激光二極管的特性、使用注意事項(xiàng)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

激光二極管(半導(dǎo)體激光器，LD)是一種將電能轉(zhuǎn)換為高功率光能的半導(dǎo)體，具有相干性高、光譜寬度窄和方向性強(qiáng)的發(fā)光特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)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(guò)電流、靜電和發(fā)熱問(wèn)題。在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)要求恰當(dāng)?shù)碾娏骺刂坪蜔峁芾?，因此建議引入激光二極管保護(hù)電路和冷卻系統(tǒng)。本文總結(jié)了使用激光二極管時(shí)需要了解的注意事項(xiàng)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(shū)中用于表示特性的術(shù)語(yǔ)和符號(hào)，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(shí)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(guò)激光二極管時(shí)輸出的光功率大小，單位為[W]。這種關(guān)系用曲線圖表示時(shí)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(guò)一定電流時(shí)獲得的光輸出功率會(huì)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(shí)獲得5mW光輸出功率所需的電流為30mA，而在70℃時(shí)，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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的功率范圍為幾mW～幾百W。根據(jù)應(yīng)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(zhǎng)λ(振蕩光譜)

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

在激光二極管中，特定波長(zhǎng)不同，通信的電波特性以及對(duì)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(zhǎng)。

另外，使用時(shí)需考慮振蕩波長(zhǎng)的溫度依賴性和光輸出功率依賴性。當(dāng)芯片結(jié)區(qū)(有源層)溫度升高時(shí)，諧振腔的長(zhǎng)度發(fā)生物理延長(zhǎng)，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(zhǎng)會(huì)呈現(xiàn)變長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3. 遠(yuǎn)場(chǎng)圖(FFP：Far Field Pattern)

雖然激光通常被認(rèn)為是筆直的平行光束，但實(shí)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(yuǎn)的地方的光的強(qiáng)度分布稱為“遠(yuǎn)場(chǎng)圖”。

激光的光束并不都是直線光，而是會(huì)因衍射而在傳播過(guò)程中發(fā)散開(kāi)來(lái)。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(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。

激光二極管特性的定義

●Absolute Maximum Ratings(絕對(duì)最大額定值)：

絕對(duì)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(guò)的值。按照殼體溫度Tc=25℃時(shí)的數(shù)值進(jìn)行規(guī)定。

●光輸出功率[Po(max.)]：

連續(xù)工作時(shí)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(dá)該光輸出功率之前不會(huì)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(shí)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(shí)允許的環(huán)境溫度，是按照產(chǎn)品的殼體溫度進(jìn)行定義的。

●存儲(chǔ)溫度(Tstg)：

產(chǎn)品存放時(shí)允許的環(huán)境溫度。

●Characteristics(電氣特性和光學(xué)特性)：

表示在Conditions所述條件下驅(qū)動(dòng)激光二極管時(shí)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(kāi)始時(shí)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(zhǎng)線與X軸的交點(diǎn)定義為Ith。

●工作電流(Iop)：

輸出既定光輸出功率時(shí)所需的正向電流。

●工作電壓(Vop)：

輸出既定光輸出功率時(shí)的正向電壓。

●微分效率(η)：

單位驅(qū)動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)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(shí)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(dāng)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(cè)量該分布時(shí)，其結(jié)果如圖4所示。該分布中峰值強(qiáng)度的1/2處的發(fā)散寬度(半值全角)稱為“θ//”和“θ⊥”，按角度進(jìn)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(duì)于基準(zhǔn)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(jìn)行定義。(圖5)

圖5：光軸偏移量

●發(fā)光點(diǎn)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(duì)于封裝中心的偏差，ΔZ表示相對(duì)于基準(zhǔn)面的偏差。(圖6)

圖6：發(fā)光點(diǎn)位置

●振蕩波長(zhǎng)(λp)：

輸出既定光輸出功率時(shí)的峰值振蕩波長(zhǎng)。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(qiáng)的波長(zhǎng)進(jìn)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(biāo)

●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(diǎn)的現(xiàn)象。這2個(gè)焦點(diǎn)間的距離定義為像散差(Astigmatism，As)。像散差可能對(duì)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(cè)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(shí)的引腳按順時(shí)針?lè)较蛞来螛?biāo)記為1、2和3號(hào)。其中3號(hào)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(hào)結(jié)構(gòu)如下所示，其中從左起第6個(gè)字符表示極性。

激光二極管使用注意事項(xiàng)

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

絕對(duì)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(huì)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(shí)也不得超出規(guī)定的最大額定值。

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

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

靜電和浪涌防護(hù)措施

激光二極管具有在受到靜電等浪涌電流時(shí)容易發(fā)生光學(xué)災(zāi)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(jí))非常低，需格外小心地使用。當(dāng)正向浪涌流入激光二極管時(shí)，過(guò)高的光密度會(huì)集中于發(fā)光區(qū)域而造成過(guò)度發(fā)光，從而損壞發(fā)光區(qū)域和輸出腔面，導(dǎo)致發(fā)光效率降低或完全停止工作。COD一旦發(fā)生就無(wú)法再獲得破壞前的光學(xué)性能，是一種嚴(yán)重的、永久性的損傷。這可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，因此預(yù)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(xué)性損傷。

預(yù)防COD的要點(diǎn)

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(kāi)關(guān)時(shí)的尖峰電壓”引起的浪涌電流沖擊。在使用激光二極管時(shí)，請(qǐng)采取以下防護(hù)措施：

作業(yè)環(huán)境

將設(shè)備和電路接地(確保噪聲不會(huì)通過(guò)地線進(jìn)入)，并在每個(gè)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(hù)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(guò)程中必須佩戴防靜電手環(huán)，并通過(guò)1MΩ的高電阻將身體接地。

搬運(yùn)和儲(chǔ)存容器

使用經(jīng)過(guò)防靜電處理的容器。

其他

電源開(kāi)關(guān)時(shí)若產(chǎn)生過(guò)大的尖峰狀浪涌電流，會(huì)導(dǎo)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?yàn)樵诋a(chǎn)生高頻浪涌的設(shè)備附近，感應(yīng)浪涌可能導(dǎo)致激光器性能劣化或損壞)

高溫對(duì)策(散熱)

激光二極管與常規(guī)半導(dǎo)體一樣，長(zhǎng)時(shí)間通電后結(jié)區(qū)會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致器件溫度上升。若散熱不足，殼體溫度升高會(huì)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(huì)引起殼體溫度進(jìn)一步升高，形成正向電流進(jìn)一步增大的惡性循環(huán)。

因此請(qǐng)?jiān)诩す舛O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(dāng)，可能會(huì)對(duì)人體造成影響，非常危險(xiǎn)。直視或通過(guò)透鏡觀看激光二極管發(fā)射的光束，可能會(huì)導(dǎo)致失明。此外，輸出功率較高激光光束照射到皮膚上可能會(huì)引起灼傷等炎癥。看不見(jiàn)的紅外線和紫外線與可見(jiàn)光一樣危險(xiǎn)。不可見(jiàn)并不意味著安全，反而需要更加謹(jǐn)慎地使用。調(diào)整光軸時(shí)，應(yīng)使用TV攝像機(jī)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(zhǎng)分為Ⅲb級(jí)和Ⅳ級(jí)，在產(chǎn)品規(guī)格書(shū)及產(chǎn)品包裝袋上均印有如下圖所示的警告標(biāo)簽。

封裝的使用

請(qǐng)勿將封裝從高處跌落或?qū)ζ涫┘舆^(guò)大的壓力。需特別注意不要在引腳彎曲的成型加工時(shí)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(huì)導(dǎo)致激光器的光學(xué)特性發(fā)生變化。

?開(kāi)放式封裝產(chǎn)品

外部環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品特性和可靠性下降。應(yīng)對(duì)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(yīng)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(chǎng)和磁場(chǎng)振動(dòng)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(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于激光二極管芯片的結(jié)平面時(shí)稱為“TE(Transverse Electric wave)?！保?dāng)電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于結(jié)平面時(shí)則稱為“TM(Transverse Magnetic wave)?！?。TE模與TM模因產(chǎn)品而異，使用偏振光學(xué)器件時(shí)需注意。

光輸出功率的測(cè)量

測(cè)量激光二極管的光輸出功率時(shí)需使用光功率計(jì)——一種用于定量測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度的電子測(cè)試設(shè)備。

【測(cè)量準(zhǔn)備】

?根據(jù)使用波長(zhǎng)對(duì)光功率計(jì)進(jìn)行正確設(shè)置與校準(zhǔn)。

?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(cè)量步驟】

?調(diào)整光功率計(jì)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(duì)于光軸傾斜5~20°以避免來(lái)自光功率計(jì)受光面的反射光返回至激光二極管。

?向激光二極管注入電流，并用光功率計(jì)測(cè)量輸出光功率。

?記錄測(cè)量到的光輸出功率，必要時(shí)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(guò)該特性可以確認(rèn)激光二極管開(kāi)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(cè)到從激光芯片背面輻射的激光光束時(shí)所獲得的電流。

通過(guò)測(cè)量I-L特性，不僅可以評(píng)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(dòng)電路

激光二極管的驅(qū)動(dòng)方式大致可分為CW驅(qū)動(dòng)(連續(xù)波驅(qū)動(dòng))和脈沖驅(qū)動(dòng)兩種。CW驅(qū)動(dòng)是通過(guò)以恒定的輸出功率連續(xù)振蕩來(lái)獲得穩(wěn)定光輸出功率的驅(qū)動(dòng)方式，而脈沖驅(qū)動(dòng)是通過(guò)施加短時(shí)電流(脈沖)來(lái)產(chǎn)生輸出，從而獲得極高峰值輸出功率強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)方式。

CW驅(qū)動(dòng)

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(diǎn)是可獲得穩(wěn)定的光輸出功率。產(chǎn)品覆蓋從可見(jiàn)光到紅外光等多種波長(zhǎng)范圍，在市場(chǎng)上的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。

主要波長(zhǎng)范圍 ：從可見(jiàn)光至近紅外光

主要光輸出功率：數(shù)mW～數(shù)W

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

主要應(yīng)用領(lǐng)域 ：激光筆、墨線儀、激光打印機(jī)、光盤、傳感器用光源

脈沖驅(qū)動(dòng)

脈沖激光器可通過(guò)施加短時(shí)電流(脈沖)產(chǎn)生振蕩輸出。它可能以恒定的重復(fù)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(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)激光光束的遠(yuǎn)距離傳輸，因此作為遠(yuǎn)距離測(cè)量傳感器的光源，近年來(lái)市場(chǎng)需求持續(xù)攀升。

主要波長(zhǎng)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(dòng)方式 ：脈沖驅(qū)動(dòng)(電流諧振型、方波型等)

主要應(yīng)用領(lǐng)域：LiDAR、ToF用光源

CW激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路

CW激光二極管的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流使光輸出功率保持恒定的控制方式。

【APC驅(qū)動(dòng)電路示例】

ACC (Automatic Current Control)

使流過(guò)激光二極管的電流保持恒定的控制方式。

※ACC驅(qū)動(dòng)電路的注意事項(xiàng)

當(dāng)注入一定的電流時(shí)，激光二極管的光輸出功率會(huì)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(dòng)，也能一直獲得恒定的光輸出功率。

【ACC驅(qū)動(dòng)電路示例】

脈沖激光器的驅(qū)動(dòng)電路

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

【電流諧振型電路示例】