激光二极管,激光二极管是什么意思

激光二极管,激光二极管是什么意思

激光（LASER）是上实际60年代发明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦－氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。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，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。

通过PN结电注入泵浦的方式实现受激发射的半导体器件。它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但输出功率、单色性和方向性不如其他激光器。

实现受激发射的三个要素是：激光材料、粒子数反转分布和谐振腔。只有直接带隙半导体材料才能制造激光二极管，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体(GaAs、InP等)及其三元、四元固溶体(Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等)，Ⅳ-Ⅵ族化合物固溶体（Pb1-xSnxTe等）。将单晶定向、切割、抛光后，通过扩散或各种外延方法或化学汽相沉积方法等在一定的晶面如 (001)上制成PN结。

1962年秋首次研制出 77K下脉冲受激发射的同质结GaAs 激光二极管。1964 年将其工作温度提高到室温。1969年制造出室温下脉冲工作的单异质结激光二极管，1970年制成室温下连续工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs双异质结(DH)激光二极管。此后，激光二极管迅速发展。1975年 Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二极管的寿命提高到105小时以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP 长波长DH激光二极管也取得重大进展，因而推动了光纤通信和其他应用的发展。此外还出现了由Pb1-xSnxTe等 Ⅳ-Ⅵ族材料制成的远红外波长激光二极管。

在垂直于PN结方向上有同质结、单异质结、双异质结、分别限制、大光腔等结构形式；在平行PN结平面上做成各种条形结构（如电极条形、平面条形、质子轰击条形、 沟槽衬底条形、 台阶条形、横结条形、埋藏条形、压缩条形等）;谐振腔有法布里-珀罗腔、分布反馈和布喇格反射等形式。用晶格匹配的不同半导体材料制成异质结构，利用它们在禁带宽度和折射率上的差异，可在垂直PN结方向上获得几乎完全的载流子限制和光学限制。在平行于结方向上的各种条形结构，能将电流集中在一较窄的区域，并提供增益波导或折射率波导。这些结构上的改进使激光二极管的性能大为提高。

激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。

同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。

激光二极管的结构

激光二极管的结构图和符号如图1所示。

激光二极管的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。

半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。图1(b)是激光二极管的代表符号。激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用。

激光二极管的简单原理

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：

λ=hc/Eg (1)

式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。

随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。图2为日本三洋公司的红光半导体激光二极管的结构。图3为小功率激光管剖视图，由图可见，激光芯片贴在用来散热的热沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光电二极管。图4为普通激光二极管的外形，由图可见，小功率激光管有三条引脚，这是因为在管内还封装有一个光电二极管，用于监控激光管工作电流。

半导体激光二极管的常用参数

（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）阈值电流Ith：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

（3）工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚～40˚左右。

（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚～10˚左右。

（6）监控电流Im：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。

激光二极管的检测

（1）阻值测量法：拆下激光二极管，用万用表R×1k或R×10k档测量其正、反向电阻值。正常时，正向电阻值为20~40kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正向电阻值已超过50kΩ，则说明激光二极管的性能已下降。若测得的正向电阻值大于90kΩ，则说明该二极管已严重老化，不能再使用了。

（2）电流测量法：用万用表测量激光二极管驱动电路中负载电阻两端的电压降，再根据欧姆定律估算出流过该管的电流值，当电流超过100mA时，若调节激光功率电位器（见图5），而电流无明显的变化，则可判断激光二极管严重老化。若电流剧增而失控，则说明激光二极管的光学谐振腔已损坏。