介紹
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套用受到很大限制，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組中，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—半導體的禁頻寬度。
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。
起源
上世紀60年代發明的一種光源，命名為雷射，LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。
1962年秋首次研製出77K下脈衝受激發射的同質結GaAs雷射二極體。
1964年將其工作溫度提高到室溫。
1969年製造出室溫下脈衝工作的單異質結雷射二極體，
1970年製成室溫下連續工作的Ga1-xAlxAs/GaAs雙異質結(DH)雷射二極體。此後，雷射二極體迅速發展。1975年Ga1-xAlxAs/GaAsDH雷射二極體的壽命提高到105小時以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP長波長DH雷射二極體也取得重大進展，因而推動了光纖通信和其他套用的發展。此外還出現了由Pb1-xSnxTe等Ⅳ-Ⅵ族材料製成的遠紅外波長雷射二極體。
套用
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。
雷射二極體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線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，是目前市場套用的主流產品。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套用受到很大限制，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組中，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、780n
m、810nm、860nm、980nm等。（2）閾值電流Ith：即雷射管開始產生雷射振盪的電流，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套用。
工作原理
晶體二極體為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，並建有自建電場。當
雷射二極體當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。
當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓範圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。
當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極體的擊穿現象。
導電特性
二極體最重要的特性就是單方嚮導電性。在電路中，電流只能從二極體的正極流入，負極流出。下面通過簡單的
雷射二極體1·正向特性
在電子電路中，將二極體的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極體就會導通，這種連線方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極體兩端的正向電壓很小時，二極體仍然不能導通，流過二極體的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，矽管約為0.6V）以後，二極體才能直正導通。導通後二極體兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，矽管約為0.7V），稱為二極體的“正向壓降”。
2·反向特性
在電子電路中，二極體的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極體中幾乎沒有電流流過，此時二極體處於截止狀態，這種連線方式，稱為反向偏置。二極體處於反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極體，稱為漏電流。當二極體兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極體將失去單方嚮導電特性，這種狀態稱為二極體的擊穿。雷射二極體的注入電流必須大於臨界電流密度，才能滿足居量反轉條件而發出雷射。臨界電流密度與接面溫度有關，並且間接影響效益。高溫操作時，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞組件。
特性
當雷射二極體注入電流在臨界電流密度以下時，發光機制主要是自發放射，光譜分散較廣，頻寬大約在100到500
雷射二極體雷射二極體的特色之一，是能直接從電流調製其輸出光的強弱。因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係，所以雷射二極體可以採用模擬或數字電流直接調製輸出光的強弱，省掉昂貴的調製器，使二極體的套用更加經濟實惠。
種類大全
DFB-LD
F-P(法布里-珀羅)腔LD已成為常規產品,向高可靠低價化方向發展。DFB-LD的激射波長主要由器件內部製備的微小
雷射二極體DFB-LD多採用III和Ⅴ族元素組成的三元化合物、四元化合物,在1550nm波段內,最成熟的材料是InGaAsP/InP。新型AIGaInAs/InP材料的研發日趨成熟,國際上僅少數幾家廠商可提供商用產品。最佳化器件結構,有源區為應變超晶格QW。有源區周邊一般為雙溝掩埋或脊型波導結構。有源區附近的光波導區為DFB光柵,採用一些特殊的設計,如:波紋坡度可調分布耦合、復耦合、吸收耦合、增益耦合、複合非連續相移等結構,提高器件性能。生產技術中,金屬有機化學汽相澱積MOCVD和光柵的刻蝕是其關鍵工藝。MOCVD可精確控制外延生長層的組分、摻雜濃度、薄到幾個原子層的厚度,生長效率高,適合大批量製作,反應離子束刻蝕能保證光柵幾何圖形的均勻性,電子束產生相位掩膜刻蝕可一步完成陣列光柵的製作。1550nmDFB-LD開始大量用於622Mb/s、2.5Gb/s光傳輸系統設備,對波長的選擇使DFB-LD在大容量、長距離光纖通信中成為主要光源。
同一晶片上集成多波長DFB-LD與外腔電吸收調製器的單晶片光源也在發展中。研製成功的電吸收調製器集成光源,採用有源層與調製器吸收層共用多QW結構。調製器的作用如同一個高速開關,把LD輸出變換成二進制的0和1。在一塊晶片上形成40種不同的折射光柵,波長1530--1590nm的40路調製器集成光源,信道間隔為200GHz。其開發目標是集成100個發射波長的LD陣列,以進行9.5THz超大容量的通信。
VCESL
雷射二極體VCESL(垂直腔面發射雷射)二極體的特點如下:從其頂部發射出圓柱形射束,射束無需進行不對稱矯正或散光矯正,即可調製成用途廣泛的環形光束,易與光纖耦合;轉換效率非常高,功耗僅為邊緣發射LD的幾分之一;調製速度快,在1GHz以上;閾值很低,噪聲小;重直腔面很小,易於高密度大規模製作和成管前整片檢測、封裝、組裝,成本低。
vcsel採用三明治式結構,其中間只有20nm、1--3層的QW增益區,上、下各層是由多層外延生長薄膜形成的高反射率為100%的布拉格反射層,由此構成諧振腔。相干性極高的雷射束最後從其頂部激射出。目前多家廠商有1550nm低損耗視窗與低色散的可調諧VCSEL樣品展示。1310nm的產品預計在今後1--2年內上市。可調諧的典型器件是將一隻普通980nmVCSEL與微光機電系統的反射腔集成組合,由曲形頂鏡、增益層、反射底鏡等構成可產生中心波長為1550nm的可調諧結構,用一個靜電控制電壓將位於支撐薄膜上的頂端反射鏡定位,改變控制電壓就可調整諧振腔體間隙尺寸,從而達到調整輸出波長的目的。在1528--1560nm範圍連續可調諧43nm,經過2.5Gb/s傳輸500km實驗無誤碼,邊模抑制優於50dB。如果發射波長在1310--1550nm之間的VCSEL能夠商業化生產,將會進一步促進光通信發展,使光網路更加靠近家庭。已有許多公司公布了這種波長的VCSEL原型機的一些技術數據。
DBR-LD
DBR-LD(分布布拉格反射器雷射二極體)最具代表性的是超結構光柵SSG結構。器件中央是有源層,兩邊是折射光柵形成的SSG區,受周期性間隔調製,其反射光譜變成梳狀峰,梳狀光譜重合的波長以大的不連續變化,可實現寬範圍的波長調諧。採用DBR-LD構成波長轉換器,與調製器單片集成,其晶片左側為雙穩態雷射器部分,有兩個激活區和一個用作飽和吸收的隔離區;右側是波長控制區,由移相區和DBR構成。
1550nm多冗餘功能可調諧DBR-LD可獲得16個頻率間隔為100GHz或32頻率間隔為50GHz的波長,隨著大約以10nm間隔跳模,可獲得約100nm的波長調諧。除保留已有的處理和封裝工藝外,還增加了納秒級的波長開關,擴大調諧範圍。
FG-LD
FG-LD(光纖光柵雷射二極體)利用已成熟的封裝技術,將含有FG的光纖與端面鍍有增透膜的F-P腔LD耦合而成可調諧外腔結構的雷射器,由LD晶片、空氣間隙、光纖前端的光纖部分組成,光學諧振腔在光柵和LD外端面之間。LD的內端面鍍有增透膜,以減小其F-P模式,FG用來反饋選模,由於其極窄的濾波特性,LD工作波長將控制在光柵的布拉格發射峰頻寬內,通過加壓應變或改變溫度的方法,調諧FG的布拉格波長,就可以得到波長可控制的雷射輸出。FG-LD製作組裝相對簡單,性能卻可與DFB-LD相比擬,激射波長由FG的布拉格波長決定,因此可以精控,單模輸出功率可達10mW以上,小於2.5kHz的線寬,較低的相對強度噪聲與較寬的調諧範圍(50nm),在光通信的某些領域有可能替代DFB-LD。已進行用於2.5Gb/sx64路的信號傳輸的實驗,效果很好。
GCSR-LD
雷射二極體GCSR-LD(光柵耦合採樣反射雷射二極體)是一種波長可大範圍調諧的LD,其結構從左往右分別為增益、耦合器、相位、反射器區域,改變其增益、耦合、相位和反射器各個部分的注入電流,就可改變其發射波長。此LD波長可調範圍約80nm,可提供322個國際電信聯盟ITU-T建議的波長表內的波長,已進行壽命試驗。
MOEMS-LD
MOEMS-LD(微光機電系統雷射二極體)用靜電方式控制可移動表面設定或調整光學系統中物理尺寸,進行光波的水平方向調諧。採用自由空間微光學平台技術,控制腔鏡位置實現F-P腔腔長的變化,帶來60nm的可調諧範圍。這種結構既可作可調諧光器件,也可用於半導體雷射器集成,構成可調諧雷射器。
其它類型LD
光模組雷射二極體內置MQWF-P腔LD或DFB-LD、控制電路、驅動電路,輸出光信號。其體積小,可靠性高,使用方便,在城域網、同步傳輸系統、同步光纖網路中都大量採用2.5Gb/s光發射模組,10Gb/s、40Gb/s處於初期試用階段,向高速化、低成本、微型化發展。利用高分子材料Polymer折射率隨溫度變化特性,加熱器改變高分子材料光柵溫度,引發其折射率和光柵節距變化,使其反射波長改變。已研製出Polymer-AWG波長可調的集成模組,有16個波長通道,波長間隔200GHz,插損8--9dB,串擾-25dB。用一個高速調製器對每個波長進行時間調製的多波長LD正處於研製階段。這是一種全新的多波長和波長可程式光源。
檢測方法
（1）阻值測量法：拆下雷射二極體，用萬用表R×1k或R×10k檔測量其正、反向電阻值。正常時，正向電阻值為20~40kΩ之間，反向電阻值為∞（無窮大）。若測得正向電阻值已超過50kΩ，則說明雷射二極體的性能已下降。若測得的正向電阻值大於90kΩ，則說明該二極體已嚴重老化，不能再使用了。
（2）電流測量法：用萬用表測量雷射二極體驅動電路中負載電阻兩端的電壓降，再根據歐姆定律估算出流過該管的電流值，當電流超過100mA時，若調節雷射功率電位器，而電流無明顯的變化，則可判斷雷射二極體嚴重老化。若電流劇增而失控，則說明雷射二極體的光學諧振腔已損壞。
注意事項
1.雷射二極體發射的雷射有可能對人眼造成傷害。二極體工作時，嚴禁直接注視其端面，不能透過鏡片直視雷射，也不能透過反視鏡觀察雷射。
2.器件需要合適的驅動電源，瞬時反向電流不能超過2uA，反向電壓不得超過3V,否則會損壞器件。驅動電源子在電源通斷時，要防止浪涌電流的措施。用示波器測試驅動電路時，要先斷開電源再連線示波器探頭，若在通電情況下測試探頭，可能引用浪涌電流損壞器件。
3.器件應存放或工作於乾淨的環境中。
4.在較高溫度下工作，會增大閥值電流，較低轉化頻率，加速器件的老化。在調整光輸入量時，要用光功率表檢測，防止超過大額定輸出。
5.輸出功率高於指定參數工作，會加速元件老化。
6.機器需要充分散熱或在製冷條件下使用，雷射二極體的溫度嚴格控制在20度以下，保證壽命。
7.二極體屬於靜電敏感器件，在人體有良好的情況下才可以拿取，防靜電可以採用防靜電手鐲的方法。
8.雷射器的輸出波長受工作電流與散熱的影響，要保持良好的散熱條件，降低工作時管芯的溫度。加散熱器防止雷射二極體在工作中溫升過高。
影響雷射二極體壽命的因素
商品LD室溫壽命，定義為“室溫條件下，LD失效平均時間”，CW運轉LD可達3一4x10000h，脈衝運轉LD可達1000000000脈衝，都已達到了實用化水平。如SDL(Spectra,DiodeLaboratones)壽命試驗表明，準cw運轉0.4平方厘米LD陣列，若脈寬150ms，重複率100Hz，輻射功率為30OW，器件室溫壽命超過1000000000脈衝。輸出50OmW的100mm寬條CW器件，壽命達到4x10000h。本文主要講關於雷射二極體壽命和優缺點的內容：*影響LD使用壽命的因素很多，主要原因有:
(1）LD波導反射鏡或表面退化，導致效率下降或吸收N耗增力。
(2)LD接觸阻抗增大，引起電阻耗和熱損耗增大。
(3))晶格內部存在缺陷，而引起內部損傷，或雷射作用區位錯，引起光吸收。
LD雷射二極體逐漸老化、損壞，主要表現為效率明顯下降，為保持定功率輸出，必須以增大注人電流來達到。尤其要防止不可逆突然損壞，在>30℃高溫工作時，若突然發生損壞，往往是接觸電阻增大而引起。LD局部熔化抓傷的原因，或是驅動電流尖峰超過額定電流極限值，或是雷射光強超過輻射表面光損傷闌值，或是後向反射引起局部強度超過額定值。適當控制和調節LD工作電流，或對噪聲和瞬態變化進行濾波處理，可改善電流尖峰的影響。在調整光學藕合時，特別要注意後向反饋藕合，反饋引起LD腔內光場強度過大，導致突然損壞。半導體鄰近界面的非泵浦區，吸收嚴重也會導致表面局部熔化，而終止激射作用。
在高功率工作時，必須對LD採取一定的冷卻措施，以避免光損傷和延長器件的壽命。按輸入功率不同，可分別採用加大(加厚)散熱片、循環水冷卻、半導體強制製冷等等。
怎樣延長雷射二極體的壽命
所謂的延長雷射二極體的使用壽命，就是在使用的時候應該多加注意，而其中的一項就是二極體對靜電的敏感度決定著ESD防護的重要性，當然按照它的種類不同，受靜電破壞的程度也是不一樣的，最低達到100V的靜電壓也會造成對它的工作造成破壞。也就是說，倘若我們日常生活中所帶的靜電電位與雷射二極體接觸，那么幾乎所有的二極體都將被破壞，這種危險存在於任何沒有採取靜電防護的環境中。
一，影響靜電產生的主要因素
1.接觸面積及其壓力;2.體的表面狀態;
3.分離速度;
4.物體的特性物;
5.物體的帶電歷史;
二，防止靜電的原則
①使相互接觸的物體在帶電序列中所處的位置儘量接近。②對產生靜電的主要因素儘量予以排除。
③使物體間的接觸面積和壓力要小，溫度要低，接觸次數要少，分離速度要小，接觸狀態不要急劇變化。靜電防護靜電對雷射二極體的破壞不僅體現在電子元器件的製作工序當中，而且在其的組裝、運愉等過程中都會對二極體產生破壞。
三，採取以下各種靜電防擴措施:
1.雷射極管運愉、包裝過程中應保持同電位。2.人體靜電防護。操作人員穿戴防靜電工作服、手套、工鞋、工帽、手腕帶。
3.對幾乎不能泄漏靜電的絕緣體，採用抗靜電劑以增大電淤率，使靜電易於泄漏。地面鋪設防靜電地板或導電橡膠地墊。
4.採用噴霧、灑水等方法，使環境相對濕度提高到60-70%，以抑制靜電的產生，解決紡織廠等生產中靜電的問題。
5.儲存運愉過程中靜電防護。靜電敏感器件的儲存和運輸不能在有電荷的狀態下進行。要實現上述功能，基本做法是設法減小帶電物的電壓，達到設計要求的安全值以內。當然電阻值也不是越低越好，特別是在大面積場所的防靜電區域內必須考慮漏電等安全措施之後再進行材料的選取。
6.操作現場靜電防護。對靜電敏感器件應在防靜電的工作區域內操作;將1兆歐的電阻連通後再接地，並佩戴防靜電手腕帶操作，將測試儀、工具、烙鐵等接地，工作檯面鋪設防靜電台墊後接地。
而近些年來隨著雷射器器件的高速發展，為了延長雷射器的使用壽命，相應的也在要求相應的降低靜電電壓，通過這些研究，也表明要避免靜電對雷射二極體的破壞，需要提前做好防護。比如說操作現場的靜電防護，還有人體靜電防護，因為空氣乾燥時人體比較容易出現靜電的現象，還有就是儲存運輸過程中的靜電防護，所以說要設法減小帶電物的電壓，然後就是要特別注意二極體運輸過程中和包裝過程中應該保持同點位，降低靜電現象。
物理學知識1
| 光學(optics)是研究光（電磁波）的行為和性質，以及光和物質相互作用的物理學科。傳統的光學只研究可見光，現代光學已擴展到對全波段電磁波的研究。力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有多種層次，從宇觀的宇宙體系，巨觀的天體和常規物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子. |
