LD简介

LD简介刘冰洁、孙翠迎、鲁冰玉一、LD简介LD是Laserdiode的简称，又名镭射二极管或激光二极管，镭射英文名称为Laser，是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的第一个字母缩写，它的意思系藉由受激发产生之辐射来进行光放大的作用，为一产生电磁辐射的装置，具有相当高的辐射能。镭射的波长范围涵盖紫外线、可见光至红外线，大约是从200~30000nm，其中380~760nm为可见光之波长范围。镭射二极管(LaserDiode,LD)依波长及应用大致分为短波长LD与长波长LD两大类，短波长LD之波长范围约90nm~950nm，主要使用于光储存、光输出、指示器及显示应用；而长波长LD之波长范围约980nm~1550nm，主要用于光纤通讯。二、激光二极管的结构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。半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。图1(b)是激光二极管的代表符号。激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用。三、半导体激光二极管的原理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。半导体激光二极管是通过PN结电注入泵浦的方式实现受激发射的半导体器件。它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但输出功率、单色性和方向性不如其他激光器。通过PN结电注入泵浦的方式实现受激发射的半导体器件。它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但输出功率、单色性和方向性不如其他激光器。在PN结上施加正向偏置，则有电流流过PN结，即电子由N区注入到P区，而空穴由P区注入到N区。提高偏置电压，电流增大到某一定值时，就会使有源区材料的导带中能级上电子占有的几率大于价带中相对应能级上电子占有的几率，从而发生粒子数分布反转，能为受激发射提供增益。当增益等于或大于半导体材料本身的吸收损耗和端面漏出损耗时，就能获得受激发射产生激光要满足以下条件：一、粒子数反转；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里——帕罗谐振腔。三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。LD的谐振腔有源区注入电流解理面解理面Z＝0Z＝LR1R2增益介质L四、激光二极管的特性①电流低于Ith时为自发辐射(荧光)，大于Ith时为受激辐射(激光)。Ith为阈值电流。受激发射时曲线的斜率为外微分量子效率。Ith以上和以下时分别发出的激光功率同荧光功率之比称消光比。通常双异质结激光二极管连续工作的Ith为20～100毫安，输出光功率可达几十毫瓦，外微分量子效率为20%～60%。②伏安特性:半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。。③P-I特性LD的P-I特性由A,B两段组成，B线的延长线与横轴的交点对应的电流为闽值电流Ith，当工作电流大于Ith时产生激光输出。LD的Ith对工作温度是十分敏感的，随着工作温度的提高，P-I特性曲线向右移动，阂值电流增大，斜率减小。4、光谱特性激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数、有缘介质的增益曲线。腔长L决定纵膜间隔，宽W和H决定横膜性质。LD的优点1）LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。2）LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为0.03~0.04μm。3）由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而LED的发散角一般在40°～20°范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。4)LD的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。LD的缺点1)温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度T，故其输出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流，故其温度特性较好。2）易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。3）半导体激光器价格昂贵，发光二极管比较便宜。4）半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的P-I曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。