激光二極管在電力電子和通信領(lǐng)域的應(yīng)用

時(shí)間：2024-12-22 20:24:09

關(guān)鍵字： P型和N型半導(dǎo)體

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[導(dǎo)讀]激光二極管的結(jié)構(gòu)包括P型和N型半導(dǎo)體，中間是一個(gè)未摻雜的本征半導(dǎo)體區(qū)域。

激光二極管(LD)的工作原理基于受激輻射發(fā)光，通過(guò)電流注入在有源區(qū)產(chǎn)生光子，并在諧振器內(nèi)反射形成激光。? 激光二極管的結(jié)構(gòu)包括P型和N型半導(dǎo)體，中間是一個(gè)未摻雜的本征半導(dǎo)體區(qū)域。當(dāng)正向偏壓施加時(shí)，電子和空穴被注入到有源區(qū)，電子從導(dǎo)電帶跳至價(jià)帶與空穴復(fù)合，釋放出光子。這個(gè)過(guò)程涉及吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射三種機(jī)制。受激發(fā)射是激光二極管產(chǎn)生激光的關(guān)鍵過(guò)程，每個(gè)入射光子能誘導(dǎo)出兩個(gè)同相位、同波長(zhǎng)的光子。?12激光二極管的發(fā)射過(guò)程需要超過(guò)一定的閾值電流，低于閾值電流時(shí)，二極管表現(xiàn)為發(fā)光二極管(LED)，發(fā)出非相干光。當(dāng)電流超過(guò)閾值時(shí)，光子在有源層內(nèi)被放大，并在諧振器內(nèi)反射，形成激光束。這種反射和產(chǎn)生越來(lái)越多的光子的過(guò)程產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的單一波長(zhǎng)的激光束。

激光二極管在電力電子和通信領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如信號(hào)傳輸、光纖通信、光盤(pán)讀寫(xiě)和自動(dòng)化傳感器等。盡管激光二極管對(duì)溫度和光反饋敏感，且成本較高，但其快速響應(yīng)和高量子效率使其在高精度應(yīng)用中顯著優(yōu)于LED。激光二極管中的P-N結(jié)由兩個(gè)摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個(gè)平端結(jié)構(gòu)，平行于一端鏡像(高度反射面)和一個(gè)部分反射。要發(fā)射的光的波長(zhǎng)與連接處的長(zhǎng)度正好相關(guān)。當(dāng)P-N結(jié)由外部電壓源正向偏置時(shí)，電子通過(guò)結(jié)而移動(dòng)，并像普通二極管那樣重新組合。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導(dǎo)致更多的光子被釋放。隨著正向偏置電流的增加，更多的電子進(jìn)入耗盡區(qū)并導(dǎo)致更多的光子被發(fā)射。最終，在耗盡區(qū)內(nèi)隨機(jī)漂移的一些光子垂直照射反射表面，從而沿著它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結(jié)的另一端反射回來(lái)。光子從一端到另一端的這種運(yùn)動(dòng)連續(xù)多次。在光子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于雪崩效應(yīng)，更多的原子會(huì)釋放更多的光子。這種反射和產(chǎn)生越來(lái)越多的光子的過(guò)程產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的激光束。在上面解釋的發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的每個(gè)光子與在能級(jí)，相位關(guān)系和頻率上的其他光子相同。因此，發(fā)射過(guò)程給出單一波長(zhǎng)的激光束。為了產(chǎn)生一束激光，必須使激光二極管的電流超過(guò)一定的閾值電平。低于閾值水平的電流迫使二極管表現(xiàn)為L(zhǎng)ED，發(fā)出非相干光。

何謂注入電流-光輸出 (I-L) 特性?

下圖是注入電流-光輸出 (I-L) 特性。

如果激光二極管通過(guò)放大得到的增益(Gain)高于內(nèi)部損耗和磁鏡損耗，則產(chǎn)生振蕩。即存在振蕩電流閾值。

最大輸出受到扭折(電流-光輸出直線的折彎)、COD(端面光破壞)、溫度引起的熱飽和等的限制。