激光二極管

激光二極管簡介

　　激光二極管包括單異質結（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閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。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?。ㄒ话阈∮?mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系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為光源。

　　工作原理

　　晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴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。當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散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。

激光二極管百科

　　激光二極管包括單異質結（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閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。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?。ㄒ话阈∮?mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系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為光源。

　　工作原理

　　晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴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。當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散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。

　　導電特性

　　二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗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，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導通。導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狀態，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。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態稱為二極管的擊穿。激光二極管的注入電流必須大于臨界電流密度，才能滿足居量反轉條件而發出激光。臨界電流密度與接面溫度有關，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

　　當激光二極管注入電流在臨界電流密度以下時，發光機制主要是自發放射，光譜分散較廣，頻寬大約在100到500埃（埃=10-1奈米，原子直徑的數量級就是幾個?！抵g。但當電流密度超過臨界值時，就開始產生振蕩，最后只剩下少數幾個模態，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，以雙異質結構激光為例，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，而輸出功率達數十毫瓦特以上。激光二極管的特色之一，是能直接從電流調制其輸出光的強弱。因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關系，所以激光二極管可以采用模擬或數字電流直接調制輸出光的強弱，省掉昂貴的調制器，使二極管的應用更加經濟實惠。

　　種類

　　DFB-LDF-P（法布里-珀羅）腔LD已成為常規產品，向高可靠低價化方向發展。DFB-LD的激射波長主要由器件內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構光柵進行工作。DFB-LD兩邊為不同材料或不同組分的半導體晶層，一般制作在量子阱QW有源層附近的光波導區。這種波紋狀結構使光波導區的折射率呈周期性分布，其作用就像一個諧振控，波長選擇機構是光柵。利用QW材料尺寸效應和DFB光柵的選模作用，所激射出的光的譜線很寬，在高速率調制下可動態單縱模輸出。內置調制器的DFB-LD滿足光發射機小型、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，最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研發日趨成熟，國際上僅少數幾家廠商可提供商用產品。優化器件結構，有源區為應變超晶格QW。有源區周邊一般為雙溝掩埋或脊型波導結構。有源區附近的光波導區為DFB光柵，采用一些特殊的設計，如：波紋坡度可調分布耦合、復耦合、吸收耦合、增益耦合、復合非連續相移等結構，提高器件性能。生產技術中，金屬有機化學汽相淀積MOCVD和光柵的刻蝕是其關鍵工藝。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，反應離子束刻蝕能保證光柵幾何圖形的均勻性，電子束產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光傳輸系統設備，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與外腔電吸收調制器的單芯片光源也在發展中。研制成功的電吸收調制器集成光源，采用有源層與調制器吸收層共用多QW結構。調制器的作用如同一個高速開關，把LD輸出變換成二進制的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路調制器集成光源，信道間隔為200GHz。其開發目標是集成100個發射波長的LD陣列，以進行9.5THz超大容量的通信。VCSELVCSEL（垂直腔面發射激光）二極管的特點如下：從其頂部發射出圓柱形射束，射束無需進行不對稱矯正或散光矯正，即可調制成用途廣泛的環形光束，易與光纖耦合；轉換效率非常高，功耗僅為邊緣發射LD的幾分之一；調制速度快，在1GHz以上；閾值很低，噪聲??；重直腔面很小，易于高密度大規模制作和成管前整片檢測、封裝、組裝，成本低。VCSEL采用三明治式結構，其中間只有20nm、1--3層的QW增益區，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諧VCSEL樣品展示。1310nm的產品預計在今后1--2年內上市?？烧{諧的典型器件是將一只普通980nmVCSEL與微光機電系統的反射腔集成組合，由曲形頂鏡、增益層、反射底鏡等構成可產生中心波長為1550nm的可調諧結構，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整諧振腔體間隙尺寸，從而達到調整輸出波長的目的。在1528--1560nm范圍連續可調諧43nm，經過2.5Gb/s傳輸500km實驗無誤碼，邊模抑制優于50dB。如果發射波長在1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業化生產，將會進一步促進光通信發展，使光網絡更加靠近家庭。已有許多公司公布了這種波長的VCSEL原型機的一些技術數據。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構光柵SSG結構。器件中央是有源層，兩邊是折射光柵形成的SSG區，受周期性間隔調制，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變化，可實現寬范圍的波長調諧。采用DBR-LD構成波長轉換器，與調制器單片集成，其芯片左側為雙穩態激光器部分，有兩個激活區和一個用作飽和吸收的隔離區；右側是波長控制區，由移相區和DBR構成。1550nm多冗余功能可調諧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，擴大調諧范圍。FG-LDFG-LD（光纖光柵激光二極管）利用已成熟的封裝技術，將含有FG的光纖與端面鍍有增透膜的F-P腔LD耦合而成可調諧外腔結構的激光器，由LD芯片、空氣間隙、光纖前端的光纖部分組成，光學諧振腔在光柵和LD外端面之間。LD的內端面鍍有增透膜，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工作波長將控制在光柵的布拉格發射峰帶寬內，通過加壓應變或改變溫度的方法，調諧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10mW以上，小于2.5kHz的線寬，較低的相對強度噪聲與較寬的調諧范圍（50nm），在光通信的某些領域有可能替代DFB-LD。已進行用于2.5Gb/sx64路的信號傳輸的實驗，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諧的LD，其結構從左往右分別為增益、耦合器、相位、反射器區域，改變其增益、耦合、相位和反射器各個部分的注入電流，就可改變其發射波長。此LD波長可調范圍約80nm，可提供322個國際電信聯盟ITU-T建議的波長表內的波長，已進行壽命試驗。MOEMS-LDMOEMS-LD（微光機電系統激光二極管）用靜電方式控制可移動表面設定或調整光學系統中物理尺寸，進行光波的水平方向調諧。采用自由空間微光學平臺技術，控制腔鏡位置實現F-P腔腔長的變化，帶來60nm的可調諧范圍。這種結構既可作可調諧光器件，也可用于半導體激光器集成，構成可調諧激光器。其它類型LD光模塊激光二極管內置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制電路、驅動電路，輸出光信號。其體積小，可靠性高，使用方便，在城域網、同步傳輸系統、同步光纖網絡中都大量采用2.5Gb/s光發射模塊，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，引發其折射率和光柵節距變化，使其反射波長改變。已研制出Polymer-AWG波長可調的集成模塊，有16個波長通道，波長間隔200GHz，插損8--9dB，串擾-25dB。用一個高速調制器對每個波長進行時間調制的多波長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。

　　結構性能

　　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結發射出光來并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。在VCD機中，半導體激光二極管是激光頭的核心部件之一，它大多是由雙異質結構的鎵鋁砷（AsALGA）三元化合物構成的，是一種近紅外半導體器件，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）半導體激光二極管，也廣泛應用于VCD機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。其內部結構類型有三種，如圖2所示。由圖2可見，激光二極管內包括兩個部分：第一部分是激光發射部分（可用LD表示），它的作用是發射激光，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、監測『JD發出的激光（當然，若不需監測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、驅動電路簡單、調制方便、耐機械沖擊以及抗震動等優點，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超過其最大允許值，可采用的方法如下：（1）用直流恒流源驅動激光二極管。（2）在激光_極管電路上串聯限流電阻器，并聯旁路電容器。（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。（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，可在其兩端反并聯上快速硅二極管。