激光二极管

基本结构

　　半导体激光二极管的基本结构：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

　　激光二极管的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。

原理

　　激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：
　　                        λ=hc/Eg (1)
式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。
　　上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。

常用参数

　　（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
　　（2）阈值电流Ith：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。
　　（3）工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
　　（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?～40?左右。
　　（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?～10?左右。
　　（6）监控电流Im：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。

导电特性

　　二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
　　1、正向特性
　　在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。
　　2、反向特性
　　在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。激光二极管的注入电流必须大于临界电流密度，才能满足居量反转条件而发出激光。临界电流密度与接面温度有关，并且间接影响效益。高温操作时，临界电流提高，效益降低，甚至损坏组件。

检测

　　（1）阻值测量法：拆下激光二极管，用万用表R×1k或R×10k档测量其正、反向电阻值。正常时，正向电阻值为20~40kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正向电阻值已超过50kΩ，则说明激光二极管的性能已下降。若测得的正向电阻值大于90kΩ，则说明该二极管已严重老化，不能再使用了。
　　（2）电流测量法：用万用表测量激光二极管驱动电路中负载电阻两端的电压降，再根据欧姆定律估算出流过该管的电流值，当电流超过100mA时，若调节激光功率电位器（如下图），而电流无明显的变化，则可判断激光二极管严重老化。若电流剧增而失控，则说明激光二极管的光学谐振腔已损坏。

特点

　　当激光二极管注入电流在临界电流密度以下时，发光机制主要是自发放射，光谱分散较广，频宽大约在100到500埃（埃=10-1奈米，原子直径的数量级就是几个埃〉之间。但当电流密度超过临界值时，就开始产生振荡，只剩下少数几个模态，而频宽也减小到30埃以下。而且，激光二极管的消耗功率极小，以双异质结构激光为例，的额定电压通常低于2伏特，输入电流则在15到100毫安之间，消耗功率往往不到一瓦特，而输出功率达数十毫瓦特以上。
　　激光二极管的特色之一，是能直接从电流调制其输出光的强弱。因为输出光功率与输入电流之间多为线性关系，所以激光二极管可以采用模拟或数字电流直接调制输出光的强弱，省掉昂贵的调制器，使二极管的应用更加经济实惠。

种类

　　一、DFB-LD
　　F-P(法布里-珀罗)腔LD已成为常规产品,向高可靠低价化方向发展。DFB-LD的激射波长主要由器件内部制备的微小折射光栅周期决定,依赖沿整个有源层等间隔分布反射的皱褶波纹状结构光栅进行工作。DFB-LD两边为不同材料或不同组分的半导体晶层,一般制作在量子阱QW有源层附近的光波导区。这种波纹状结构使光波导区的折射率呈周期性分布,其作用就像一个谐振控,波长选择机构是光栅。利用QW材料尺寸效应和DFB光栅的选模作用,所激射出的光的谱线很宽,在高速率调制下可动态单纵模输出。内置调制器的DFB-LD满足光发射机小型、低功耗的要求。
　　DFB-LD多采用III和Ⅴ族元素组成的三元化合物、四元化合物,在1550nm波段内,最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研发日趋成熟,国际上仅少数几家厂商可提供商用产品。优化器件结构,有源区为应变超晶格QW。有源区周边一般为双沟掩埋或脊型波导结构。有源区附近的光波导区为DFB光栅,采用一些特殊的设计,如:波纹坡度可调分布耦合、复耦合、吸收耦合、增益耦合、复合非连续相移等结构,提高器件性能。生产技术中,金属有机化学汽相淀积MOCVD和光栅的刻蚀是其关键工艺。MOCVD可精确控制外延生长层的组分、掺杂浓度、薄到几个原子层的厚度,生长效率高,适合大批量制作,反应离子束刻蚀能保证光栅几何图形的均匀性,电子束产生相位掩膜刻蚀可一步完成阵列光栅的制作。1550nmDFB-LD开始大量用于622Mb/s、2.5Gb/s光传输系统设备,对波长的选择使DFB-LD在大容量、长距离光纤通信中成为主要光源。
　　同一芯片上集成多波长DFB-LD与外腔电吸收调制器的单芯片光源也在发展中。研制成功的电吸收调制器集成光源,采用有源层与调制器吸收层共用多QW结构。调制器的作用如同一个高速开关,把LD输出变换成二进制的0和1。在一块芯片上形成40种不同的折射光栅,波长1530--1590nm的40路调制器集成光源,信道间隔为200GHz。其开发目标是集成100个发射波长的LD阵列,以进行9.5THz超大容量的通信。
　　二、VCESL
　　VCESL(垂直腔面发射激光)二极管的特点如下:从其顶部发射出圆柱形射束,射束无需进行不对称矫正或散光矫正,即可调制成用途广泛的环形光束,易与光纤耦合;转换效率非常高,功耗仅为边缘发射LD的几分之一;调制速度快,在1GHz以上;阈值很低,噪声小;重直腔面很小,易于高密度大规模制作和成管前整片检测、封装、组装,成本低。
　　VCSEL采用三明治式结构,其中间只有20nm、1--3层的QW增益区,上、下各层是由多层外延生长薄膜形成的高反射率为100[%]的布拉格反射层,由此构成谐振腔。相干性极高的激光束从其顶部激射出。目前多家厂商有1550nm低损耗窗口与低色散的可调谐VCSEL样品展示。1310nm的产品预计在今后1--2年内上市。可调谐的典型器件是将一只普通980nmVCSEL与微光机电系统的反射腔集成组合,由曲形顶镜、增益层、反射底镜等构成可产生中心波长为1550nm的可调谐结构,用一个静电控制电压将位于支撑薄膜上的顶端反射镜定位,改变控制电压就可调整谐振腔体间隙尺寸,从而达到调整输出波长的目的。在1528--1560nm范围连续可调谐43nm,经过2.5Gb/s传输500km实验无误码,边模抑制优于50dB。如果发射波长在1310--1550nm之间的VCSEL能够商业化生产,将会进一步促进光通信发展,使光网络更加靠近家庭。已有许多公司公布了这种波长的VCSEL原型机的一些技术数据。
　　三、DBR-LD
　　DBR-LD(分布布拉格反射器激光二极管)代表性的是超结构光栅SSG结构。器件中央是有源层,两边是折射光栅形成的SSG区,受周期性间隔调制,其反射光谱变成梳状峰,梳状光谱重合的波长以大的不连续变化,可实现宽范围的波长调谐。采用DBR-LD构成波长转换器,与调制器单片集成,其芯片左侧为双稳态激光器部分,有两个激活区和一个用作饱和吸收的隔离区;右侧是波长控制区,由移相区和DBR构成。
　　1550nm多冗余功能可调谐DBR-LD可获得16个频率间隔为100GHz或32频率间隔为50GHz的波长,随着大约以10nm间隔跳模,可获得约100nm的波长调谐。除保留已有的处理和封装工艺外,还增加了纳秒级的波长开关,扩大调谐范围。
　　四、FG-LD
　　FG-LD(光纤光栅激光二极管)利用已成熟的封装技术,将含有FG的光纤与端面镀有增透膜的F-P腔LD耦合而成可调谐外腔结构的激光器,由LD芯片、空气间隙、光纤前端的光纤部分组成,光学谐振腔在光栅和LD外端面之间。LD的内端面镀有增透膜,以减小其F-P模式,FG用来反馈选模,由于其极窄的滤波特性,LD工作波长将控制在光栅的布拉格发射峰带宽内,通过加压应变或改变温度的方法,调谐FG的布拉格波长,就可以得到波长可控制的激光输出。FG-LD制作组装相对简单,性能却可与DFB-LD相比拟,激射波长由FG的布拉格波长决定,因此可以精控,单模输出功率可达10mW以上,小于2.5kHz的线宽,较低的相对强度噪声与较宽的调谐范围(50nm),在光通信的某些领域有可能替代DFB-LD。已进行用于2.5Gb/sx64路的信号传输的实验,效果很好。
　　五、GCSR-LD
　　GCSR-LD(光栅耦合采样反射激光二极管)是一种波长可大范围调谐的LD,其结构从左往右分别为增益、耦合器、相位、反射器区域,改变其增益、耦合、相位和反射器各个部分的注入电流,就可改变其发射波长。此LD波长可调范围约80nm,可提供322个国际电信联盟ITU-T建议的波长表内的波长,已进行寿命试验。
　　六、MOEMS-LD
　　MOEMS-LD(微光机电系统激光二极管)用静电方式控制可移动表面设定或调整光学系统中物理尺寸,进行光波的水平方向调谐。采用自由空间微光学平台技术,控制腔镜位置实现F-P腔腔长的变化,带来60nm的可调谐范围。这种结构既可作可调谐光器件,也可用于半导体激光器集成,构成可调谐激光器。
　　七、其它类型LD
　　光模块激光二极管内置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制电路、驱动电路,输出光信号。其体积小,可靠性高,使用方便,在城域网、同步传输系统、同步光纤网络中都大量采用2.5Gb/s光发射模块,10Gb/s、40Gb/s处于初期试用阶段,向高速化、低成本、微型化发展。利用高分子材料Polymer折射率随温度变化特性,加热器改变高分子材料光栅温度,引发其折射率和光栅节距变化,使其反射波长改变。已研制出Polymer-AWG波长可调的集成模块,有16个波长通道,波长间隔200GHz,插损8--9dB,串扰-25dB。用一个高速调制器对每个波长进行时间调制的多波长LD正处于研制阶段。这是一种全新的多波长和波长可编程光源。

历史

　　1962年秋首次研制出 77K下脉冲受激发射的同质结GaAs 激光二极管。1964 年将其工作温度提高到室温。1969年制造出室温下脉冲工作的单异质结激光二极管，1970年制成室温下连续工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs双异质结(DH)激光二极管。此后，激光二极管迅速发展。1975年 Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二极管的寿命提高到105小时以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP 长波长DH激光二极管也取得重大进展，因而推动了光纤通信和其他应用的发展。此外还出现了由Pb1-xSnxTe等 Ⅳ-Ⅵ族材料制成的远红外波长激光二极管。