激光二极管原理及应用
激光二极管参数与原理及应用
2011-06-19 17:10:29 来源:互联网
一、激光的产生机理
在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程，
一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射；
二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射；
三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。
自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。
产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件:
P1P2exp(2G - 2A) ≥1
（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp 为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则
Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，
上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。
二、激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。
半导体激光二极管的基本结构如图所示，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 (1)
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—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。
随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。
常用的激光二极管有两种:①PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声。②雪崩光电二极管。它能够提供内部放大,比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。为了获得良好的信噪比，光检测器件后面须连接低噪声预放大器和主放大器。
半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。
激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。
半导体激光二极管的常用参数有：
（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。
激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用。
分享到：编辑：神话
本文引用地址：https://www.360docs.net/doc/338959517.html,/mndz/2011/0619/article_10318.html
脉冲驱动激光二极管
脉冲驱动激光二极管
脉冲驱动激光二极管 by Doug Hodgson, Kent Noonan, Bill Olsen, and Thad Orosz 介绍 相对较高的峰值功率和工作效率使得脉冲激光二极管成为固态激光器泵浦和范围测定这类应用的理想选择。脉冲激光二极管工作时通常占空比相对较低，因此平均功率较低，这样就可能达到更高的峰值功率。所以产生的热量并不很高。另一方面，连续波激光二极管要承受的热量比脉冲激光器高。这是由于在连续波工作期间，器件的热电阻使得结温度显著增加。所以连续波激光二极管一般需要很好的热沉封装和/或用热电致冷。 脉冲驱动激光二极管是测试其质量和热效率的一个强大的分析工具。本文描述了通过用电流脉冲驱动激光二极管来进行测试的方法，提出了脉冲驱动激光二极管的几点困难，并给出了克服或避免的方法。文中介绍了一个简单的实验，用ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流源来驱动一个典型的激光二极管。这里主要表现的是脉冲驱动二极管出现的问题。最后描述了LDP-3811的典型应用。 为什么要脉冲驱动一个连续波激光二极管？ 在低占空比情况下脉冲驱动连续波激光二极管的能力在二极管评测中很有用。其应用可划分为两个广泛领域。第一个是封装前通过/失败测试；第二个是器件特性评价。这两种应用都利用了脉冲方式驱动激光二极管不会产生大量热量的优点。可在热效应最小的情况下完成测试和特性评价。 封装前测试 对于这种应用，低占空比的脉冲可用于半 导体制造工艺后的晶圆或条级测试。单点 光测量或L/I曲线(光输出vs.驱动电流)能用来“预筛选”工艺处理后的晶圆。它能将有缺陷的晶圆在花费不匪的切割和 封装操作之前就清除掉，建立制造工艺的成品率数目和性能。(注意对于这些测试相对测量比绝对精度更重要。) 特性测试 脉冲测试的第二个应用领域是对封装好的器件的特性测试。很多关于激光二极管特性的工业文档既推荐连续波测试也推荐脉冲波测试。(贝尔交流研究出版的题为“光电器件可靠性保证实践”的技术咨询文档TA-TSY-000983就是这样。)通过比较脉冲和连续波工作方式，可以评测像输出功率、波长和阈值电流这样一些与温度相关的参数。图1所示的是一个典型激光二极管的L/I曲线。 这些曲线既表示了低占空比脉冲模式，又表示了连续波工作模式。连续波曲线阈值电流的增加和斜率效率的略微减少(与脉冲曲线比较)主要是由器件热电阻引起的结温度上升造成。(脉冲L/I曲线所用的脉宽一般为100至500ns，占空比小于百分之一，因此热效应不明显。) 脉冲与连续波L/I曲线的比较也可用来检图1 典型激光二极管的脉冲及连续波L/I曲线
激光二极管的特性
激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I 曲线。 注入电流小于阈值电流I th时，激光器的输 出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输 出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入 电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性
激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作
下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化发射光谱随注入电流而变化。I
Maxim 激光驱动器和激光二极管的接口(1)
Maxim 激光驱动器和激光二极管的接口 Maxim 高频/光纤通信部 一概述 用激光驱动器驱动高速商用激光二极管是设计人员所面临的一项挑战本文旨在就这一主题为光学系统设计者提供参考以尽可能地简化设计过程激光管接口电路的设计难点在于 激光驱动器的输出电 路 激光二极管的电气特性和 二者之间的接口 (通常采用印刷电路板实现 ) 以下首先讨论激光二极管和激光驱动器的电气特性然后再结合二者讨论印刷电路板的接口以Maxim 的 2.5 Gbps 通信激光驱动器 MAX3867 和 MAX3869 为例来说明典型的应用 二激光二极管特性 流过激光管的电流超过它的门限值时半导体激光二极管产生并保持连续的光输出对于快速开关操作激光二极管的偏置需略高于门限以避免开关延迟激光输出的强弱取决于驱动电流的幅度电流-光转换效率或激光二极管的斜率效率门限电流和斜率效率取决于激光器结构制造工艺材料和工作温 度 图1给出了典型激光二极管的电压-电流特性和光输出与驱动电流的关系当温度升高时门限电流将以指数方式增加可近似用下式表示 I T T I th e K I T I ?+=0)( (1) 式中 I 0, K I 和 T I 是激光器常数例如对DBF 激光器 I 0 = 1.8mA, K I = 3.85mA, T I = 40°C 激光器的斜率效率(S) 是输出光功率 (mW) 与输入电流mA)的比值温度升高将导致斜率效率降低下式较好地表示了斜率效率与温度的函数关系 S T T S e K S T S ??=0)( (2) 对上述同样的DFB 激光器特征温度T S 近似等于40°C 其它两个参数 S 0 = 0.485mW/mA K S = 0.033mW/mA 激光管工作电压正向电压V 和电流I 的关系可由二极管的电压和电流特性模型来表示 T V V S e I I ??≈η, (3) 其中 I S 是二极管饱和电流 V T 是热电压η是结构常数当激光二极管被驱动至门限上下时电压和电流的关系近似为线性如图1所示 图2是激光二极管的简化模型图中直流偏置电压V BG 是激光二极管的带隙电压 R L 是二极管的动态电阻当驱动激光管至门限以上时激光管的输出光功率P 0 (图2)可由下式来表示 )(0th I I S P ??= (4) 图2. 简化的激光二极管等效电路 激光管电流
激光二极管原理及应用
激光二极管参数与原理及应用 2011-06-19 17:10:29 来源:互联网 一、激光的产生机理 在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程， 一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射； 二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射； 三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。 自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。 产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件: P1P2exp(2G - 2A) ≥1 （P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp 为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则 Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ， 上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。 二、激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。 半导体激光二极管的基本结构如图所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里—
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ，h=6.628×10?34J ·s ，leV=1.60×10?19J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段，InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th 表示。当激励电流II th 时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I 曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。 阈值电流主要与下列影响因素有关： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。 b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。 d) 温度越高，阈值电流越大。 2）外微分量子效率 ) (th d th I I e hf P P -+=ηλ c =f
半导体激光器驱动电路设计(精)
第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通,
半导体激光器pi特性测试实验
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
激光二极管的特性
激光二极管的特性 激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I曲线。 注入电流小于阈值电流Ith时，激光器的输出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性 激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输
出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作 下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化 发射光谱随注入电流而变化。IIt 发射激光，光谱突然变窄。因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。 IIt 激光辐射 4、温度特性 半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为： T/T0) Ith(T)?Aexp(式中T0是衡量阈值电流Ith对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，T0值越大，表示Ith对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。A是常数。 因Ith随温度升高而增大，因此P—I特性曲线也随温度变化。随着温度升高，在注入电流不变的情况下，输出光功率会变小。这就是为什么LD工作一段时间后输出功率会下降。 阈值—温度特性与其结构有关，一般说，异质结构比同质结的温度特性好。 温度变化还将引起激光器输出光谱的改变，出现跳模（mode hop）现象。原因：温度改变，使腔的参数（折射率， 腔长）发生较大变化，引起激发模式发生变化。在模式跳跃之前，因折射率和腔长随温度升高而有少量增加，致使波长随温度升高而缓慢增大（下图a）。如要避免跳模，必须增大模式间隔（下图b）。 对于多模增益导引半导体激光器，波长随温度的变化是由于带隙随温度变化而产生的，温度变化主要影响光增益曲线而不是腔的参数，因此变化曲线是连续的(下图c)。 半导体激光器必须加制冷器，进行温度控制。
激光驱动器与激光二极管接口优化调试
激光驱动器与激光二极管接口优化调试 Maxim高频/光纤通信部 一、概述: 在激光驱动器与激光二极管的接口电路设计中,即使是对电路做了仔细、周密的考虑,也很难达到最优状态,系统调试过程中仍需对各部分电路加以调整、优化,图1是采用Maxim的2.5Gbps激光驱动器MAX3869构成的激光驱动器典型连接电路。本文以该电路为例,以激光二极管的输出通过光电(O/E)转换后显示在示波器上的波形为基础,列举了一些通用接口问题和可能的解决办法。 二、优化设计 以下列举了八个常见激光管接口问题,激光管的输入是伪随机比特流(PRBS)。 A. 眼图不清晰(图2): 图2中,在显示的眼图最下面有黑色水平线。当减少偏置电流时,波形会被压缩,波形上端下移,底端固定不变。导致这一问题的原因可能是偏置电流设置得太低,数字零电平低于激光管的门限。可以提高激光管的偏置电流,直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电平已高于激光管门限),当偏置电流增加时,眼图会变得清晰可辨。 B. 欠阻尼振荡(图3): 在波形图上有较大的过冲,示波器显示的眼图最下方有黑色水平线。减小偏置电流使数字1电平下移,但过冲幅度保持不变,甚至增大。偏置电流减小时波形底端(数字0电平)保持不变。 造成这一现象的可能原因是偏置电流设得太低。数字0电平低于激光管的门限。当激光管从低于门限电平向高电平切换时需要额外的时间,从而导致了上升边沿的延迟。开关延迟使电势积累增加,一旦克服了门限就冲过数字1电平(被称作欠阻尼振荡)。可通过提高激光管的偏置电流解决,提高激光管的偏置电流直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电流已高于激光管门限)。当数字0电平高于门限值后,过冲将显著减少。 C. 过冲(图4)： 图4所示,波形的上升沿冲过了数字1电平。当偏置电流和调制电流变化时过冲的相对幅度没有变化。没有明显的振铃。可能原因有两个:(a)上升太快,(b)用于上拉的铁氧体磁珠Q 值太高。解决的方法是:(a)插入截止频率为75%数据率的低通滤波器,减慢上升和下降沿,减小过冲。(b)降低与铁氧体磁珠并联的电阻(图1中的RP)阻值,使Q值降低。(c)调整串联阻尼电阻(图1中的RD)。 D. 欠冲(图5): 当输出电路过阻尼会造成欠冲现象,示波器显示波形的上升或下降沿在单个间隔的前半部分不能到达高或低电平。这是由置于OUT+ 和OUT-间的0.5pF 电容(用来阻尼某些振铃)引起的。 解决途径有:(a)如果可能,减小OUT+和OUT-间的电容。(b) 减小OUT+的负载电容。(c)减小串联阻尼电阻(图1中的RD)的值。 E. 振铃(图6): 振铃指的是眼图的上升或下降沿相对于正确电平出现振荡、振幅逐渐衰减的现象。可能原因是: 阻抗不匹配,电路中电感过大,电路元件产生谐振。在图6显示的图像中,振铃是由拿
激光二极管驱动基础
Application Note AN-LD13 Rev. A Laser Diode Driver Basics April, 2013 Page 1 In the most ideal form, it is a constant current source — linear, noiseless, and accurate — that delivers exactly the current to the laser diode that it needs to operate for a particular application. The user chooses whether to keep laser diode or photodiode current constant and at what level. Then the control system drives current to the laser diode safely and at the appropriate level. The block diagram in Figure 1 shows a very basic laser diode driver (or sometimes known as a laser diode power supply). Each symbol is de? ned in Table 1. Laser diode drivers vary widely in feature set and performance. This block diagram is a representative sample, meant to familiarize the users with terminology and basic elements, not an exhaustive evaluation of what is available on the market. GND Figure 1. Block Diagram, Laser Diode Driver in Dashed Box
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf = Eg f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ， h=6.628×10?34 J ·s ，leV=1.60×10?19 J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 λ c =f ) ( )(24.1m eV Eg μλ=
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85 μm 波段， InGaAsP-InP 材料适用于 1.3~1.55 μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值 功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量 子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节 的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线 ) (th d th I I e hf P P -+=η
半导体激光器的应用与分类
半导体激光器的应用与分类 半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。 半导体激光器的分类有多种方法。按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。 LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。 半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。hymsm%ddz 半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。 半导体激光器的光场是发散的而且是不对称的。在垂直PN结平面方向（快轴方向），发散角较大，通常在20°～45°之间；在平行PN结平面方向（慢轴方向），发散角较小，通常在6°～12°之间。由此可以看出，半导体二极管激光器的光场在空间分布呈椭圆形。
小功率半导体激光二极管的稳定控制及其在原子实验中的应用_百度(精)
10 ?激光器件与元件? 《激光杂志》2003年第24卷第5期LASER JOURNA L (V ol. 24. N o. 5. 2003 小功率半导体激光二极管的稳定控制及其在原子实验中的应用 孙番典杨世琪刘琼发 (华南师范大学物理系, 广州510631 提要:介绍一种高稳定的半导体激光二极管恒温、稳流控制方式。使用该方式电路, 10-5, 温度波动优于10-4。并介绍高稳定半导体二极管激光在原子超精细跃迁线形吸收谱和塞曼相干共振谱观测中的应用。 关键词:半导体激光二极管, 恒温稳流, 线性吸收谱线, 塞曼相干共振谱线 A stabilite control method for low pow er semiconductor laser it ’s experiments Sun Fandian Yang Shiqi (S outh China N ormal ,G Abstract :Introduceda set of high stable control circuits for case of iconductor laser diode. Using the circuits ,the fluctu 2ation of injection current is 10-5and the fluctuation of perature better 10the room tem perature. An application of the diode laser in atom ic experiments als o be introduced.
K ey w ords :sem,tem ,linear abs orb spectrum line ,Z eeman coherent res onance spectrum line 1引言 Ξ 值, 可置半导体激光二极管工作于不同的注入电流值。将可调基准电压与流经半导体激光二极管的注入电流回路的取样放大信号电压一起输入比例放大器, 由比例放大器的输出 控制场效应调整管的门电极(栅极。这个门调整流过激光管及取样电阻上的注入电流, 由此达到恒定激光管注入电流的目的。电路的电源滤波稳压与软启动保护电路部分主要为:在电源变压器初级加设通用噪声滤波器NF 对超快速的脉冲干扰起吸收作用避免浪涌冲击。在变压器的初、次级分别加设压敏电阻, 使当出现高于限定的峰值浪涌时呈短路状态使浪涌被吸收。由达林顿管TIP142与电阻、电容组成电压缓升电路, 使电源开启时到激光管上的电压为一缓升过程。而两个π滤波电路及大电容, 使当电源关闭时, 激光管上的注入电流维持较长时间才降为零, 起电流缓降的作用。本电路可使注入电流在0-150mA 范围内连续可调(小功率激光二极管的注入电流一般为50mA 左右 , 注入电流的波动为μ1A 。 半导体激光二极管工作时, 其自身发热和环境温度的变化会促使管温变化而影响半导体激光输出波长和功率的稳定。以常用的小功率近红外半导体激光二极管为例。其工 〔6〕作温度引起工作频率的变化约10～30G H z Π℃。因此, 需从 (LD 在原子分子波谱学, 高分辨光谱学, 量子计量学, 光纤通信, 激光致冷实验, 量子频率标准等一系列基础研究和高科技产品开发方面已经得到了 125〕 广泛的应用〔。在半导体激光二极管的应用中, 通常遇到
一文看懂半导体激光器的技术发展及应用领域
一文看懂半导体激光器的技术发展及应用领域 半导体激光器俗称激光二极管，因为其用半导体材料作为工作物质的特性所以被称为半导体激光器。半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成，在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。下面就随工业控制小编一起来了解一下相关内容吧。 一、半导体激光器简介 半导体激光器俗称激光二极管，因为其用半导体材料作为工作物质的特性所以被称为半导体激光器。半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成，在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。半导体激光器的常用工作物质主要有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。根据不同的工作物质主要有三种激励方式：电注入，pump式和高能电子束激励。 (1)电注入是半导体激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物质作为主要材料，制成半导体面结型二极管，在受到电注入时，沿着正向偏压注入的电流，对工作物质进行激励，从而在节平面区域产生受激发射。 (2)Punp式激光器，一般由晶体中掺入受主杂的的以空穴为载流子的锗单晶(P型半导体单晶)或以电子为载流子的锗单晶(N型半导体单晶)作为工作物质，并通过其他激光器发出的激光作pump激励，从而实现种群反演。 (3)高能电子束激励式半导体激光器，一般在工作物质的选择上与pump式激光器相似，也是选用半导体锗单晶，但值得注意的问题是，在P型半导体单晶的选择上高能电子束激励式半导体激光器主要以PbS。CbS和ZnO为主。 半导体激光器种类较多，根据其芯片参数、封装方式的不同，有多种分类方式。其中，光纤输出的半导体激光器分类方式主要有以下几种： 图表1半导体激光器分类 二、半导体激光器技术发展情况
半导体激光器工作原理及主要参数
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
激光二极管的单端和差分驱动比较
应用笔记:
HFAN-2.5.0
Rev 0; 05/04
激光二极管的单端和差分驱动比较
MAXIM 高频/光纤通信部
Maxim Integrated Products
AN3239C.pdf 05/25/2004
激光二极管的单端和差分驱动比较
1 引言
为了优化光发送器设计，应该选择合适的接口电 路连接驱动器和激光二极管。一般而言，激光二 极管单端驱动比较简单，需要较少的元件和电路 板面积。缺点是边沿速度较慢，收发器电源上具 有较大噪声，这些缺点最终会影响接收灵敏度。 实际应用表明，采用差分驱动的光发送器能够克 服单端驱动的不足。本应用笔记阐述了差分驱动 比单端驱动能够提供更快边沿速率的原因。
Laser Driver CP2
OUTCP1 OUT+ RD VCC
BIAS RF CF
2 单端驱动和差分驱动的电路配置
对于单端驱动，激光调制电流加在激光器阳极 (共阴极激光器)或激光器阴极(共阳极激光器)。 图 1 是驱动共阳极激光器的简单原理图，调制电 流通过阻尼电阻(RD)加在激光器阴极。激光器阳 极直接连接至电源，驱动器偏置输出经过铁氧体 磁珠隔离后为激光器提供偏置。对于平衡的直流 和交流负载，通过铁氧体磁珠和电阻构成的并联 网络将驱动电路互补输出上拉至VCC ，该电阻匹 配于激光器负载和阻尼电阻的等效阻抗。RC并 联网络(RF 和CF)提供高频衰减。驱动器输出电容 CP (CP1 和CP2)表示输出晶体管等效电容、封装和 电路板寄生电容的等效值。
图 1. 驱动激光二极管的单端方式
VCC
Laser Driver CP2
OUTCP1 OUT+ RD
BIAS
图 2. 驱动激光二极管的差分方式
图 2 所示是差分驱动的例子。激光器阴极通过一 个阻尼电阻(RD)交流耦合至驱动电路输出。驱动 器输出通过铁氧体磁珠上拉至VCC ，为输出晶体 管提供直流偏置。驱动电路互补输出和激光二极 管阳极公共端通过一个铁氧体磁珠连接至VCC ， 铁氧体磁珠提供VCC 的高频隔离。激光器偏置方 式与单端驱动相似。采用相同的激光二极管和驱 动电流，与单端驱动相比，差分驱动的 2.5Gbps 光发送器在边沿速率上加快了 20ps [1]。
应用笔记 HFAN-02.5.0 (Rev. 0, 05/04)
Maxim Integrated Products Page 2 of 5
半导体激光器的发展及其应用
浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 Pn 结或 Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给 Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射 ,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁 ,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙 ,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进 ,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在 21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件 : 1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带 ,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间 ,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时 ,便产生受激发射作用。 2、要实际获得相干受激辐射 ,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而