激光二極管,激光二極管是什么意思

激光二極管,激光二極管是什么意思

激光（LASER）是上實(shí)際60年代發(fā)明的一種光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。激光器有很多種，尺寸大至幾個(gè)足球場(chǎng)，小至一粒稻谷或鹽粒。氣體激光器有氦－氖激光器和氬激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導(dǎo)體激光器有激光二極管，像CD機(jī)、DVD機(jī)和CD-ROM里的那些。每一種激光器都有自己獨(dú)特的產(chǎn)生激光的方法。激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說(shuō)是單頻的。有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時(shí)也是分開的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是說(shuō)它要走很長(zhǎng)的一段距離才會(huì)出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。

通過(guò)PN結(jié)電注入泵浦的方式實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射的半導(dǎo)體器件。它具有半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、能直接調(diào)制，但輸出功率、單色性和方向性不如其他激光器。

實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射的三個(gè)要素是：激光材料、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和諧振腔。只有直接帶隙半導(dǎo)體材料才能制造激光二極管，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體(GaAs、InP等)及其三元、四元固溶體(Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等)，Ⅳ-Ⅵ族化合物固溶體（Pb1-xSnxTe等）。將單晶定向、切割、拋光后，通過(guò)擴(kuò)散或各種外延方法或化學(xué)汽相沉積方法等在一定的晶面如 (001)上制成PN結(jié)。

1962年秋首次研制出 77K下脈沖受激發(fā)射的同質(zhì)結(jié)GaAs 激光二極管。1964 年將其工作溫度提高到室溫。1969年制造出室溫下脈沖工作的單異質(zhì)結(jié)激光二極管，1970年制成室溫下連續(xù)工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光二極管。此后，激光二極管迅速發(fā)展。1975年 Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二極管的壽命提高到105小時(shí)以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP 長(zhǎng)波長(zhǎng)DH激光二極管也取得重大進(jìn)展，因而推動(dòng)了光纖通信和其他應(yīng)用的發(fā)展。此外還出現(xiàn)了由Pb1-xSnxTe等 Ⅳ-Ⅵ族材料制成的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)激光二極管。

在垂直于PN結(jié)方向上有同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、分別限制、大光腔等結(jié)構(gòu)形式；在平行PN結(jié)平面上做成各種條形結(jié)構(gòu)（如電極條形、平面條形、質(zhì)子轟擊條形、 溝槽襯底條形、 臺(tái)階條形、橫結(jié)條形、埋藏條形、壓縮條形等）;諧振腔有法布里-珀羅腔、分布反饋和布喇格反射等形式。用晶格匹配的不同半導(dǎo)體材料制成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用它們?cè)诮麕挾群驼凵渎噬系牟町悾稍诖怪盤N結(jié)方向上獲得幾乎完全的載流子限制和光學(xué)限制。在平行于結(jié)方向上的各種條形結(jié)構(gòu)，能將電流集中在一較窄的區(qū)域，并提供增益波導(dǎo)或折射率波導(dǎo)。這些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使激光二極管的性能大為提高。

激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照PN結(jié)材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。

激光二極管的結(jié)構(gòu)

激光二極管的結(jié)構(gòu)圖和符號(hào)如圖1所示。

激光二極管的物理結(jié)構(gòu)是在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，其端面經(jīng)過(guò)拋光后具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結(jié)發(fā)射出光來(lái)并與光諧振腔相互作用，從而進(jìn)一步激勵(lì)從結(jié)上發(fā)射出單波長(zhǎng)的光，這種光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)。

半導(dǎo)體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。圖1(b)是激光二極管的代表符號(hào)。激光二極管在計(jì)算機(jī)上的光盤驅(qū)動(dòng)器，激光打印機(jī)中的打印頭等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

激光二極管的簡(jiǎn)單原理

半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過(guò)PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為λ的光子，其公式如下：

λ=hc/Eg (1)

式中：h—普朗克常數(shù)；c—光速；Eg—半導(dǎo)體的禁帶寬度。

上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說(shuō)對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。

隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前實(shí)際使用的半導(dǎo)體激光二極管具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。圖2為日本三洋公司的紅光半導(dǎo)體激光二極管的結(jié)構(gòu)。圖3為小功率激光管剖視圖，由圖可見，激光芯片貼在用來(lái)散熱的熱沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光電二極管。圖4為普通激光二極管的外形，由圖可見，小功率激光管有三條引腳，這是因?yàn)樵诠軆?nèi)還封裝有一個(gè)光電二極管，用于監(jiān)控激光管工作電流。

半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)

（1）波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）閾值電流Ith：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

（3）工作電流Iop：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。

（4）垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度，一般在15?～40?左右。

（5）水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在6?～10?左右。

（6）監(jiān)控電流Im：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在PIN管上流過(guò)的電流。

激光二極管的檢測(cè)

（1）阻值測(cè)量法：拆下激光二極管，用萬(wàn)用表R×1k或R×10k檔測(cè)量其正、反向電阻值。正常時(shí)，正向電阻值為20~40kΩ之間，反向電阻值為∞（無(wú)窮大）。若測(cè)得正向電阻值已超過(guò)50kΩ，則說(shuō)明激光二極管的性能已下降。若測(cè)得的正向電阻值大于90kΩ，則說(shuō)明該二極管已嚴(yán)重老化，不能再使用了。

（2）電流測(cè)量法：用萬(wàn)用表測(cè)量激光二極管驅(qū)動(dòng)電路中負(fù)載電阻兩端的電壓降，再根據(jù)歐姆定律估算出流過(guò)該管的電流值，當(dāng)電流超過(guò)100mA時(shí)，若調(diào)節(jié)激光功率電位器（見圖5），而電流無(wú)明顯的變化，則可判斷激光二極管嚴(yán)重老化。若電流劇增而失控，則說(shuō)明激光二極管的光學(xué)諧振腔已損壞。

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