詳解激光二極管的振蕩波長和激光的形狀

二極管" target="_blank">激光二極管包括單異質(zhì)結(jié)(SH)、雙異質(zhì)結(jié)(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(yōu)點(diǎn)，是市場應(yīng)用的主流產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。

產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在半導(dǎo)體中就是要把價(jià)帶內(nèi)的電子抽運(yùn)到導(dǎo)帶。為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常采用重?fù)诫s的P型和N型材料構(gòu)成PN結(jié)，這樣，在外加電壓作用下，在結(jié)區(qū)附近就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)—在高費(fèi)米能級EFC以下導(dǎo)帶中貯存著電子，而在低費(fèi)米能級EFV以上的價(jià)帶中貯存著空穴。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件，但不是充分條件。要產(chǎn)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(gè)互相平行的反射鏡，激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個(gè)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(nèi)的各種損耗，即滿足一定的閾值條件：P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1(P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率，G是激活介質(zhì)的增益系數(shù)，A是介質(zhì)的損耗系數(shù)，exp為常數(shù))，才能輸出穩(wěn)定的激光，另一方面，激光在諧振腔內(nèi)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(shí)，才能在輸出端產(chǎn)生加強(qiáng)干涉，輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長度為L，激活介質(zhì)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(wěn)定的激光。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)電的“導(dǎo)體”和不易導(dǎo)電的“絕緣體(非導(dǎo)體)”之間的物質(zhì)。導(dǎo)體包括鐵、金等金屬物質(zhì)，絕緣體包括橡膠、玻璃等物質(zhì)。半導(dǎo)體可以通過使其導(dǎo)電或不導(dǎo)電來控制電流。另外，在某些使用方式下，還可以在光能和電能之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

通常，二極管的元件主要由硅(Si)制成。硅(Si)是最典型的半導(dǎo)體材料。硅以“硅石(SiO2：主要成分是二氧化硅的石頭”的形式存在于自然界中，是一種資源豐富的材料。因其易于加工而被廣泛應(yīng)用于很多半導(dǎo)體產(chǎn)品中。

硅(Si)作為半導(dǎo)體材料，本來是絕緣體，幾乎沒有作為載流子的自由電子。因此，通過向硅(Si)中添加其他雜質(zhì)來提高硅(Si)中的載流子濃度，從而提高其電導(dǎo)率。像這樣通過添加雜質(zhì)來增加載流子的半導(dǎo)體被稱為“雜質(zhì)半導(dǎo)體”。載流子包括自由電子和自由空穴，其中使自由電子載流子增加的半導(dǎo)體稱為“n型半導(dǎo)體”，使自由空穴載流子增加的半導(dǎo)體稱為“p型半導(dǎo)體”。

* p型半導(dǎo)體(+：positive，空穴多的半導(dǎo)體)、n型半導(dǎo)體(-：negative，電子多的半導(dǎo)體)

二極管的元件是p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體連接的結(jié)構(gòu)，稱為“pn結(jié)”。p型半導(dǎo)體的引腳稱為“陽極”，n型半導(dǎo)體的引腳稱為“陰極”，電流是從陽極流向陰極的。

振蕩波長 (λ)

振蕩波長用符號(hào)λ表示，單位是nm(納米)。

由有源層結(jié)晶材料具有的禁帶寬度和芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)的共振器長度決定。

共振器長度存在很多候選振蕩波長，但禁帶寬度周圍增益最大的波長發(fā)生振蕩。

如果結(jié)區(qū)(有源層)溫度上升，則共振器長度發(fā)生物理伸長或折射率變大，如果殼體溫度及光輸出增大，則振蕩波長將變長。

振蕩波長 (λ)：測量方法

使用APC驅(qū)動(dòng)器，使LD的光輸出保持一定。

使用集光鏡頭令激光入射到光纖上，再通過光纖輸入光譜分析儀，觀測振蕩光譜。

激光的形狀

遠(yuǎn)場圖 (FFP：Far Field Pattern)

輻射到離芯片端面足夠遠(yuǎn)的地方的光的強(qiáng)度分布稱為遠(yuǎn)場圖。

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光并不都是直線光，因衍射導(dǎo)致擴(kuò)散發(fā)射。

由于芯片內(nèi)的共振器(有源層和條形電極)的垂直方向是以數(shù)10nm級，水平方向是以數(shù)μm級制作而成，因此一般來說，遠(yuǎn)場圖在有源層上的垂直方向比水平方向要大。

遠(yuǎn)場圖: 測量方法

使用APC驅(qū)動(dòng)器，使激光二極管的光輸出保持一定。

光電二極管的受光面朝向激光芯片的發(fā)光面，在以發(fā)光點(diǎn)為中心的圓周上使之移動(dòng)，測量正面為0度時(shí)的角度和光強(qiáng)度的關(guān)系。

在激光芯片的有源層上，沿水平方向和垂直方向分別進(jìn)行移動(dòng)。

APC驅(qū)動(dòng)器：

Auto Power Controll的簡稱，是輸出一定驅(qū)動(dòng)的意思。

LED通常使用的是ACC(恒流驅(qū)動(dòng))，但LD的用途上，使用ACC時(shí)輸出的穩(wěn)定程度不夠。因此，一般的激光二極管中都內(nèi)置光電二極管用于監(jiān)視，設(shè)置在封裝內(nèi)部，使之能夠接收到來自芯片后端的光。

使該光電二極管的輸出 (Im：監(jiān)視電流)保持一定的反饋驅(qū)動(dòng)電路叫作APC驅(qū)動(dòng)器(電路)。