激光二極管檢視原始碼討論檢視歷史

來自 搜狐網 的圖片

激光二極管是中國的一個科技名詞。

漢字是中華民族燦爛文化展台上一顆無可取代、熠熠閃光的明珠。漢字之美，美在莊重典雅，形神兼具。她承載的是中華民族數千年的厚重歷史與燦爛文化。她的美，是無與倫比的。

名詞解釋

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，但其輸出功率小（一般小於2mW），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，上行發射一般都採用量子阱激光二極管作為光源。

半導體激光二極管的基本結構：垂直於PN結面的一對平行平面構成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經過拋光的平面。其餘兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

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，從而發射出波長為λ的光子，其公式如下：

λ = hc/Eg ⑴

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為自發輻射。當自發輻射所產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，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子複合而發出新光子現象稱為受激輻射。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，少量自發輻射產生的光子由於諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射，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結髮出具有良好譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡單原理。

應用

隨着技術和工藝的發展，多層結構。

常用的激光二極管有兩種：①PIN光電二極管。它在收到光功率產生光電流時，會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大，比PIN光電二極管的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件後面須連接低噪聲預放大器和主放大器。

半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。

常用參數

⑴波長：即激光管工作波長，可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

⑵閾值電流Ith ：即激光管開始產生激光振盪的電流，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閾值電流可低至10mA以下。

⑶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。

⑷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。

⑸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。

⑹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。

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，條形碼掃描儀，激光測距、激光醫療，光通訊，激光指示等小功率光電設備中得到了廣泛的應用，在舞檯燈光、激光手術、激光焊接和激光武器等大功率設備中也得到了應用。

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，並建有自建電場。當不存在外加電壓時，由於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於電平衡狀態。

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範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）以後，二極管才能直正導通。導通後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，此時二極管處於截止狀態，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處於反向偏置時，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於臨界電流密度，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，並且間接影響效益。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埃〉之間。但當電流密度超過臨界值時，就開始產生振盪，最後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於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，是能直接從電流調製其輸出光的強弱。因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係，所以激光二極管可以採用模擬或數字電流直接調製輸出光的強弱，省掉昂貴的調製器，使二極管的應用更加經濟實惠。

發光原理

激光二極管的發光原理：激光二極管中的P-N結由兩個摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個平端結構，平行於一端鏡像（高度反射面）和一個部分反射。要發射的光的波長與連接處的長度正好相關。當P-N結由外部電壓源正向偏置時，電子通過結而移動，並像普通二極管那樣重新組合。當電子與空穴複合時，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導致更多的光子被釋放。隨着正向偏置電流的增加，更多的電子進入耗盡區並導致更多的光子被發射。最終，在耗盡區內隨機漂移的一些光子垂直照射反射表面，從而沿着它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結的另一端反射回來。光子從一端到另一端的這種運動連續多次。在光子運動過程中，由於雪崩效應，更多的原子會釋放更多的光子。這種反射和產生越來越多的光子的過程產生非常強烈的激光束。在上面解釋的發射過程中產生的每個光子與在能級，相位關係和頻率上的其他光子相同。因此，發射過程給出單一波長的激光束。為了產生一束激光，必須使激光二極管的電流超過一定的閾值電平。低於閾值水平的電流迫使二極管表現為LED，發出非相干光。