激光二極管簡介

　　激光二極管包括單異質(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。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。

　　工作原理

　　晶體二極管為一個由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。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場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，外界電場和自建電場進(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，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(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，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。

激光二極管百科

　　激光二極管包括單異質(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。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。

　　工作原理

　　晶體二極管為一個由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。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場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，外界電場和自建電場進(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，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(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，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

　　二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦浴Ｔ陔娐分校娏髦荒軓亩O管的正極流入，負(fù)極流出。下面通過簡單的實(shí)驗(yàn)說明二極管的正向特性和反向特性。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，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，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止?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，仍然會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，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕@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，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞組件。

　　特色

　　當(dāng)激光二極管注入電流在臨界電流密度以下時，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埃（埃=10-1奈米，原子直徑的數(shù)量級就是幾個埃〉之間。但當(dāng)電流密度超過臨界值時，就開始產(chǎn)生振蕩，最后只剩下少數(shù)幾個模態(tài)，而頻寬也減小到30埃以下。而且，激光二極管的消耗功率極小，以雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光為例，最大的額定電壓通常低于2伏特，輸入電流則在15到100毫安之間，消耗功率往往不到一瓦特，而輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦特以上。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

　　DFB-LDF-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的激射波長主要由器件內(nèi)部制備的微小折射光柵周期決定，依賴沿整個有源層等間隔分布反射的皺褶波紋狀結(jié)構(gòu)光柵進(jìn)行工作。DFB-LD兩邊為不同材料或不同組分的半導(dǎo)體晶層，一般制作在量子阱QW有源層附近的光波導(dǎo)區(qū)。這種波紋狀結(jié)構(gòu)使光波導(dǎo)區(qū)的折射率呈周期性分布，其作用就像一個諧振控，波長選擇機(jī)構(gòu)是光柵。利用QW材料尺寸效應(yīng)和DFB光柵的選模作用，所激射出的光的譜線很寬，在高速率調(diào)制下可動態(tài)單縱模輸出。內(nèi)置調(diào)制器的DFB-LD滿足光發(fā)射機(jī)小型、低功耗的要求。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層的組分、摻雜濃度、薄到幾個原子層的厚度，生長效率高，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，對波長的選擇使DFB-LD在大容量、長距離光纖通信中成為主要光源。同一芯片上集成多波長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個發(fā)射波長的LD陣列，以進(jìn)行9.5THz超大容量的通信。VCSELVCSEL（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，射束無需進(jìn)行不對稱矯正或散光矯正，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、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。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。可調(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)生中心波長為1550nm的可調(diào)諧結(jié)構(gòu)，用一個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)無誤碼，邊模抑制優(yōu)于50dB。如果發(fā)射波長在1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業(yè)化生產(chǎn)，將會進(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的VCSEL原型機(jī)的一些技術(shù)數(shù)據(jù)。DBR-LDDBR-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以大的不連續(xù)變化，可實(shí)現(xiàn)寬范圍的波長調(diào)諧。采用DBR-LD構(gòu)成波長轉(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，有兩個激活區(qū)和一個用作飽和吸收的隔離區(qū)；右側(cè)是波長控制區(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個頻率間隔為100GHz或32頻率間隔為50GHz的波長，隨著大約以10nm間隔跳模，可獲得約100nm的波長調(diào)諧。除保留已有的處理和封裝工藝外，還增加了納秒級的波長開關(guān)，擴(kuò)大調(diào)諧范圍。FG-LDFG-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，F(xiàn)G用來反饋選模，由于其極窄的濾波特性，LD工作波長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，就可以得到波長可控制的激光輸出。FG-LD制作組裝相對簡單，性能卻可與DFB-LD相比擬，激射波長由FG的布拉格波長決定，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路的信號傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，效果很好。GCSR-LDGCSR-LD（光柵耦合采樣反射激光二極管）是一種波長可大范圍調(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、相位和反射器各個部分的注入電流，就可改變其發(fā)射波長。此LD波長可調(diào)范圍約80nm，可提供322個國際電信聯(lián)盟ITU-T建議的波長表內(nèi)的波長，已進(jìn)行壽命試驗(yàn)。MOEMS-LDMOEMS-LD（微光機(jī)電系統(tǒng)激光二極管）用靜電方式控制可移動表面設(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)平臺技術(shù)，控制腔鏡位置實(shí)現(xiàn)F-P腔腔長的變化，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)動電路，輸出光信號。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，使其反射波長改變。已研制出Polymer-AWG波長可調(diào)的集成模塊，有16個波長通道，波長間隔200GHz，插損8--9dB，串?dāng)_-25dB。用一個高速調(diào)制器對每個波長進(jìn)行時間調(diào)制的多波長LD正處于研制階段。這是一種全新的多波長和波長可編程光源。

　　結(jié)構(gòu)性能

　　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)射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進(jìn)一步激勵從結(jié)上發(fā)射出單波長的光，這種光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)。在VCD機(jī)中，半導(dǎo)體激光二極管是激光頭的核心部件之一，它大多是由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鎵鋁砷（AsALGA）三元化合物構(gòu)成的，是一種近紅外半導(dǎo)體器件，波長為780～820 nm，額定功率為3～5 mw。另外，還有一種可見光（如紅光）半導(dǎo)體激光二極管，也廣泛應(yīng)用于VCD機(jī)以及條形碼閱讀器中。激光二極管的外形及尺寸如圖1所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類型有三種，如圖2所示。由圖2可見，激光二極管內(nèi)包括兩個部分：第一部分是激光發(fā)射部分（可用LD表示），它的作用是發(fā)射激光，如圖中電極（2）;第二部分是激光接受部分（可用PD表示），它的作用是接受、監(jiān)測『JD發(fā)出的激光（當(dāng)然，若不需監(jiān)測LD的輸出，PD部分則可不用），如圖中電極（3）;這兩個部分共用公共電極（1），因此，激光二極管有三個電極。激光二極管具有體積小、重量輕、耗電低、驅(qū)動電路簡單、調(diào)制方便、耐機(jī)械沖擊以及抗震動等優(yōu)點(diǎn)，但它對過電流、過電壓以及靜電干擾極為敏感，因此，在使用時，要特別注意不要使其工作參數(shù)超過其最大允許值，可采用的方法如下：（1）用直流恒流源驅(qū)動激光二極管。（2）在激光_極管電路上串聯(lián)限流電阻器，并聯(lián)旁路電容器。（3）由于激光二極管溫度升高將增大流過它的電流值，因此，必須采用必要的散熱措施，以保證器件工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。（4）為了避免激光二極管因承受過大的反向電壓而造成擊穿損壞，可在其兩端反并聯(lián)上快速硅二極管。