溫度控制以及針對高功率光束的安全措施。使用激光二極管時需注意以下幾點以確保安全使用。

絕對最大額定值

激光二極管若在超出最大額定值的條件下工作，會造成其瞬間損壞或性能下降，從而大大降低產(chǎn)品的可靠性，因此需確保即使在瞬時也不得超出規(guī)定的最大額定值。

(1)電源開關(guān)通斷時產(chǎn)生的浪涌電流可能導致器件損壞。使用時必須檢查電源瞬態(tài)特性，確保浪涌電流水平不超過最大額定值。

(2)最大額定值是按照殼體溫度25℃時的數(shù)值進行規(guī)定的。隨著溫度升高，最大光輸出功率及允許功耗會降低，導致工作范圍受限。因此請基于額定值進行設(shè)計。

靜電和浪涌防護措施

激光二極管具有在受到靜電等浪涌電流時容易發(fā)生光學災變損傷(COD*)的特性，因此，與其他普通的分立器件產(chǎn)品相比，其靜電耐受能力(ESD*等級)非常低，需格外小心地使用。當正向浪涌流入激光二極管時，過高的光密度會集中于發(fā)光區(qū)域而造成過度發(fā)光，從而損壞發(fā)光區(qū)域和輸出腔面，導致發(fā)光效率降低或完全停止工作。COD一旦發(fā)生就無法再獲得破壞前的光學性能，是一種嚴重的、永久性的損傷。這可能在短時間內(nèi)發(fā)生，因此預防措施非常重要。

*ESD：Electro Static Discharge的縮寫，意思是靜電放電

*COD：Catastrophic Optical Damage的縮寫，表示腔面發(fā)生的光學性損傷。

預防COD的要點

激光二極管靜電損壞的原因多為“人體產(chǎn)生的靜電”或“設(shè)備電源開關(guān)時的尖峰電壓”引起的浪涌電流沖擊。在使用激光二極管時，請采取以下防護措施：

作業(yè)環(huán)境

將設(shè)備和電路接地(確保噪聲不會通過地線進入)，并在每個電源輸入端采取噪聲濾波器和噪聲消除變壓器等浪涌靜電防護措施。

作業(yè)人員

作業(yè)人員必須穿戴防靜電工作服、工作帽和工作鞋。尤其是操作過程中必須佩戴防靜電手環(huán)，并通過1MΩ的高電阻將身體接地。

搬運和儲存容器

使用經(jīng)過防靜電處理的容器。

其他

電源開關(guān)時若產(chǎn)生過大的尖峰狀浪涌電流，會導致激光器受損，造成性能劣化，需特別注意。

避免在類似熒光燈啟輝器的設(shè)備附近使用。(因為在產(chǎn)生高頻浪涌的設(shè)備附近，感應浪涌可能導致激光器性能劣化或損壞)

高溫對策(散熱)

激光二極管與常規(guī)半導體一樣，長時間通電后結(jié)區(qū)會發(fā)熱，導致器件溫度上升。若散熱不足，殼體溫度升高會造成光輸出功率降低，因此為維持既定的光輸出功率必須注入更多的電流。正向電流的增加會引起殼體溫度進一步升高，形成正向電流進一步增大的惡性循環(huán)。

因此請在激光二極管的底座部位緊密貼附鋁等材料的散熱板(尺寸30x30x3mm以上)再使用。

安全保障

激光二極管發(fā)射的光束若使用不當，可能會對人體造成影響，非常危險。直視或通過透鏡觀看激光二極管發(fā)射的光束，可能會導致失明。此外，輸出功率較高激光光束照射到皮膚上可能會引起灼傷等炎癥。看不見的紅外線和紫外線與可見光一樣危險。不可見并不意味著安全，反而需要更加謹慎地使用。調(diào)整光軸時，應使用TV攝像機等設(shè)備，切勿直視激光或照射他人。

ROHM的激光二極管根據(jù)光輸出功率和波長分為Ⅲb級和Ⅳ級，在產(chǎn)品規(guī)格書及產(chǎn)品包裝袋上均印有如下圖所示的警告標簽。

封裝的使用

請勿將封裝從高處跌落或?qū)ζ涫┘舆^大的壓力。需特別注意不要在引腳彎曲的成型加工時損壞玻璃密封部，或因封裝內(nèi)部的引線受力造成鍵合線斷裂。

?帶玻璃窗的產(chǎn)品

切勿觸碰激光二極管的玻璃窗部位，如果玻璃窗有劃痕或臟污會導致激光器的光學特性發(fā)生變化。

?開放式封裝產(chǎn)品

外部環(huán)境可能會導致產(chǎn)品特性和可靠性下降。應對碳粉、人體異物、香煙煙霧等異物、離子引起的腐蝕、粘合劑和助焊劑中的揮發(fā)性成分的影響、冷凝以及光鑷效應等采取充分的措施。另外，需注意不要觸摸包括激光芯片發(fā)光區(qū)域在內(nèi)的帽殼內(nèi)部構(gòu)件。

偏振特性

偏振光是指電場和磁場振動方向具有規(guī)律性的光。激光二極管的光束具有偏振特性，當電場振動方向平行于激光二極管芯片的結(jié)平面時稱為“TE(Transverse Electric wave)模”，當電場振動方向垂直于結(jié)平面時則稱為“TM(Transverse Magnetic wave)模”。TE模與TM模因產(chǎn)品而異，使用偏振光學器件時需注意。

光輸出功率的測量

測量激光二極管的光輸出功率時需使用光功率計——一種用于定量測量光信號強度的電子測試設(shè)備。

【測量準備】

?根據(jù)使用波長對光功率計進行正確設(shè)置與校準。

?為了在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作，需在激光二極管上安裝散熱板，并使用溫度控制器。

【測量步驟】

?調(diào)整光功率計的受光面使激光的所有光束都入射到受光面上。

?將受光面相對于光軸傾斜5~20°以避免來自光功率計受光面的反射光返回至激光二極管。

?向激光二極管注入電流，并用光功率計測量輸出光功率。

?記錄測量到的光輸出功率，必要時繪制圖表做成I-L特性曲線。

I-L特性[注入電流(I)和光輸出功率(L)的關(guān)系]

(I-L)特性表示正向電流(IF)和光的輸出功率(PO)之間的關(guān)系，即光輸出功率隨電流的增加是如何變化的。通過該特性可以確認激光二極管開始振蕩的閾值電流(Ith)和工作電流(Iop)。另外，監(jiān)控電流(Im)是指內(nèi)置的光電二極管檢測到從激光芯片背面輻射的激光光束時所獲得的電流。

通過測量I-L特性，不僅可以評估激光二極管的性能和工作狀態(tài)，還可判斷更佳工作條件。

激光二極管的基本驅(qū)動電路

激光二極管的驅(qū)動方式大致可分為CW驅(qū)動(連續(xù)波驅(qū)動)和脈沖驅(qū)動兩種。CW驅(qū)動是通過以恒定的輸出功率連續(xù)振蕩來獲得穩(wěn)定光輸出功率的驅(qū)動方式，而脈沖驅(qū)動是通過施加短時電流(脈沖)來產(chǎn)生輸出，從而獲得極高峰值輸出功率強度的驅(qū)動方式。

CW驅(qū)動

CW是“Continuous Wave(連續(xù)波)”的縮寫，CW激光器是一種以恒定的輸出功率連續(xù)振蕩的激光器，其特點是可獲得穩(wěn)定的光輸出功率。產(chǎn)品覆蓋從可見光到紅外光等多種波長范圍，在市場上的應用領(lǐng)域極為廣泛。

主要波長范圍 ：從可見光至近紅外光

主要光輸出功率：數(shù)mW～數(shù)W

驅(qū)動方式 ：CW驅(qū)動(APC驅(qū)動方式和ACC驅(qū)動方式等)

主要應用領(lǐng)域 ：激光筆、墨線儀、激光打印機、光盤、傳感器用光源

脈沖驅(qū)動

脈沖激光器可通過施加短時電流(脈沖)產(chǎn)生振蕩輸出。它可能以恒定的重復頻率振蕩，也可能以短脈沖振蕩。由于可以提高峰值光輸出功率強度，并實現(xiàn)激光光束的遠距離傳輸，因此作為遠距離測量傳感器的光源，近年來市場需求持續(xù)攀升。

主要波長范圍：近紅外光

主要光輸出功率(峰值)：數(shù)W～數(shù)百W

驅(qū)動方式 ：脈沖驅(qū)動(電流諧振型、方波型等)

主要應用領(lǐng)域：LiDAR、ToF用光源

CW激光二極管的驅(qū)動電路

CW激光二極管的驅(qū)動電路主要有APC和ACC兩種。

APC (Auto Power Control)

觀察激光二極管封裝中內(nèi)置的PD(光電二極管)的監(jiān)控電流并控制LD驅(qū)動電流使光輸出功率保持恒定的控制方式。

【APC驅(qū)動電路示例】

ACC (Automatic Current Control)

使流過激光二極管的電流保持恒定的控制方式。

※ACC驅(qū)動電路的注意事項

當注入一定的電流時，激光二極管的光輸出功率會隨溫度而變化。為了使ACC電路中的光輸出功率保持恒定，需要控制激光二極管的溫度。因此，一般采用APC電路，即使環(huán)境溫度波動，也能一直獲得恒定的光輸出功率。

【ACC驅(qū)動電路示例】

脈沖激光器的驅(qū)動電路

脈沖激光二極管的驅(qū)動電路有很多種，這里介紹的是電流諧振型驅(qū)動電路。電流諧振型電路的特點是易于通過短脈沖實現(xiàn)高功率輸出。

【電流諧振型電路示例】