激光二極管

在講激光產生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，

一是處於高能態的粒子自發向低能態躍遷，稱之為自發輻射；

二是處於高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為受激輻射；

三是處於低能態的粒子吸收外來光的能量向高能態躍遷稱之為受激吸收。

自發輻射，即使是兩個同時從某一高能態向低能態躍遷的粒子，它們發出光的相位、偏振狀態、發射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位於高能態的粒子在外來光子的激發下向低能態躍遷，發出在頻率、相位、偏振狀態等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中，發生的輻射就是受激輻射，它發出的激光在頻率、相位、偏振狀態等方面完全一樣。任何的受激發光系統，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射佔優勢，才能把外來光放大而發出激光。而一般光源中都是受激吸收佔優勢，只有粒子的平衡態被打破，使高能態的粒子數大於低能態的粒子數（這樣情況稱為粒子數反轉），才能發出激光。

產生激光的三個條件是：實現粒子數反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產生光的受激發射的首要條件是粒子數反轉，在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。為了獲得粒子數反轉，通常採用重摻雜的P型和N型材料構成PN結，這樣，在外加電壓作用下，在結區附近就出現了粒子數反轉—在高費米能級EFC以下導帶中貯存着電子，而在低費米能級EFV以上的價帶中貯存着空穴。實現粒子數反轉是產生激光的必要條件，但不是充分條件。要產生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡，激活物質所發出的受激輻射光在兩個反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大於激光器內的各種損耗，即滿足一定的閾值條件：

P1P2exp（2G - 2A) ≥ 1

（P1、P2是兩個反射鏡的反射率，G是激活介質的增益係數，A是介質的損耗係數，exp為常數），才能輸出穩定的激光，另一方面，激光在諧振腔內來回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。時，才能在輸出端產生加強幹涉，輸出穩定激光。設諧振腔的長度為L，激活介質的折射率為N，則

Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度L和折射率N確定以後，只有某些特定頻率的光才能形成光振盪，輸出穩定的激光。這説明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。

上世紀60年代發明的一種光源，命名為激光，LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。

1962年秋首次研製出 77K下脈衝受激發射的同質結GaAs 激光二極管。

1964 年將其工作温度提高到室温。

1969年製造出室温下脈衝工作的單異質結激光二極管，

1970年製成室温下連續工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs雙異質結(DH)激光二極管。此後，激光二極管迅速發展。1975年 Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二極管的壽命提高到105小時以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP 長波長DH激光二極管也取得重大進展，因而推動了光纖通信和其他應用的發展。此外還出現了由Pb1-xSnxTe等 Ⅳ-Ⅵ族材料製成的遠紅外波長激光二極管。

半導體激光二極管的基本結構：垂直於PN結面的一對平行平面構成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經過拋光的平面。其餘兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半導體中的光發射通常起因於載流子的複合。當半導體的PN結加有正向電壓時，會削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生複合，從而發射出波長為λ的光子，其公式如下：

λ = hc/Eg ⑴

式中：h—普朗克常數； c—光速； Eg—半導體的禁帶寬度。

上述由於電子與空穴的自發複合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子—空穴對附近，就能激勵二者複合，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子複合而發出新光子現象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分佈，即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產生的光子由於諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者説對某一頻率具有增益。當增益大於吸收損耗時，就可從PN結髮出具有良好譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡單原理。 ^[1] 

隨着技術和工藝的發展，多層結構。

常用的激光二極管有兩種：①PIN光電二極管。它在收到光功率產生光電流時，會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大，比PIN光電二極管的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件後面須連接低噪聲預放大器和主放大器。

半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。

⑴波長：即激光管工作波長，可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

⑵閾值電流Ith ：即激光管開始產生激光振盪的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。

⑶工作電流Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流，此值對於設計調試激光驅動電路較重要。

⑷垂直髮散角θ⊥：激光二極管的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15˚~40˚左右。

⑸水平發散角θ∥：激光二極管的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6˚~ 10˚左右。

⑹監控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。

激光二極管在計算機上的光盤驅動器，激光打印機中的打印頭，條形碼掃描儀，激光測距、激光醫療，光通訊，激光指示等小功率光電設備中得到了廣泛的應用，在舞台燈光、激光手術、激光焊接和激光武器等大功率設備中也得到了應用。

晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，並建有自建電場。當不存在外加電壓時，由於p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態。

當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。

當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓範圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。

當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。 ^[2] 

二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的

實驗説明二極管的正向特性和反向特性。

1·正向特性

在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須説明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以後，二極管才能直正導通。導通後二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

2·反向特性

在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處於截止狀態，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處於反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態稱為二極管的擊穿。激光二極管的注入電流必須大於臨界電流密度，才能滿足居量反轉條件而發出激光。臨界電流密度與接面温度有關，並且間接影響效益。高温操作時，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞組件。

當激光二極管注入電流在臨界電流密度以下時，發光機制主要是自發放射，光譜分散較廣，頻寬大約在100到500埃（埃=10-1奈米，原子直徑的數量級就是幾個埃〉之間。但當電流密度超過臨界值時，就開始產生振盪，最後只剩下少數幾個模態，而頻寬也減小到30埃以下。而且，激光二極管的消耗功率極小，以雙異質結構激光為例，最大的額定電壓通常低於2伏特，輸入電流則在15到100毫安之間，消耗功率往往不到一瓦特，而輸出功率達數十毫瓦特以上。

激光二極管的特色之一，是能直接從電流調製其輸出光的強弱。因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係，所以激光二極管可以採用模擬或數字電流直接調製輸出光的強弱，省掉昂貴的調製器，使二極管的應用更加經濟實惠。

激光二極管的發光原理：激光二極管中的P-N結由兩個摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個平端結構，平行於一端鏡像（高度反射面）和一個部分反射。要發射的光的波長與連接處的長度正好相關。當P-N結由外部電壓源正向偏置時，電子通過結而移動，並像普通二極管那樣重新組合。當電子與空穴複合時，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導致更多的光子被釋放。隨着正向偏置電流的增加，更多的電子進入耗盡區並導致更多的光子被髮射。最終，在耗盡區內隨機漂移的一些光子垂直照射反射表面，從而沿着它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結的另一端反射回來。光子從一端到另一端的這種運動連續多次。在光子運動過程中，由於雪崩效應，更多的原子會釋放更多的光子。這種反射和產生越來越多的光子的過程產生非常強烈的激光束。在上面解釋的發射過程中產生的每個光子與在能級，相位關係和頻率上的其他光子相同。因此，發射過程給出單一波長的激光束。為了產生一束激光，必須使激光二極管的電流超過一定的閾值電平。低於閾值水平的電流迫使二極管表現為LED，發出非相干光。 ^[3] 

DFB-LD

F-P(法布里-珀羅）腔LD已成為常規產品，向高可靠低價化方向發展。DFB-LD的激射波長主要由器件內部製備的微小折射光柵週期決定，依賴沿整個有源層等間隔分佈反射的皺褶波紋狀結構光柵進行工作。DFB-LD兩邊為不同材料或不同組分的半導體晶層，一般製作在量子阱QW有源層附近的光波導區。這種波紋狀結構使光波導區的折射率呈週期性分佈，其作用就像一個諧振控，波長選擇機構是光柵。利用QW材料尺寸效應和DFB光柵的選模作用，所激射出的光的譜線很寬，在高速率調製下可動態單縱模輸出。內置調製器的DFB-LD滿足光發射機小型、低功耗的要求。

DFB-LD多采用Ⅲ和Ⅴ族元素組成的三元化合物、四元化合物，在1550nm波段內，最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研發日趨成熟，國際上僅少數幾家廠商可提供商用產品。優化器件結構，有源區為應變超晶格QW。有源區周邊一般為雙溝掩埋或脊型波導結構。有源區附近的光波導區為DFB光柵，採用一些特殊的設計，如：波紋坡度可調分佈耦合、復耦合、吸收耦合、增益耦合、複合非連續相移等結構，提高器件性能。生產技術中，金屬有機化學汽相澱積MOCVD和光柵的刻蝕是其關鍵工藝。MOCVD可精確控制外延生長層的組分、摻雜濃度、薄到幾個原子層的厚度，生長效率高，適合大批量製作，反應離子束刻蝕能保證光柵幾何圖形的均勻性，電子束產生相位掩膜刻蝕可一步完成陣列光柵的製作。1550nmDFB-LD開始大量用於622Mb/s、2.5Gb/s光傳輸系統設備，對波長的選擇使DFB-LD在大容量、長距離光纖通信中成為主要光源。

同一芯片上集成多波長DFB-LD與外腔電吸收調製器的單芯片光源也在發展中。研製成功的電吸收調製器集成光源，採用有源層與調製器吸收層共用多QW結構。調製器的作用如同一個高速開關，把LD輸出變換成二進制的0和1。在一塊芯片上形成40種不同的折射光柵，波長1530--1590nm的40路調製器集成光源，信道間隔為200GHz。其開發目標是集成100個發射波長的LD陣列，以進行9.5THz超大容量的通信。

VCSEL

VCSEL（垂直腔面發射激光）二極管的特點如下：從其頂部發射出圓柱形射束，射束無需進行不對稱矯正或散光矯正，即可調製成用途廣泛的環形光束，易與光纖耦合；轉換效率非常高，功耗僅為邊緣發射LD的幾分之一；調製速度快，在1GHz以上；閾值很低,噪聲小；重直腔面很小，易於高密度大規模製作和成管前整片檢測、封裝、組裝，成本低。

VCSEL採用三明治式結構，其中間只有20nm、1--3層的QW增益區，上、下各層是由多層外延生長薄膜形成的高反射率為100%的布拉格反射層，由此構成諧振腔。相干性極高的激光束最後從其頂部激射出。多家廠商有1550nm低損耗窗口與低色散的可調諧VCSEL樣品展示。1310nm的產品預計在今後1--2年內上市。可調諧的典型器件是將一隻普通980nmVCSEL與微光機電系統的反射腔集成組合，由曲形頂鏡、增益層、反射底鏡等構成可產生中心波長為1550nm的可調諧結構，用一個靜電控制電壓將位於支撐薄膜上的頂端反射鏡定位，改變控制電壓就可調整諧振腔體間隙尺寸，從而達到調整輸出波長的目的。在1528--1560nm範圍連續可調諧43nm，經過2.5Gb/s傳輸500km實驗無誤碼，邊模抑制優於50dB。如果發射波長在1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業化生產，將會進一步促進光通信發展，使光網絡更加靠近家庭。已有許多公司公佈了這種波長的VCSEL原型機的一些技術數據。

DBR-LD

DBR-LD（分佈布拉格反射器激光二極管）最具代表性的是超結構光柵SSG結構。器件中央是有源層，兩邊是折射光柵形成的SSG區，受週期性間隔調製，其反射光譜變成梳狀峯，梳狀光譜重合的波長以大的不連續變化，可實現寬範圍的波長調諧。採用DBR-LD構成波長轉換器，與調製器單片集成，其芯片左側為雙穩態激光器部分，有兩個激活區和一個用作飽和吸收的隔離區；右側是波長控制區，由移相區和DBR構成。

1550nm多冗餘功能可調諧DBR-LD可獲得16個頻率間隔為100GHz或32頻率間隔為50GHz的波長，隨着大約以10nm間隔跳模，可獲得約100nm的波長調諧。除保留已有的處理和封裝工藝外，還增加了納秒級的波長開關，擴大調諧範圍。

FG-LD

FG-LD（光纖光柵激光二極管）利用已成熟的封裝技術，將含有FG的光纖與端面鍍有增透膜的F-P腔LD耦合而成可調諧外腔結構的激光器，由LD芯片、空氣間隙、光纖前端的光纖部分組成，光學諧振腔在光柵和LD外端面之間。LD的內端面鍍有增透膜，以減小其F-P模式，FG用來反饋選模,由於其極窄的濾波特性，LD工作波長將控制在光柵的布拉格發射峯帶寬內，通過加壓應變或改變温度的方法，調諧FG的布拉格波長，就可以得到波長可控制的激光輸出。FG-LD製作組裝相對簡單，性能卻可與DFB-LD相比擬，激射波長由FG的布拉格波長決定，因此可以精控，單模輸出功率可達10mW以上，小於2.5kHz的線寬，較低的相對強度噪聲與較寬的調諧範圍（50nm），在光通信的某些領域有可能替代DFB-LD。已進行用於2.5Gb/sx64路的信號傳輸的實驗，效果很好。

GCSR-LD

GCSR-LD（光柵耦合採樣反射激光二極管）是一種波長可大範圍調諧的LD，其結構從左往右分別為增益、耦合器、相位、反射器區域，改變其增益、耦合、相位和反射器各個部分的注入電流，就可改變其發射波長。此LD波長可調範圍約80nm，可提供322個國際電信聯盟ITU-T建議的波長表內的波長，已進行壽命試驗。

MOEMS-LD

MOEMS-LD（微光機電系統激光二極管）用靜電方式控制可移動表面設定或調整光學系統中物理尺寸，進行光波的水平方向調諧。採用自由空間微光學平台技術，控制腔鏡位置實現F-P腔腔長的變化，帶來60nm的可調諧範圍。這種結構既可作可調諧光器件，也可用於半導體激光器集成，構成可調諧激光器。

其它類型LD

光模塊激光二極管內置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制電路、驅動電路，輸出光信號。其體積小，可靠性高，使用方便，在城域網、同步傳輸系統、同步光纖網絡中都大量採用2.5Gb/s光發射模塊，10Gb/s、40Gb/s處於初期試用階段，向高速化、低成本、微型化發展。利用高分子材料Polymer折射率隨温度變化特性，加熱器改變高分子材料光柵温度，引發其折射率和光柵節距變化，使其反射波長改變。已研製出Polymer-AWG波長可調的集成模塊,有16個波長通道，波長間隔200GHz，插損8--9dB，串擾-25dB。用一個高速調製器對每個波長進行時間調製的多波長LD正處於研製階段。這是一種全新的多波長和波長可編程光源。

是在發光二極管的結間安置一層具有光活性的半導體，其端面經過拋光後具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結髮射出光來並與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從結上發射出單波長的光，這種光的物理性質與材料有關。

在VCD機中，半導體激光二極管是激光頭的核心部件之一，它大多是由雙異質結構的鎵鋁砷(AsALGA)三元化合物構成的，是一種近紅外半導體器件，波長為780～820 nm，額定功率為3～5 mw。另外，還有一種可見光(如紅光)半導體激光二極管，也廣泛應用於VCD機以及條形碼閲讀器中。

激光二極管的外形及尺寸如圖11所示。其內部結構類型有三種，如圖11所示。

由圖12可見，激光二極管內包括兩個部分：第一部分是激光發射部分(可用LD表示)，它的作用是發射激光，如圖12中電極(2);第二部分是激光接受部分(可用PD表示)，它的作用是接受、監測『LD發出的激光(當然，若不需監測LD的輸出，PD部分則可不用)，如圖12中電極(3);這兩個部分共用公共電極(1)，因此，激光二極管有三個電極。

激光二極管具有體積小、重量輕、耗電低、驅動電路簡單、調製方便、耐機械衝擊以及抗震動等優點，但它對過電流、過電壓以及靜電干擾極為敏感，因此，在使用時，要特別注意不要使其工作參數超過其最大允許值，可採用的方法如下：

(1)用直流恆流源驅動激光二極管。

(2)在激光_極管電路上串聯限流電阻器，並聯旁路電容器。

(3)由於激光二極管温度升高將增大流過它的電流值，因此，必須採用必要的散熱措施，以保證器件工作在一定的温度範圍之內。

(4)為了避免激光二極管因承受過大的反向電壓而造成擊穿損壞，可在其兩端反並聯上快速硅二極管。 ^[4] 

（1）阻值測量法：拆下激光二極管，用萬用表R×1k或R×10k檔測量其正、反向電阻值。正常時，正向電阻值為20~40kΩ之間，反向電阻值為∞（無窮大）。若測得正向電阻值已超過50kΩ，則説明激光二極管的性能已下降。若測得的正向電阻值大於90kΩ，則説明該二極管已嚴重老化，不能再使用了。

（2）電流測量法：用萬用表測量激光二極管驅動電路中負載電阻兩端的電壓降，再根據歐姆定律估算出流過該管的電流值，當電流超過100mA時，若調節激光功率電位器，而電流無明顯的變化，則可判斷激光二極管嚴重老化。若電流劇增而失控，則説明激光二極管的光學諧振腔已損壞。

1.激光二極管發射的激光有可能對人眼造成傷害。二極管工作時，嚴禁直接注視其端面，不能透過鏡片直視激光，也不能透過反視鏡觀察激光。

2.器件需要合適的驅動電源，瞬時反向電流不能超過2uA，反向電壓不得超過3V,否則會損壞器件。驅動電源子在電源通斷時，要防止浪湧電流的措施。用示波器測試驅動電路時，要先斷開電源再連接示波器探頭，若在通電情況下測試探頭，可能引用浪湧電流損壞器件。

3.器件應存放或工作於乾淨的環境中。

4.在較高温度下工作，會增大閥值電流，較低轉化頻率，加速器件的老化。在調整光輸入量時，要用光功率表檢測，防止超過大額定輸出。

5.輸出功率高於指定參數工作，會加速元件老化。

6.機器需要充分散熱或在製冷條件下使用，激光二極管的温度嚴格控制在20度以下，保證壽命。

7.二極管屬於靜電敏感器件，在人體有良好的情況下才可以拿取，防靜電可以採用防靜電手鐲的方法。

8.激光器的輸出波長受工作電流與散熱的影響，要保持良好的散熱條件，降低工作時管芯的温度。加散熱器防止激光二極管在工作中温升過高。