激�二極�本質(zhì)上是一�(gè)半導(dǎo)體二極管,按�PN�(jié)材料是否相同,可以把激光二極管分為同質(zhì)�(jié)、單異質(zhì)�(jié)(SH�、雙異質(zhì)�(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)�(diǎn),是目前市場(chǎng)�(yīng)用的主流�(chǎn)�。同激光器相比,激光二極管具有效率�、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)�(diǎn),但其輸出功�?。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�(yīng)用受到很大限�,不能傳輸多頻道,高性能模擬信號(hào)。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�
半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)�(gòu):垂直于PN�(jié)面的一�(duì)平行平面�(gòu)成法布里——珀羅諧振腔,它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面,也可以是�(jīng)�(guò)拋光的平�。其余兩�(cè)面則相對(duì)粗糙,用以消除主方向外其它方向的激光作用�
激光二極管的物理結(jié)�(gòu)是在�(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)�,其端面�(jīng)�(guò)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�(jié)�(fā)射出光來(lái)并與光諧振腔相互作用,從而�(jìn)一步激�(lì)從結(jié)上發(fā)射出單波�(zhǎng)的光,這種光的物理性質(zhì)與材料有�(guān)�
激光二極管的工作原�,理論上與氣體激光器相同。半�(dǎo)體中的光�(fā)射通常起因于載流子的復(fù)�。當(dāng)半導(dǎo)體的PN�(jié)加有正向電壓�(shí),會(huì)削弱PN�(jié)�(shì)�,迫使電子從N區(qū)�(jīng)PN�(jié)注入P區(qū),空穴從P區(qū)�(jīng)�(guò)PN�(jié)注入N區(qū),這些注入PN�(jié)附近的非平衡電子和空穴將�(huì)�(fā)生復(fù)合,從而發(fā)射出波長(zhǎng)為λ的光子,其公式如下�
λ=hc/Eg (1)
式中:h—普朗克常數(shù);c—光�;Eg—半�(dǎo)體的禁帶寬度�
上述由于電子與空穴的自發(fā)�(fù)合而發(fā)光的�(xiàn)象稱為自�(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所�(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí),一旦經(jīng)�(guò)已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近,就能激�(lì)二者復(fù)�,產(chǎn)生新光子,這種光子誘使已激�(fā)的載流子�(fù)合而發(fā)出新光子�(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大,則�(huì)形成和熱平衡狀�(tài)相反的載流子分布,即粒子�(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反�(zhuǎn)情況下,少量自發(fā)輻射�(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往�(fù)反射而產(chǎn)生感�(yīng)輻射,造成選頻諧振正反饋,或者說(shuō)�(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí),就可從PN�(jié)�(fā)出具有良好譜線的相干光——激�,這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理�
?�?)波�(zhǎng):即激光管工作波長(zhǎng),目前可作光電開(kāi)�(guān)用的激光管波長(zhǎng)�635nm�650nm�670nm�690nm�780nm�810nm�860nm�980nm��
?�?)閾值電流Ith:即激光管�(kāi)始產(chǎn)生激光振蕩的電流,對(duì)一般小功率激光管而言,其值約在數(shù)十毫�,具有應(yīng)變多量子阱結(jié)�(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下�
?�?)工作電流Iop:即激光管�(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)�(dòng)電流,此值對(duì)于設(shè)�(jì)�(diào)試激光驅(qū)�(dòng)電路較重��
?�?)垂直發(fā)散角θ⊥:激光二極管的發(fā)光帶在垂直P(pán)N�(jié)方向張開(kāi)的角度,一般在15?�40?左右�
�5)水平發(fā)散角θ∥:激光二極管的發(fā)光帶在與PN�(jié)平行方向所張開(kāi)的角�,一般在6?�10?左右�
?�?)監(jiān)控電流Im:即激光管在額定輸出功率時(shí),在PIN管上流過(guò)的電��
二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦浴T陔娐分?,電流只能從二極管的正極流入,負(fù)極流��
1、正向特�
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�,二極管就會(huì)�(dǎo)通,這種連接方式,稱為正向偏�。必須說(shuō)�,當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小�(shí),二極管仍然不能�(dǎo)�,流�(guò)二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓�(dá)到某一�(shù)值(這一�(shù)值稱為“門(mén)檻電壓�,鍺管約�0.2V,硅管約�0.6V)以�,二極管才能直正�(dǎo)�。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�0.7V),稱為二極管的“正向壓降��
2、反向特�
在電子電路中,二極管的正極接在低電位�,負(fù)極接在高電位�,此�(shí)二極管中幾乎�(méi)有電流流�(guò),此�(shí)二極管處于截�?fàn)顟B(tài),這種連接方式,稱為反向偏�。二極管處于反向偏置�(shí),仍然會(huì)有微弱的反向電流流過(guò)二極管,稱為漏電�。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一�(shù)值,反向電流�(huì)急劇增大,二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕@種狀�(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�,才能滿足居量反�(zhuǎn)條件而發(fā)出激�。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(shí),臨界電流提�,效益降低,甚至損壞組件�
?�?)阻值測(cè)量法:拆下激光二極管,用�(wàn)用表R×1k或R×10k檔測(cè)量其�、反向電阻�。正常時(shí),正向電阻值為20~40kΩ之間,反向電阻值為∞(�(wú)窮大�。若�(cè)得正向電阻值已超過(guò)50kΩ,則�(shuō)明激光二極管的性能已下�。若�(cè)得的正向電阻值大�90kΩ,則�(shuō)明該二極管已�(yán)重老化,不能再使用了�
?�?)電流測(cè)量法:用�(wàn)用表�(cè)量激光二極管�(qū)�(dòng)電路中負(fù)載電阻兩端的電壓降,再根�(jù)歐姆定律估算出流�(guò)該管的電流�,當(dāng)電流超過(guò)100mA�(shí),若�(diào)節(jié)激光功率電位器(如下圖�,而電流無(wú)明顯的變�,則可判斷激光二極管�(yán)重老化。若電流劇增而失控,則說(shuō)明激光二極管的光�(xué)諧振腔已損壞�
�(dāng)激光二極管注入電流在臨界電流密度以下時(shí),發(fā)光機(jī)制主要是自發(fā)放射,光譜分散較�,頻寬大約在100�500埃(�=10-1奈米,原子直徑的�(shù)量級(jí)就是幾�(gè)?!抵g。但�(dāng)電流密度超過(guò)臨界值時(shí),就�(kāi)始產(chǎn)生振�,只剩下少數(shù)幾�(gè)模態(tài),而頻寬也減小�30埃以�。而且,激光二極管的消耗功率極�,以雙異�(zhì)�(jié)�(gòu)激光為例,的額定電壓通常低于2伏特,輸入電流則�15�100毫安之間,消耗功率往往不到一瓦特,而輸出功率達(dá)�(shù)十毫瓦特以上�
激光二極管的特色之一,是能直接從電流�(diào)制其輸出光的�(qiáng)�。因?yàn)檩敵龉夤β逝c輸入電流之間多為線性關(guān)�,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)�,省掉昂貴的�(diào)制器,使二極管的�(yīng)用更加經(jīng)�(jì)�(shí)��
一、DFB-LD
F-P(法布�-珀�)腔LD已成為常�(guī)�(chǎn)�,向高可靠低價(jià)化方向發(fā)展。DFB-LD的激射波�(zhǎng)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�(gè)有源層等間隔分布反射的皺褶波紋狀�(jié)�(gòu)光柵�(jìn)行工�。DFB-LD兩邊為不同材料或不同組分的半�(dǎo)體晶�,一般制作在量子阱QW有源層附近的光波�(dǎo)區(qū)。這種波紋狀�(jié)�(gòu)使光波導(dǎo)區(qū)的折射率呈周期性分�,其作用就像一�(gè)諧振�,波長(zhǎng)選擇�(jī)�(gòu)是光�。利用QW材料尺寸效應(yīng)和DFB光柵的選模作�,所激射出的光的譜線很�,在高速率�(diào)制下可動(dòng)�(tài)單縱模輸�。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,�1550nm波段�(nèi),最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研�(fā)日趨成熟,�(guó)際上僅少�(shù)幾家廠商可提供商用產(chǎn)品。優(yōu)化器件結(jié)�(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�(dǎo)�(jié)�(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�(shè)�(jì),�: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)�(gòu),提高器件性能。生�(chǎn)技�(shù)�,金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積MOCVD和光柵的刻蝕是其�(guān)鍵工藝。MOCVD可精確控制外延生�(zhǎng)層的組分、摻雜濃�、薄到幾�(gè)原子層的厚度,生長(zhǎng)效率�,適合大批量制�,反應(yīng)離子束刻蝕能保證光柵幾何圖形的均勻�,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�(kāi)始大量用�622Mb/s�2.5Gb/s光傳輸系�(tǒng)�(shè)�,�(duì)波長(zhǎng)的選擇使DFB-LD在大容量、長(zhǎng)距離光纖通信中成為主要光��
同一芯片上集成多波長(zhǎng)DFB-LD與外腔電吸收�(diào)制器的單芯片光源也在�(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�(diào)制器吸收層共用多QW�(jié)�(gòu)。調(diào)制器的作用如同一�(gè)高速開(kāi)�(guān),把LD輸出變換成二�(jìn)制的0�1。在一塊芯片上形成40種不同的折射光柵,波長(zhǎng)1530--1590nm�40路調(diào)制器集成光源,信道間隔�200GHz。其�(kāi)�(fā)目標(biāo)是集�100�(gè)�(fā)射波�(zhǎng)的LD陣列,以�(jìn)�9.5THz超大容量的通信�
�、VCESL
VCESL(垂直腔面�(fā)射激�)二極管的特點(diǎn)如下:從其頂部�(fā)射出圓柱形射�,射束�(wú)需�(jìn)行不�(duì)稱矯正或散光矯正,即可�(diào)制成用途廣泛的�(huán)形光�,易與光纖耦合;�(zhuǎn)換效率非常高,功耗僅為邊緣發(fā)射LD的幾分之一;�(diào)制速度�,�1GHz以上;閾值很�,噪聲�;重直腔面很小,易于高密度大�(guī)模制作和成管前整片檢�(cè)、封�、組�,成本��
VCSEL采用三明治式�(jié)�(gòu),其中間只�20nm�1--3層的QW增益區(qū),上、下各層是由多層外延生長(zhǎng)薄膜形成的高反射率為100[%]的布拉格反射�,由此�(gòu)成諧振腔。相干性極高的激光束從其頂部激射出。目前多家廠商有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)�(jì)在今�1--2年內(nèi)上市??烧{(diào)諧的典型器件是將一只普�980nmVCSEL與微光機(jī)電系�(tǒng)的反射腔集成組合,由曲形頂鏡、增益層、反射底鏡等�(gòu)成可�(chǎn)生中心波�(zhǎng)�1550nm的可�(diào)諧結(jié)�(gòu),用一�(gè)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�(diào)整諧振腔體間隙尺�,從而達(dá)到調(diào)整輸出波�(zhǎng)的目�。在1528--1560nm范圍連續(xù)可調(diào)�43nm,�(jīng)�(guò)2.5Gb/s傳輸500km�(shí)�(yàn)�(wú)誤碼,邊模抑制�(yōu)�50dB。如果發(fā)射波�(zhǎng)�1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業(yè)化生�(chǎn),將會(huì)�(jìn)一步促�(jìn)光通信�(fā)�,使光�(wǎng)�(luò)更加靠近家庭。已有許多公司公布了這種波長(zhǎng)的VCSEL原型�(jī)的一些技�(shù)�(shù)�(jù)�
三、DBR-LD
DBR-LD(分布布拉格反射器激光二極管)代表性的是超�(jié)�(gòu)光柵SSG�(jié)�(gòu)。器件中央是有源�,兩邊是折射光柵形成的SSG區(qū),受周期性間隔調(diào)�,其反射光譜變成梳狀�,梳狀光譜重合的波�(zhǎng)以大的不連續(xù)變化,可實(shí)�(xiàn)寬范圍的波長(zhǎng)�(diào)�。采用DBR-LD�(gòu)成波�(zhǎng)�(zhuǎn)換器,與調(diào)制器單片集成,其芯片左�(cè)為雙�(wěn)�(tài)激光器部分,有兩�(gè)激活區(qū)和一�(gè)用作飽和吸收的隔離區(qū);右側(cè)是波�(zhǎng)控制區(qū),由移相區(qū)和DBR�(gòu)��
1550nm多冗余功能可�(diào)諧DBR-LD可獲�16�(gè)頻率間隔�100GHz�32頻率間隔�50GHz的波�(zhǎng),隨著大約�10nm間隔跳模,可獲得約100nm的波�(zhǎng)�(diào)諧。除保留已有的處理和封裝工藝�,還增加了納秒�(jí)的波�(zhǎng)�(kāi)�(guān),�(kuò)大調(diào)諧范��
�、FG-LD
FG-LD(光纖光柵激光二極管)利用已成熟的封裝技�(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)�(gòu)的激光器,由LD芯片、空氣間�、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,FG用來(lái)反饋選模,由于其極窄的濾波特�,LD工作波長(zhǎng)將控制在光柵的布拉格�(fā)射峰帶寬�(nèi),通過(guò)加壓�(yīng)變或改變溫度的方�,�(diào)諧FG的布拉格波長(zhǎng),就可以得到波�(zhǎng)可控制的激光輸�。FG-LD制作組裝相對(duì)�(jiǎn)�,性能卻可與DFB-LD相比�,激射波�(zhǎng)由FG的布拉格波長(zhǎng)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�,較低的相�(duì)�(qiáng)度噪聲與較寬的調(diào)諧范�(50nm),在光通信的某些領(lǐng)域有可能替代DFB-LD。已�(jìn)行用�2.5Gb/sx64路的信號(hào)傳輸?shù)�?shí)�(yàn),效果很好�
五、GCSR-LD
GCSR-LD(光柵耦合采樣反射激光二極管)是一種波�(zhǎng)可大范圍�(diào)諧的LD,其結(jié)�(gòu)從左往右分別為增益、耦合器、相�、反射器區(qū)�,改變其增�、耦合、相位和反射器各�(gè)部分的注入電�,就可改變其發(fā)射波�(zhǎng)。此LD波長(zhǎng)可調(diào)范圍�80nm,可提�322�(gè)�(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T建議的波�(zhǎng)表內(nèi)的波�(zhǎng),已�(jìn)行壽命試�(yàn)�
�、MOEMS-LD
MOEMS-LD(微光�(jī)電系�(tǒng)激光二極管)用靜電方式控制可移動(dòng)表面�(shè)定或�(diào)整光�(xué)系統(tǒng)中物理尺�,�(jìn)行光波的水平方向�(diào)諧。采用自由空間微光學(xué)平臺(tái)技�(shù),控制腔鏡位置�(shí)�(xiàn)F-P腔腔�(zhǎng)的變�,帶來(lái)60nm的可�(diào)諧范�。這種�(jié)�(gòu)既可作可�(diào)諧光器件,也可用于半導(dǎo)體激光器集成,�(gòu)成可�(diào)諧激光器�
�、其它類型LD
光模塊激光二極管�(nèi)置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制電�、驅(qū)�(dòng)電路,輸出光信�(hào)。其體積�,可靠性高,使用方便,在城域網(wǎng)、同步傳輸系�(tǒng)、同步光纖網(wǎng)�(luò)中都大量采用2.5Gb/s光發(fā)射模�,10Gb/s�40Gb/s處于初期試用階段,向高速化、低成本、微型化�(fā)�。利用高分子材料Polymer折射率隨溫度變化特�,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�,使其反射波長(zhǎng)改變。已研制出Polymer-AWG波長(zhǎng)可調(diào)的集成模�,�16�(gè)波長(zhǎng)通道,波長(zhǎng)間隔200GHz,插損8--9dB,�?dāng)_-25dB。用一�(gè)高速調(diào)制器�(duì)每�(gè)波長(zhǎng)�(jìn)行時(shí)間調(diào)制的多波�(zhǎng)LD正處于研制階�。這是一種全新的多波�(zhǎng)和波�(zhǎng)可編程光��
1962年秋首次研制� 77K下脈沖受激�(fā)射的同質(zhì)�(jié)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�(zhì)�(jié)激光二極管�1970年制成室溫下連續(xù)工作� Ga1-xAlxAs/GaAs雙異�(zhì)�(jié)(DH)激光二極管。此�,激光二極管迅速發(fā)��1975� Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二極管的壽命提高到105小時(shí)以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP �(zhǎng)波長(zhǎng)DH激光二極管也取得重大�(jìn)展,因而推�(dòng)了光纖通信和其他應(yīng)用的�(fā)�。此外還出現(xiàn)了由Pb1-xSnxTe� �-Ⅵ族材料制成的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)激光二極管�
維庫(kù)電子通,電子知識(shí),一查百通!
已收錄詞�153979�(gè)