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激光二极管包括单异质结（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。
激光二极管包括单异质结（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。
工作原理
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
激光二极管包括单异质结（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。
工作原理
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。1·正向特性在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。2·反向特性在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。激光二极管的注入电流必须大于临界电流密度，才能满足居量反转条件而发出激光。临界电流密度与接面温度有关，并且间接影响效益。高温操作时，临界电流提高，效益降低，甚至损坏组件。
特色
当激光二极管注入电流在临界电流密度以下时，发光机制主要是自发放射，光谱分散较广，频宽大约在100到500埃（埃=10-1奈米，原子直径的数量级就是几个埃〉之间。但当电流密度超过临界值时，就开始产生振荡，最后只剩下少数几个模态，而频宽也减小到30埃以下。而且，激光二极管的消耗功率极小，以双异质结构激光为例，最大的额定电压通常低于2伏特，输入电流则在15到100毫安之间，消耗功率往往不到一瓦特，而输出功率达数十毫瓦特以上。激光二极管的特色之一，是能直接从电流调制其输出光的强弱。因为输出光功率与输入电流之间多为线性关系，所以激光二极管可以采用模拟或数字电流直接调制输出光的强弱，省掉昂贵的调制器，使二极管的应用更加经济实惠。
种类
DFB-LDF-P（法布里-珀罗）腔LD已成为常规产品，向高可靠低价化方向发展。DFB-LD的激射波长主要由器件内部制备的微小折射光栅周期决定，依赖沿整个有源层等间隔分布反射的皱褶波纹状结构光栅进行工作。DFB-LD两边为不同材料或不同组分的半导体晶层，一般制作在量子阱QW有源层附近的光波导区。这种波纹状结构使光波导区的折射率呈周期性分布，其作用就像一个谐振控，波长选择机构是光栅。利用QW材料尺寸效应和DFB光栅的选模作用，所激射出的光的谱线很宽，在高速率调制下可动态单纵模输出。内置调制器的DFB-LD满足光发射机小型、低功耗的要求。DFB-LD多采用Ⅲ和Ⅴ族元素组成的三元化合物、四元化合物，在1550nm波段内，最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研发日趋成熟，国际上仅少数几家厂商可提供商用产品。优化器件结构，有源区为应变超晶格QW。有源区周边一般为双沟掩埋或脊型波导结构。有源区附近的光波导区为DFB光栅，采用一些特殊的设计，如：波纹坡度可调分布耦合、复耦合、吸收耦合、增益耦合、复合非连续相移等结构，提高器件性能。生产技术中，金属有机化学汽相淀积MOCVD和光栅的刻蚀是其关键工艺。MOCVD可精确控制外延生长层的组分、掺杂浓度、薄到几个原子层的厚度，生长效率高，适合大批量制作，反应离子束刻蚀能保证光栅几何图形的均匀性，电子束产生相位掩膜刻蚀可一步完成阵列光栅的制作。1550nmDFB-LD开始大量用于622Mb/s、2.5Gb/s光传输系统设备，对波长的选择使DFB-LD在大容量、长距离光纤通信中成为主要光源。同一芯片上集成多波长DFB-LD与外腔电吸收调制器的单芯片光源也在发展中。研制成功的电吸收调制器集成光源，采用有源层与调制器吸收层共用多QW结构。调制器的作用如同一个高速开关，把LD输出变换成二进制的0和1。在一块芯片上形成40种不同的折射光栅，波长1530--1590nm的40路调制器集成光源，信道间隔为200GHz。其开发目标是集成100个发射波长的LD阵列，以进行9.5THz超大容量的通信。VCSELVCSEL（垂直腔面发射激光）二极管的特点如下：从其顶部发射出圆柱形射束，射束无需进行不对称矫正或散光矫正，即可调制成用途广泛的环形光束，易与光纤耦合；转换效率非常高，功耗仅为边缘发射LD的几分之一；调制速度快，在1GHz以上；阈值很低，噪声小；重直腔面很小，易于高密度大规模制作和成管前整片检测、封装、组装，成本低。VCSEL采用三明治式结构，其中间只有20nm、1--3层的QW增益区，上、下各层是由多层外延生长薄膜形成的高反射率为100%的布拉格反射层，由此构成谐振腔。相干性极高的激光束最后从其顶部激射出。多家厂商有1550nm低损耗窗口与低色散的可调谐VCSEL样品展示。1310nm的产品预计在今后1--2年内上市。可调谐的典型器件是将一只普通980nmVCSEL与微光机电系统的反射腔集成组合，由曲形顶镜、增益层、反射底镜等构成可产生中心波长为1550nm的可调谐结构，用一个静电控制电压将位于支撑薄膜上的顶端反射镜定位，改变控制电压就可调整谐振腔体间隙尺寸，从而达到调整输出波长的目的。在1528--1560nm范围连续可调谐43nm，经过2.5Gb/s传输500km实验无误码，边模抑制优于50dB。如果发射波长在1310--1550nm之间的VCSEL能够商业化生产，将会进一步促进光通信发展，使光网络更加靠近家庭。已有许多公司公布了这种波长的VCSEL原型机的一些技术数据。DBR-LDDBR-LD（分布布拉格反射器激光二极管）最具代表性的是超结构光栅SSG结构。器件中央是有源层，两边是折射光栅形成的SSG区，受周期性间隔调制，其反射光谱变成梳状峰，梳状光谱重合的波长以大的不连续变化，可实现宽范围的波长调谐。采用DBR-LD构成波长转换器，与调制器单片集成，其芯片左侧为双稳态激光器部分，有两个激活区和一个用作饱和吸收的隔离区；右侧是波长控制区，由移相区和DBR构成。1550nm多冗余功能可调谐DBR-LD可获得16个频率间隔为100GHz或32频率间隔为50GHz的波长，随着大约以10nm间隔跳模，可获得约100nm的波长调谐。除保留已有的处理和封装工艺外，还增加了纳秒级的波长开关，扩大调谐范围。FG-LDFG-LD（光纤光栅激光二极管）利用已成熟的封装技术，将含有FG的光纤与端面镀有增透膜的F-P腔LD耦合而成可调谐外腔结构的激光器，由LD芯片、空气间隙、光纤前端的光纤部分组成，光学谐振腔在光栅和LD外端面之间。LD的内端面镀有增透膜，以减小其F-P模式，FG用来反馈选模，由于其极窄的滤波特性，LD工作波长将控制在光栅的布拉格发射峰带宽内，通过加压应变或改变温度的方法，调谐FG的布拉格波长，就可以得到波长可控制的激光输出。FG-LD制作组装相对简单，性能却可与DFB-LD相比拟，激射波长由FG的布拉格波长决定，因此可以精控，单模输出功率可达10mW以上，小于2.5kHz的线宽，较低的相对强度噪声与较宽的调谐范围（50nm），在光通信的某些领域有可能替代DFB-LD。已进行用于2.5Gb/sx64路的信号传输的实验，效果很好。GCSR-LDGCSR-LD（光栅耦合采样反射激光二极管）是一种波长可大范围调谐的LD，其结构从左往右分别为增益、耦合器、相位、反射器区域，改变其增益、耦合、相位和反射器各个部分的注入电流，就可改变其发射波长。此LD波长可调范围约80nm，可提供322个国际电信联盟ITU-T建议的波长表内的波长，已进行寿命试验。MOEMS-LDMOEMS-LD（微光机电系统激光二极管）用静电方式控制可移动表面设定或调整光学系统中物理尺寸，进行光波的水平方向调谐。采用自由空间微光学平台技术，控制腔镜位置实现F-P腔腔长的变化，带来60nm的可调谐范围。这种结构既可作可调谐光器件，也可用于半导体激光器集成，构成可调谐激光器。其它类型LD光模块激光二极管内置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制电路、驱动电路，输出光信号。其体积小，可靠性高，使用方便，在城域网、同步传输系统、同步光纤网络中都大量采用2.5Gb/s光发射模块，10Gb/s、40Gb/s处于初期试用阶段，向高速化、低成本、微型化发展。利用高分子材料Polymer折射率随温度变化特性，加热器改变高分子材料光栅温度，引发其折射率和光栅节距变化，使其反射波长改变。已研制出Polymer-AWG波长可调的集成模块，有16个波长通道，波长间隔200GHz，插损8--9dB，串扰-25dB。用一个高速调制器对每个波长进行时间调制的多波长LD正处于研制阶段。这是一种全新的多波长和波长可编程光源。
结构性能
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。在VCD机中，半导体激光二极管是激光头的核心部件之一，它大多是由双异质结构的镓铝砷（AsALGA）三元化合物构成的，是一种近红外半导体器件，波长为780～820 nm，额定功率为3～5 mw。另外，还有一种可见光（如红光）半导体激光二极管，也广泛应用于VCD机以及条形码阅读器中。激光二极管的外形及尺寸如图1所示。其内部结构类型有三种，如图2所示。由图2可见，激光二极管内包括两个部分：第一部分是激光发射部分（可用LD表示），它的作用是发射激光，如图中电极（2）;第二部分是激光接受部分（可用PD表示），它的作用是接受、监测『JD发出的激光（当然，若不需监测LD的输出，PD部分则可不用），如图中电极（3）;这两个部分共用公共电极（1），因此，激光二极管有三个电极。激光二极管具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点，但它对过电流、过电压以及静电干扰极为敏感，因此，在使用时，要特别注意不要使其工作参数超过其最大允许值，可采用的方法如下：（1）用直流恒流源驱动激光二极管。（2）在激光_极管电路上串联限流电阻器，并联旁路电容器。（3）由于激光二极管温度升高将增大流过它的电流值，因此，必须采用必要的散热措施，以保证器件工作在一定的温度范围之内。（4）为了避免激光二极管因承受过大的反向电压而造成击穿损坏，可在其两端反并联上快速硅二极管。
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