半导体激光二极管

半导体激光二极管是一种用来构建光通信系统的与光纤配套使用的激光器，它能直接作为光通信用光源，也可以作为激光器、放大器的泵浦源，在激光工程研究领域有着十分重要的地位。它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但输出功率、单色性和方向性不如其他激光器。

为了使紫外线辐射源更为实用化，半导体紫外二极管发展的一个方向是大幅缩小现有紫外激光器及其电源的体积和功耗，另一个方向是开发发射波长为280nm、功耗小于10mW的发光二极管以及发射波长为340nm、功耗小于25mW的激光二极管。

半导体激光二极管以其体积小,重量轻,价格低,寿命长,耗电少及频率可快速调谐等优点,已经在国民经济和一系列高科技领域获得了广泛应用。然而,此种激光器的工作波长与其工作温度、注入电流之间有着强烈的依赖关系,例如,对近红外线半导体激光二极管,工作温度引起的变化约为013nm/K,注入电流引起的变化约为0103nm/mA。同时,工作温度和注入电流的变化还会导致半导体激光二极管输出功率的不稳定。

对于某些高科技领域应用,例如近些年发展起来的相干光纤通讯,对作为发送光源和外差检测的本振光源所用的半导体激光器的频率稳定性有很高的要求,同时,还要求其输出频率可调。又如,在极受重视的激光探潜和大量的激光光谱和原子分子物理研究中,都要求半导体激光器的频率非常稳定。因此,对半导体激光二极管的注入电流和工作温度的精密控制,并在此基础上对激光器的输出频率进行锁定稳频的技术研究就成为非常必要的。

为了了解激光型光电开关的工作原理，首先对半导体激光二极管的工作原理及其特点作一简单的介绍。

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。

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：

λ = hc/Eg 

式中：h-普朗克常数；c-光速； Eg-半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子一空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光--激光，这就是激光二极管的简单原理。

 （1）阻值测量法：拆下激光二极管，用万用表R×1k或R×10k档测量其正、反向电阻值。正常时，正向电阻值为20~40kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正向电阻值已超过50kΩ，则说明激光二极管的性能已下降。若测得的正向电阻值大于90kΩ，则说明该二极管已严重老化，不能再使用了。

（2）电流测量法：用万用表测量激光二极管驱动电路中负载电阻两端的电压降，再根据欧姆定律估算出流过该管的电流值，当电流超过100mA时，若调节激光功率电位器，而电流无明显的变化，则可判断激光二极管严重老化。若电流剧增而失控，则说明激光二极管的光学谐振腔已损坏。

（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）阈值电流Ith：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

（3）工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15～40左右。

（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6～10左右。

（6）监控电流Im：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。