激光二極管原理及應用

1、激光二極管參數與原理及應用2011-06-19 17:10:29 來源 :互聯(lián)網、激光的產生機理在講激光產生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，一時處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為自發(fā)輻射； 二是處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為受激輻射； 三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來光的能量向高能態(tài)躍遷稱之為受激吸收。自發(fā)輻射， 即使是兩個同時從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子， 它們發(fā)出光的相位、 偏 振狀態(tài)、 發(fā)射方向也可能不同， 但受激輻射就不同， 當位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā) 下向低能態(tài)躍遷，發(fā)出在頻率、 相位、偏振狀態(tài)等方面與外來光子完全

2、相同的光。 在激光器 中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任 何的受激發(fā)光系統(tǒng)， 即有受激輻射， 也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢， 才能把外來光放 大而發(fā)出激光。 而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢， 只有粒子的平衡態(tài)被打破， 使高能態(tài)的 粒子數大于低能態(tài)的粒子數（這樣情況稱為離子數反轉） ，才能發(fā)出激光。產生激光的三個條件是： 實現粒子數反轉、 滿足閾值條件和諧振條件。 產生光的受激發(fā) 射的首要條件是粒子數反轉， 在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。 為了獲得離子 數反轉，通常采用重摻雜的 P 型和 N 型材料構成 PN 結，這樣，在外加電壓作用

3、下，在結 區(qū)附近就出現了離子數反轉在高費米能級 EFC 以下導帶中貯存著電子，而在低費米能級 EFV 以上的價帶中貯存著空穴。實現粒子數反轉是產生激光的必要條件，但不是充分條件。 要產生激光， 還要有損耗極小的諧振腔， 諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡， 激活 物質所發(fā)出的受激輻射光在兩個反射鏡之間來回反射， 不斷引起新的受激輻射， 使其不斷被 放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內的各種損耗，即滿足一定的閾值條件 :P1P2exp（2G - 2A） > 1（P1、P2是兩個反射鏡的反射率，G是激活介質的增益系數，A是介質的損耗系數，exp為常數），才能輸出穩(wěn)定的激光，另一方面，

4、激光在諧振腔內來回反射，只有這些光束兩兩 之間在輸出端的相位差=2q n q=1、2、3、4。時，才能在輸出端產生加強干涉，輸出穩(wěn)定激光。設諧振腔的長度為L,激活介質的折射率為 N，則 © = （2n / 入）2NL=4 n N（Lf/c）=2q n ,上式可化為 f=qc/2NL 該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度 L 和折射率 N 確定以后， 只有 某些特定頻率的光才能形成光振蕩， 輸出穩(wěn)定的激光。 這說明諧振腔對輸出的激光有一定的 選頻作用。二、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 極管分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH ）和量

5、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 ，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(yōu)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(tǒng)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(fā)射一般都采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如圖所示， 垂直于 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。 其余兩側面則 相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半導體

6、中的光發(fā)射通常起因于載流子的復合。 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(qū)經 PN 結注入 P 區(qū)，空穴從 P 區(qū)經過 PN 結注入 N 區(qū)，這些 注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發(fā)生復合，從而發(fā)射出波長為入的光子，其公式如下：入=hc/Eg （1）式中：h普朗克常數；c光速；Eg半導體的禁帶寬度。上述由于電子與空穴的自發(fā)復合而發(fā)光的現象稱為自發(fā)輻射。當自發(fā)輻射所產生的光子通過半導體時， 一旦經過已發(fā)射的電子空穴對附近，就能激勵二者復合，產生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復合而發(fā)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

7、態(tài)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(fā)輻射產生的光子由于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。當增益大于吸收損耗時，就可從PN 結發(fā)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。隨著技術和工藝的發(fā)展，目前實際使用的半導體激光二極管具有復雜的多層結構。常用的激光二極管有兩種：PIN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。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， 光檢測器件后面須連接低噪聲預放大器和主放大器。半導體

8、激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。 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 分為同質結、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 二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)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(yōu)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(tǒng)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(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。半導體激光二極管的常用參數有：（ 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）閾值電流 Ith ：即激光管開始產生激光振蕩的電流，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閾值電流可低至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，此值對于設計調試激 光驅動電路較重要。（4）垂直發(fā)散角B丄：激光二極管的發(fā)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(fā)散角0 /:激光二極管的發(fā)光帶在