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225μm超窄线宽开启激光测距新时代

2021-07-30 邵乐峰 阅读:
准确测量距离和识别空间的LiDAR日益普及,作为光源的激光二极管面临着越来越高的性能要求,225μm超窄线宽激光二极管可以实现哪些技术优势呢?

近年来,在扫地机器人、AGV和自动驾驶汽车等需要自动化工作的广泛应用中,可以准确测量距离和识别空间的LiDAR日益普及。在这种背景下,为了能够“更远”、“更准确”、“更低功耗”地检测到信息,作为光源的激光二极管面临着越来越高的性能要求。TBMednc

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“RLD90QZW3”是ROHM公司日前针对上述领域开发出的一款高输出功率(75W)半导体激光二极管。利用ROHM自有的元器件开发技术,在业界同等输出功率激光二极管中实现了225µm的超窄线宽。与线宽290µm的普通产品相比,线宽缩窄22%,实现了高光束性能。同时,通过使发光强度更均匀,并利用激光波长较低的温度依存性,可稳定发挥高性能,有助于LiDAR在各种环境下实现长距离应用和更高精度。值得一提的是,与窄线宽存在此消彼长关系的光电转换效率,也达到了与普通产品同等的21%(正向电流24A、75W输出时),用户无需担心功耗增加问题。TBMednc

更长距离,更高精度

众所周知,FPLD和VCSEL是两种用于3D测距的激光光源种类。根据不同的应用和测距距离要求,所使用的光源也不太一样。一般来说,对于长距离测距,一般通过旋转式3DToF来实现,通常使用大功率FPLD激光器;对于短距离测距,一般通过旋转式和照射式两种方法实现。其中,旋转式3DToF采用毫瓦级小功率FPLD,照射式方案中的低成本应用,通常采用LED作为光源,而对于高分辨率、高精度的照射用3DToF,一般会采用“VCSEL+扩散板”方案来实现。TBMednc

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而所谓的3DToF,实际就是激光器发射出来的光照射到对象物上,经过照射物反射后,利用感光元件对反射光进行接收,再通过MCU对照射光和反射光的信号进行对比计算,得出光源到对象物的距离、形状、位置等各种信息。TBMednc

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根据ROHM半导体(北京)有限公司技术中心助理经理吴波的介绍,FPLD和VCSEL激光器最大的区别在于激光传导路径的不同。从下图可以看出,当FPLD芯片中正负电极通电之后,激光是从芯片的一边进行发射,这种FPLD也被称之为“边发射型FPLD”。与此相对应的VCSEL,则是在正负电极通电之后,激光垂直于芯片本身从上方直接发射出来,故而也被称之为“垂直腔面发射激光器”。TBMednc

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“RLD90QZW3”利用ROHM激光二极管元器件开发相关的专利技术,作为LiDAR用的75W高输出功率激光二极管,实现了225μm的业界超窄线宽。通过高密度发光实现了高光束性能。此外,除了在整个线宽范围成功地使发光强度更均匀外,激光波长的温度依存性低至0.15nm/℃,不易受温度变化的影响,因此可稳定地发挥其性能。TBMednc

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与同等输出功率、线宽290µm、温度依存性0.25nm/℃的普通产品相比,线宽缩窄22%,激光波长的温度依存性也可降低40%,因此可支持LiDAR的长距离应用;而在测量距离相等的情况下,有助于实现更高精度。TBMednc

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新产品采用专利技术,在同等输出功率的产品中,不仅实现了业界超窄的线宽,而且,在与线宽存在此消彼长关系的光电转换效率方面,也实现了与普通产品同等的21%的效率(正向电流24A、75W输出时)。因此,在采用时无需担心功耗增加。TBMednc

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同时,为了加快本系列产品的市场引入,在ROHM官网上还免费提供评估和导入本系列新产品所需的丰富设计数据,其中包括含有驱动电路设计方法的应用指南、电路板开发用的数据和仿真用的模型(SPICE模型、Ray数据)等。TBMednc

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深耕传感器光源领域

一直以来,ROHM致力于开发并供应包括FP激光二极管(FPLD)和VCSEL产品,早在1984年,就量产了780纳米FPLD激光器件。经过30多年的量产,面向CD、DVD、激光打印机、PM2.5检测等多个市场,开发出多款不同波长、不同功率的激光器件。TBMednc

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最近两年,905纳米大功率激光器成为公司发展重点。得益于拥有能够实现更窄激光线宽的自有专利技术,ROHM在2019年实现了25W高输出功率激光二极管“RLD90QZW5”的量产,主要面向消费电子设备领域。除此之外,目前,ROHM正在开发具有120W高输出功率和车载级(符合AEC-Q102标准)激光二极管产品。而在VCSEL领域,4W以下的小功率VCSEL今年将陆续实现量产,100W大功率VCSEL正在开发中。 TBMednc

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基于MOCVD的自有晶体生长技术、Wet-Dry蚀刻相结合的精细化加工技术、以及实现高品质和稳定供应的公司自有生产线,是吴波列举的ROHM激光二极管生产制造具备的三大优势。而除了元器件开发外,吴波还强调了模块开发的重要性,例如通过在VCSEL模块中集成光源、开关芯片、以及相应的驱动电容,就能够大幅减少驱动电路的寄生参数,从而大幅提升驱动速度,使得模块型VCSEL的出光功率相比传统的分离器件方案提高约30%左右。TBMednc

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