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)（S
介紹編輯本段回目錄
半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，垂直于PN結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作
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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)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過已發(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。
應(yīng)用編輯本段回目錄
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)。
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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(chǎn)生光電流時(shí)，會(huì)帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內(nèi)部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠(yuǎn)，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測(cè)器件后面須連接低噪聲預(yù)放大器和主放大器。
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。
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?。ㄒ话阈∮?mW），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。
半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)有：
（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、780n
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（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管上流過的電流。
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。
工作原理編輯本段回目錄
晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)
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當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。
當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流I0。
當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。
導(dǎo)電特性編輯本段回目錄
二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。下面通過簡(jiǎn)單的
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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(fù)極接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后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(fù)極接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒有電流流過，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會(huì)有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會(huì)急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。激光二極管的注入電流必須大于臨界電流密度，才能滿足居量反轉(zhuǎn)條件而發(fā)出激光。臨界電流密度與接面溫度有關(guān)，并且間接影響效益。高溫操作時(shí)，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞組件。
特性編輯本段回目錄
當(dāng)激光二極管注入電流在臨界電流密度以下時(shí)，發(fā)光機(jī)制主要是自發(fā)放射，光譜分散較廣，頻寬大約在100到500
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激光二極管的特色之一，是能直接從電流調(diào)制其輸出光的強(qiáng)弱。因?yàn)檩敵龉夤β逝c輸入電流之間多為線性關(guān)系，所以激光二極管可以采用模擬或數(shù)字電流直接調(diào)制輸出光的強(qiáng)弱，省掉昂貴的調(diào)制器，使二極管的應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
種類大全編輯本段回目錄
DFB-LD
F-P(法布里-珀羅)腔LD已成為常規(guī)產(chǎn)品,向高可靠低價(jià)化方向發(fā)展。DFB-LD的激射波長(zhǎng)主要由器件內(nèi)部制備的微小
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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(nèi),最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研發(fā)日趨成熟,國(guó)際上僅少數(shù)幾家廠商可提供商用產(chǎn)品。優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),有源區(qū)為應(yīng)變超晶格QW。有源區(qū)周邊一般為雙溝掩埋或脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。有源區(qū)附近的光波導(dǎo)區(qū)為DFB光柵,采用一些特殊的設(shè)計(jì),如:波紋坡度可調(diào)分布耦合、復(fù)耦合、吸收耦合、增益耦合、復(fù)合非連續(xù)相移等結(jié)構(gòu),提高器件性能。生產(chǎn)技術(shù)中,金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積MOCVD和光柵的刻蝕是其關(guān)鍵工藝。MOCVD可精確控制外延生長(zhǎng)層的組分、摻雜濃度、薄到幾個(gè)原子層的厚度,生長(zhǎng)效率高,適合大批量制作,反應(yīng)離子束刻蝕能保證光柵幾何圖形的均勻性,電子束產(chǎn)生相位掩膜刻蝕可一步完成陣列光柵的制作。1550nmDFB-LD開始大量用于622Mb/s、2.5Gb/s光傳輸系統(tǒng)設(shè)備,對(duì)波長(zhǎng)的選擇使DFB-LD在大容量、長(zhǎng)距離光纖通信中成為主要光源。
同一芯片上集成多波長(zhǎng)DFB-LD與外腔電吸收調(diào)制器的單芯片光源也在發(fā)展中。研制成功的電吸收調(diào)制器集成光源,采用有源層與調(diào)制器吸收層共用多QW結(jié)構(gòu)。調(diào)制器的作用如同一個(gè)高速開關(guān),把LD輸出變換成二進(jìn)制的0和1。在一塊芯片上形成40種不同的折射光柵,波長(zhǎng)1530--1590nm的40路調(diào)制器集成光源,信道間隔為200GHz。其開發(fā)目標(biāo)是集成100個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)的LD陣列,以進(jìn)行9.5THz超大容量的通信。
VCESL
激光二極管
VCESL(垂直腔面發(fā)射激光)二極管的特點(diǎn)如下:從其頂部發(fā)射出圓柱形射束,射束無(wú)需進(jìn)行不對(duì)稱矯正或散光矯正,即可調(diào)制成用途廣泛的環(huán)形光束,易與光纖耦合;轉(zhuǎn)換效率非常高,功耗僅為邊緣發(fā)射LD的幾分之一;調(diào)制速度快,在1GHz以上;閾值很低,噪聲小;重直腔面很小,易于高密度大規(guī)模制作和成管前整片檢測(cè)、封裝、組裝,成本低。
VCSEL采用三明治式結(jié)構(gòu),其中間只有20nm、1--3層的QW增益區(qū),上、下各層是由多層外延生長(zhǎng)薄膜形成的高反射率為100%的布拉格反射層,由此構(gòu)成諧振腔。相干性極高的激光束最后從其頂部激射出。目前多家廠商有1550nm低損耗窗口與低色散的可調(diào)諧VCSEL樣品展示。1310nm的產(chǎn)品預(yù)計(jì)在今后1--2年內(nèi)上市?？烧{(diào)諧的典型器件是將一只普通980nmVCSEL與微光機(jī)電系統(tǒng)的反射腔集成組合,由曲形頂鏡、增益層、反射底鏡等構(gòu)成可產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為1550nm的可調(diào)諧結(jié)構(gòu),用一個(gè)靜電控制電壓將位于支撐薄膜上的頂端反射鏡定位,改變控制電壓就可調(diào)整諧振腔體間隙尺寸,從而達(dá)到調(diào)整輸出波長(zhǎng)的目的。在1528--1560nm范圍連續(xù)可調(diào)諧43nm,經(jīng)過2.5Gb/s傳輸500km實(shí)驗(yàn)無(wú)誤碼,邊模抑制優(yōu)于50dB。如果發(fā)射波長(zhǎng)在1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業(yè)化生產(chǎn),將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)光通信發(fā)展,使光網(wǎng)絡(luò)更加靠近家庭。已有許多公司公布了這種波長(zhǎng)的VCSEL原型機(jī)的一些技術(shù)數(shù)據(jù)。
DBR-LD
DBR-LD(分布布拉格反射器激光二極管)最具代表性的是超結(jié)構(gòu)光柵SSG結(jié)構(gòu)。器件中央是有源層,兩邊是折射光柵形成的SSG區(qū),受周期性間隔調(diào)制,其反射光譜變成梳狀峰,梳狀光譜重合的波長(zhǎng)以大的不連續(xù)變化,可實(shí)現(xiàn)寬范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧。采用DBR-LD構(gòu)成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,與調(diào)制器單片集成,其芯片左側(cè)為雙穩(wěn)態(tài)激光器部分,有兩個(gè)激活區(qū)和一個(gè)用作飽和吸收的隔離區(qū);右側(cè)是波長(zhǎng)控制區(qū),由移相區(qū)和DBR構(gòu)成。
1550nm多冗余功能可調(diào)諧DBR-LD可獲得16個(gè)頻率間隔為100GHz或32頻率間隔為50GHz的波長(zhǎng),隨著大約以10nm間隔跳模,可獲得約100nm的波長(zhǎng)調(diào)諧。除保留已有的處理和封裝工藝外,還增加了納秒級(jí)的波長(zhǎng)開關(guān),擴(kuò)大調(diào)諧范圍。
FG-LD
FG-LD(光纖光柵激光二極管)利用已成熟的封裝技術(shù),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(diào)諧外腔結(jié)構(gòu)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(xué)諧振腔在光柵和LD外端面之間。LD的內(nèi)端面鍍有增透膜,以減小其F-P模式,FG用來反饋選模,由于其極窄的濾波特性,LD工作波長(zhǎng)將控制在光柵的布拉格發(fā)射峰帶寬內(nèi),通過加壓應(yīng)變或改變溫度的方法,調(diào)諧FG的布拉格波長(zhǎng),就可以得到波長(zhǎng)可控制的激光輸出。FG-LD制作組裝相對(duì)簡(jiǎn)單,性能卻可與DFB-LD相比擬,激射波長(zhǎng)由FG的布拉格波長(zhǎng)決定,因此可以精控,單模輸出功率可達(dá)10mW以上,小于2.5kHz的線寬,較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲與較寬的調(diào)諧范圍(50nm),在光通信的某些領(lǐng)域有可能替代DFB-LD。已進(jìn)行用于2.5Gb/sx64路的信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn),效果很好。
GCSR-LD
激光二極管
GCSR-LD(光柵耦合采樣反射激光二極管)是一種波長(zhǎng)可大范圍調(diào)諧的LD,其結(jié)構(gòu)從左往右分別為增益、耦合器、相位、反射器區(qū)域,改變其增益、耦合、相位和反射器各個(gè)部分的注入電流,就可改變其發(fā)射波長(zhǎng)。此LD波長(zhǎng)可調(diào)范圍約80nm,可提供322個(gè)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T建議的波長(zhǎng)表內(nèi)的波長(zhǎng),已進(jìn)行壽命試驗(yàn)。
MOEMS-LD
MOEMS-LD(微光機(jī)電系統(tǒng)激光二極管)用靜電方式控制可移動(dòng)表面設(shè)定或調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)中物理尺寸,進(jìn)行光波的水平方向調(diào)諧。采用自由空間微光學(xué)平臺(tái)技術(shù),控制腔鏡位置實(shí)現(xiàn)F-P腔腔長(zhǎng)的變化,帶來60nm的可調(diào)諧范圍。這種結(jié)構(gòu)既可作可調(diào)諧光器件,也可用于半導(dǎo)體激光器集成,構(gòu)成可調(diào)諧激光器。
其它類型LD
光模塊激光二極管內(nèi)置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路,輸出光信號(hào)。其體積小,可靠性高,使用方便,在城域網(wǎng)、同步傳輸系統(tǒng)、同步光纖網(wǎng)絡(luò)中都大量采用2.5Gb/s光發(fā)射模塊,10Gb/s、40Gb/s處于初期試用階段,向高速化、低成本、微型化發(fā)展。利用高分子材料Polymer折射率隨溫度變化特性,加熱器改變高分子材料光柵溫度,引發(fā)其折射率和光柵節(jié)距變化,使其反射波長(zhǎng)改變。已研制出Polymer-AWG波長(zhǎng)可調(diào)的集成模塊,有16個(gè)波長(zhǎng)通道,波長(zhǎng)間隔200GHz,插損8--9dB,串?dāng)_-25dB。用一個(gè)高速調(diào)制器對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行時(shí)間調(diào)制的多波長(zhǎng)LD正處于研制階段。這是一種全新的多波長(zhǎng)和波長(zhǎng)可編程光源。
