激光二極管工作基本原理

　一、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，

　　一時處于高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為自發輻射；
　　二是處于高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為受激輻射；
　　三是處于低能態的粒子吸收外來光的能量向高能態躍遷稱之為受激吸收。
　　自發輻射，即使是兩個同時從某一高能態向低能態躍遷的粒子，它們發出光的相位、偏振狀態、發射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位于高能態的粒子在外來光子的激發下向低能態躍遷，發出在頻率、相位、偏振狀態等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中，發生的輻射就是受激輻射，它發出的激光在頻率、相位、偏振狀態等方面完全一樣。任何的受激發光系統，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優勢，才能把外來光放大而發出激光。而一般光源中都是受激吸收占優勢，只有粒子的平衡態被打破，使高能態的粒子數大于低能態的粒子數（這樣情況稱為離子數反轉），才能發出激光。
　　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，在外加電壓作用下，在結區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），才能輸出穩定的激光，另一方面，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Δф =2qπ q=1、2、3、4。。。。時，才能在輸出端產生加強干涉，輸出穩定激光。設諧振腔的長度為L，激活介質的折射率為N，則
Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，
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、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統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。
　　半導體中的光發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區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生復合，從而發射出波長為λ的光子，其公式如下：
λ = 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復合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子—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的載流子復合而發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態相反的載流子分布，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:①PIN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。②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、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統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）垂直發散角θ⊥：激光二極管的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15?~40?左右。
　　（5）水平發散角θ∥：激光二極管的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6?~ 10?左右。
　　（6）監控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。
　　激光二極管在計算機上的光盤驅動器，激光打印機中的打印頭等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。