激光二極管原理及應用

添加時間:2007-06-14

激光（LASER）是上實際60年代發明的一種光源。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，尺寸大至幾個足球場，小至一粒稻谷或鹽粒。氣體激光器有氦－氖激光器和氩激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導體激光器有激光二極管，像CD機、DVD機和CD-ROM裏的那些。每一種激光器都有自己獨特的産生激光的方法。激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時産生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時也是分開的。其次，激光是相幹光。相幹光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象。

通過PN結電注入泵浦的方式實現受激發射的半導體器件。它具有半導體器件的特點：體積小、結構簡單、效率高、能直接調制，但輸出功率、單色性和方向性不如其他激光器。

實現受激發射的三個要素是：激光材料、粒子數反轉分布和諧振腔。只有直接帶隙半導體材料才能制造激光二極管，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體 (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、抛光後，通過擴散或各種外延方法或化學汽相沈積方法等在一定的晶面如 (001)上制成PN結。

1962年秋首次研制出 77K下脈沖受激發射的同質結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結激光二極管，1970年制成室溫下連續工作的 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族材料制成的遠紅外波長激光二極管。

在垂直於PN結方向上有同質結、單異質結、雙異質結、分別限制、大光腔等結構形式；在平行PN結平面上做成各種條形結構（如電極條形、平面條形、質子轟擊條形、溝槽襯底條形、台階條形、橫結條形、埋藏條形、壓縮條形等）;諧振腔有法布裏-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體材料制成異質結構，利用它們在禁帶寬度和折射率上的差異，可在垂直PN結方向上獲得幾乎完全的載流子限制和光學限制。在平行於結方向上的各種條形結構，能將電流集中在一較窄的區域，並提供增益波導或折射率波導。這些結構上的改進使激光二極管的性能大爲提高。

激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分爲同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有阈值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流産品。

同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小於2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視係統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發射一般都采用量子阱激光二極管作爲光源。

激光二極管的物理結構是在發光二極管的結間安置一層具有光活性的半導體，其端面經過抛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結發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。

半導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。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等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。

激光二極管的簡單原理

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，從而發射出波長爲λ的光子，其公式如下：

λ=hc/Eg (1)

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爲自發輻射。當自發輻射所産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，産生新光子，這種光子誘使已激發的載流子複合而發出新光子現象稱爲受激輻射。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布，即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射産生的光子由於諧振腔兩端面往複反射而産生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大於吸收損耗時，就可從PN結發出具有良好譜線的相幹光——激光，這就是激光二極管的簡單原理。

半導體激光二極管的常用參數

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

（2）阈值電流Ith：即激光管開始産生激光振蕩的電流，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阈值電流可低至10mA以下。

（3）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。

（4）垂直發散角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。

（5）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。

（6）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。

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