InGaAs/AlGaAs半导体激光器分成三种，分别是VCSEL和两种EEL。VCSEL顾名思义就是垂直发射的，垂直于器件平面；EEL则在光束上平行于器件平面。EEL可以分成DFB（distributed-feedback）EEL和FP（Fabry-Perot）EEL——这两者的区别主要在于DFB在结构上有个波长光阑，其他部分是类似的。
此前我们探讨过光学方向的3D ToF感知技术，不过主要偏重于ToF模组的接收端与传感器，鲜有涉及发射端的。ToF发光单元对大众而言，很多时候显得十分神秘：我们在《手机的3D感知能力——消费电子ToF技术与市场分析报告》提到过工业界有三种常见的光源：LED、EEL（边缘发射）、VCSEL（垂直腔面激光发射器）。
早前Lumentum发布过一份有关3D感知的半导体激光技术文档，提到InGaAs/AlGaAs半导体激光器分成三种，分别是VCSEL和两种EEL。VCSEL顾名思义就是垂直发射的，垂直于器件平面；EEL则在光束上平行于器件平面。EEL可以分成DFB（distributed-feedback）EEL和FP（Fabry-Perot）EEL——这两者的区别主要在于DFB在结构上有个波长光阑，其他部分是类似的。
前不久罗姆半导体（ROHM Semiconductor）发布LiDAR用75W高输出功率激光二极管“RLD90QZW3”，在媒体分享会上罗姆半导体（上海）有限公司技术中心经理陈智博（Ray Chen）将用于3D测距的激光光源分成FPLD（Fabry-Perot Laser Diode）、LED、VCSEL、高输出功率FPLD。这是根据3D感知距离来做切分的。罗姆在解释中提到，FPLD“是一种常用的半导体激光器”。如果不做细致切分，FP激光器应该就是EEL。
罗姆这次发布的新品就属于高输出功率FPLD，我们也能借此机会从某些层面来谈谈用于LiDAR一类ToF设备的激光二极管。
有关FPLD与VCSEL
ToF光学测距技术以前我们谈得也比较多了，这里不再赘述。其本质就是要测得ToF模组与场景中某个对象的距离，则由ToF模组的光源向该对象发出光（子）。光在发出后抵达该对象，并反射回到ToF模组的传感器。计量此间“光的飞行时间”，在光速已知的前提下，即可得到距离数据。这是dToF的大致原理，iToF细分cw-iToF、p-iToF等测距原理于此存在差异，但发射端发出光，接收端接收反射都是类似的。
ToF在手机、汽车、工业等领域都有比较多的应用。iPad Pro上的那枚“LiDAR”3D感知、建模就是用的光学ToF技术。从广义上来说，高功率的LiDAR、激光雷达也都属于ToF技术范畴。罗姆这次发布的则是整个ToF光学测距模组中，发射端的激光器部分。
我们现在熟知的iPad Pro后置LiDAR，还有华为、vivo手机前置ToF模组所用的发射端光源较常见的是VCSEL（比如用于3D人脸识别、手势操作识别等；iPhone之上Face ID所用的结构光发射端也是VCSEL），此前我们也谈过ams的VCSEL激光发射器。
发射端的半导体激光器是由半导体材料+光学振腔构成的，激光二极管和一般LED的区别在于，其内部要有两个平行的反射镜面形成光学共振腔——激光在两个反射面之间反复来回激发更多光子，增益大于耗损时，激光束就发射出来。
FP是其中相对简单的一种光腔（所谓的法布里珀罗光腔），由半导体材料劈裂刻面（cleaved facets）形成。这种常见的二极管激光器历史也算是比较悠久。FPLD常见的生产步骤包括外延生长、晶圆加工、facet treatment和封装。具体如下图所示。
来源：Laser Systems and Applications, Cristina Masoller, Research group on Dynamics, Nonlinear Optics and Lasers (DONLL), Universitat Politècnica de Catalunya
光学腔的端侧需要“劈裂”，利用劈裂技术得到高平整的劈裂面和高反射镜面。“从剖面图结构来看有两个透镜，光在这里面不停反射，达到一定能量后会从侧面发射出来。”陈智博说。光从芯片的一侧发射出去，通常是椭圆形状。具体波长可由半导体制造过程来决定。
至于VCSEL，很早之前研究人员就一直期望达成以与器件平面垂直的方式发射光，VCSEL就很好地达成了这一点。VCSEL并没有在光共振腔上采用反射镜面，而是在wafer上用外延层在表面构建反射镜面，中间夹着二极管，“VCSEL在垂直方向不停震荡，从活性层出来。”所以VCSEL和FPLD的光传导路径是不同的，VCSEL发光部是器件的上表面。
有关FLPD和VCSEL各自的优缺点，因为篇幅关系本文不再多谈，这也是个比较大的话题，比如说从测试角度VCSEL测试可以在wafer切片之前进行，且VCSEL主要做贴片封装不需要插件工序......未来有机会我们可做更深入的探讨。从罗姆的规划来看，今年预计也会开始生产940nm波段VCSEL。
罗姆的激光二极管产品规划
事实上罗姆在生产制造FPLD激光管产品方面有比较长的历史，早在1984年就开始造激光管。“最早做780nm的小管子，功率在mW级别，主要用于VCD、DVD、CD机的读写。”陈智博表示，“后来做了650nm，这个市场现在也非常活跃，以前做条形码扫描枪，现在很多针对二维码激光扫描。”
2000年之后还有双波长产品，面向激光打印机；2013年前后面向PM2.5检测应用推过635nm FPLD产品——“作为测量工具，用于水平仪测量的635/650nm光源这块市场，罗姆做得也非常大。”
“最近几年发射功率推上去了，我们做了905nm 25W的产品，用于扫地机器人。”陈智博说，“和今天介绍的75W产品属于一个系列。这次我们发布的75W激光二极管，主要目标市场是AGV（物流小车）。”与此同时，罗姆很快“还会在940nm VCSEL产品上突破、发展，做大功率的产品出来。”
上面这张图是罗姆激光二极管产品开发战略，从低功率到高功率更全面的应用覆盖。这张图横轴表示波长，纵轴表示功率。值得注意的是，除了这次发布的75W产品，“开发中”的还包括了120W、500W级FPLD阵列产品。陈智博表示这是针对汽车应用的。
与此同时，VCSEL“开发中”的产品也在向高输出功率走，将来会有100W级别的VCSEL阵列产品。结合这张图和罗姆半导体激光器历史，右下角940nm低输出功率VCSEL可能就是罗姆即将在今年量产的产品，其应用似乎在投影仪接近传感器等，应该是单点距离检测。未来4W左右的产品应用方向则可能包括汽车驾驶舱司机状态识别等；至于100W，大概也是汽车激光雷达一类的应用了。
“后续还会研发光子晶体激光二极管（PCSEL），和原来的产品相比，光更窄、能量更集中，可以照射到更远的距离、精度更高。这是今后的发展方向。”与此同时，陈智博还提到未来罗姆“不光做单颗产品，也做模块化产品。把VCSEL和驱动放在一起做成模块，用更短时间的脉冲去驱动VCSEL，同时输出功率可以提高30%。
新发布75W激光器
罗姆这次发布的是用于LiDAR的75W高功率输出激光二极管，型号为RLD90QZW3，主要应用于AGV和低速车，“比如送快递的物流车、服务机器人”。新产品量产计划6月开始提供样品，10月量产，1个月的产能预计为20万颗。“工业、服务业都有无人化的趋势。”罗姆认为AGV的市场还是相当广阔的，“消费电子和工业设备领域已经有几家公司在评估。”
陈智博谈到了这款产品的5个特点，上面这张图中也已经列出，包括（1）225μm业界超窄线宽；（2）在整个线宽范围内发光强度更均匀；（3）温度依存性低至0.15nm/℃；（4）光电转换效率高；（5）完善的仿真模型。
第一点225μm线宽，有助于支持长距离应用，实现更高精度。一般普通激光管发光面的线宽比较宽，“大概有290μm左右。光源发射相同能量，如果宽度更宽，那么整个面的强度就会低一些，检测距离变短；光斑更宽，光学设计不好处理，难以支持更远距离的检测。”陈智博谈到。所以更窄的线宽，能够实现更长的检测距离和更高的精度。
其次是在线宽范围内，发光强度更均匀。这从上面的对比图中能够直观地体现出来。“光强非常均匀，产品稳定度就会非常好，精度也会非常好。”
温度依存性则是指温度每变化1℃，波长的变化幅度。“普通产品差不多是0.25nm/℃，罗姆这款产品则是0.15nm/℃。”在不同应用中，温度范围变化较大，-40℃到80℃中间有120℃的区间。温飘越小自然有更好的可靠性和稳定性。“我们也在做更进一步的挑战，争取下一步产品做到0.1nm/℃以下，这是今后的方向。”
光电转换效率（PCE）比较容易理解，激光管发光的过程是光转为电的过程。实际上更窄的线宽是不利于PCE做高的，不过陈智博表示通过调整改善，”保证大功率输出、线宽很窄的同时，我们的光电转换效率也能和普通产品处在同一水准。”不过他并未想谈具体是怎么做的，“现在可以做到21%的光电转换效率。”而PCE变高，对低功耗也更有价值。
除此之外，陈智博还提到罗姆提供非常完善的文档——这就是产品周边开发生态与服务相关的话题了。“可户可以从官网找到驱动电路设计的应用指南，还有开发的驱动板。有一些客户公司设计的时候会先做理论计算、电气仿真，客户可以从罗姆官网下载通用的SPICE模型，也可以下载Ray光源数据，所有的光学产品都有光源数据，这是做配套透镜设计时候用的。除了这些，最简单的3D模型也都有。”
现场展示的demo，“是罗姆和艾睿一起做的。”如上图所示，这是个比较简单的ToF测距功能演示，其上有发射端和接收端两部分。媒体交流会现场5.x米的距离就能测出来，几十厘米到50米的距离都可测量。整个系统的框图如下图所示。除了ToF模组发射端和接收端之外，有个MCU做控制和计算。
“这边还有个驱动，驱动用的是氮化镓FET——用氮化镓是因为我们需要非常窄的驱动信号，脉冲时间15ns。以后再往极致做，我们的产品可以做到3ns，这样的脉冲也能有正常输出，反应速度非常快。”陈智博特别谈到。
除了这次的新品交流，罗姆半导体(上海)有限公司市场宣传课副总经理原直人也分享了罗姆半导体FY2021的财报和中期经营计划。这其中比较值得一提的是，原直人提到罗姆的优势，在于“整合技术”、IDM垂直统合，以及“广泛的产品群”和以“客户导向”。
以这次发布的75W高功率输出激光二极管为代表的，罗姆作为IDM角色下，“基于MOCVD（有机金属化学气相沉积法）的自有晶体生长技术”，“Wet-Dry蚀刻相结合的精细化加工技术”，“从芯片（元器件）到成品（封装产品）的垂直统合型一贯生产体制”。这一点的确是罗姆长久以来的优势。
罗姆半导体FY2020主要实现的是减收增益，销售利润30.5%的增长。FY2021（2021.4.1-2022.3.31）计划销售额为4000亿日元，营业利润490亿日元，相比FY2020预计分别有11.1%和27.3%的增长。其中期经营计划（2021年度-2025年度）提到罗姆的经营愿景以及在新的社会基础建设中的使命是“专注于电源和模拟技术，并通过满足客户对‘节能’和‘小型化’的需求，来解决社会问题”。
在发展投资方面，罗姆计划包括增产和并购等在内，今后5年内将投资4000亿日元。投资方向包括功率元器件（SiC新厂房8英寸生产线、Si-MOS、IGBT生产线增强）、LSI（12英寸Bi-CDMOS生产线、隔离型栅极驱动器生产线增强）、在总部所在地设立制造开发基地，以及业务拓展和获取技术的并购与资本合作。具体的规划这里不再展开，不过5年投资计划这些多少还是能够看到罗姆的发展思路的。
责编：Luffy Liu
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