系列文章目录

1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划

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前言

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一、什么是激光二极管

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(Laser Diode) 的LASER是取"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（基于受激发射的光放大）"的首字母组成的缩写单词，激光二极管也被称为半导体激光器，通常简称为LD。

激光二极管包括单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。

由于可产生波长及相位等性质完全一样的光，因此相干性高(coherent)是其[敏感词]特点。

利用注入电流产生的光在2片镜片之间往返放大，直至激光振荡。简单的说，激光二极管也可以说成是一个通过反射镜将光放大的发光LED。

【激光二极管的发光示意图】

作为元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半导体，由于LSI及Tr、Di等使用的Si跃迁概率（电流转变为光的概率）较差，因此不适用于激光二极管。

二、激光二极管的发光原理

激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓层形成。它有两个平端结构，平行于一端镜像（高度反射面）和一个部分反射。要发射的光的波长与连接处的长度正好相关。当P-N结由外部电压源正向偏置时，电子通过结而移动，并像普通二极管那样重新组合。当电子与空穴复合时，光子被释放。这些光子撞击原子，导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加，更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终，在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面，从而沿着它们的原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中，由于雪崩效应，更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级，相位关系和频率上的其他光子相同。因此，发射过程给出单一波长的激光束。为了产生一束激光，必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电平。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为LED，发出非相干光。

三、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。下面通过简单的
实验说明二极管的正向特性和反向特性。

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。

四、激光二极管和LED的区别

将激光二极管和LED的区别汇总在了下表中。
由于激光二极管的谱宽是狭窄单一的波长、相位整齐、指向性高的光，因此具备容易控制能量的特征。

五、激光二极管的振荡波长

使用APC驱动器，使LD的光输出保持一定。
使用集光镜头令激光入射到光纤上，再通过光纤输入光谱分析仪，观测振荡光谱。

振荡波长用符号λ表示，单位是nm（纳米）。
由有源层结晶材料具有的禁带宽度和芯片结构参数的共振器长度决定。
共振器长度存在很多候选振荡波长，但禁带宽度周围增益[敏感词]的波长发生振荡。
如果结区（有源层）温度上升，则共振器长度发生物理伸长或折射率变大，如果壳体温度及光输出增大，则振荡波长将变长。

六、激光二极管的原理和应用

1、激光二极管的原理和应用
2、激光二极管驱动电路图大全（六款激光二极管驱动电路设计原理图详解） - 全文
3、激光二极管驱动芯片

七、使用注意事项

1. 由于与其他的分立式产品相比，ESD水平非常低，因此如果在正向上加入浪涌，则过量发光，导致端面损坏，激光无法振荡。
   
   ESD:Electro Static Discharge 的简称，意思是静电放电。
2. 使用时，请不要触摸作为镜片发挥作用的端面。
   （其他的分立式产品通常可以将端面作为"裁切余量"使用 。）

后记

激光二极管
激光二极管的使用寿命
元器件科普之激光二极管的原理和应用
激光二极管也被称为半导体激光器，通常简称为LD。激光二极管又可以细分为多个类别，下边一起了解一下。

1、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。

2、VCSEL

VCSEL（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最后从其顶部激射出。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。

3、DBR-LD

DBR-LD（分布布拉格反射器激光二极管）[敏感词]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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。