雷射二極體基本工作原理

一、雷射的產生機理
　　在講雷射產生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，

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　　一時處於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；
　　二是處於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；
　　三是處於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，當位於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。在雷射器中，發生的輻射就是受激輻射，它發出的雷射在頻率、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，只有受激輻射佔優勢，才能把外來光放大而發出雷射。而一般光源中都是受激吸收佔優勢，只有粒子的平衡態被打破，使高能態的粒子數大於低能態的粒子數（這樣情況稱為離子數反轉），才能發出雷射。
　　產生雷射的三個條件是：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，通常採用重摻雜的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雷射的必要條件，但不是充分條件。要產生雷射，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於雷射器內的各種損耗，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是激活介質的增益係數，A是介質的損耗係數，exp為常數），才能輸出穩定的雷射，另一方面，雷射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幹涉，輸出穩定雷射。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確定以後，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩定的雷射。這說明諧振腔對輸出的雷射有一定的選頻作用。
　　二、雷射二極體本質上是一個半導體二極體，按照PN結材料是否相同，可以把雷射二極體分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）雷射二極體。量子阱雷射二極體具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。同雷射器相比，雷射二極體具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小於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，上行發射一般都採用量子阱雷射二極體作為光源。
　　半導體雷射二極體的基本結構如圖所示，垂直於PN結面的一對平行平面構成法布裡——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。其餘兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的雷射作用。
　　半導體中的光發射通常起因於載流子的複合。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複合，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。
　　上述由於電子與空穴的自發複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，就能激勵二者複合，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子複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於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。當增益大於吸收損耗時，就可從PN結髮出具有良好譜線的相干光——雷射，這就是雷射二極體的簡單原理。
　　隨著技術和工藝的發展，目前實際使用的半導體雷射二極體具有複雜的多層結構。
　　常用的雷射二極體有兩種:①PIN光電二極體。它在收到光功率產生光電流時，會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極體。它能夠提供內部放大,比PIN光電二極體的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件後面須連接低噪聲預放大器和主放大器。
　　半導體雷射二極體的工作原理，理論上與氣體雷射器相同。
　　雷射二極體本質上是一個半導體二極體，按照PN結材料是否相同，可以把雷射二極體分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）雷射二極體。量子阱雷射二極體具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。同雷射器相比，雷射二極體具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小於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，上行發射一般都採用量子阱雷射二極體作為光源。
　　半導體雷射二極體的常用參數有：
　　（1）波長：即雷射管工作波長，目前可作光電開關用的雷射管波長有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
　　（2）閾值電流Ith ：即雷射管開始產生雷射振蕩的電流，對一般小功率雷射管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的雷射管閾值電流可低至10mA以下。
　　（3）工作電流Iop ：即雷射管達到額定輸出功率時的驅動電流，此值對於設計調試雷射驅動電路較重要。
　　（4）垂直發散角θ⊥：雷射二極體的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15?~40?左右。
　　（5）水平發散角θ∥：雷射二極體的發光帶在與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 ：即雷射管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。
　　雷射二極體在計算機上的光碟驅動器，雷射印表機中的列印頭等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。

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