激光二极管原理及应用
激光 vcsel 参数
激光 vcsel 参数激光垂直腔面发射激光二极管（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）是一种广泛应用于光通信、光传感和激光雷达等领域的光电子器件。
本文将从VCSEL的基本原理、参数以及其在光通信领域的应用等方面进行详细介绍。
一、VCSEL的基本原理VCSEL是一种半导体激光二极管，与传统的激光二极管（LD）不同，VCSEL的光输出是通过芯片的表面而非侧面发射的。
VCSEL的基本结构由多个半导体材料层叠而成，其中包括n型和p型材料层，通过电流注入和正向偏压，激发电子与空穴复合产生光子，并通过DBR（Distributed Bragg Reflector）反射镜层产生光放大效应，最终实现高效的光输出。
二、VCSEL的参数1. 波长：VCSEL的波长通常在800nm到1.6μm之间，不同波长的VCSEL适用于不同的应用场景。
例如，850nm波长的VCSEL广泛应用于短距离光通信和数据中心连接，而1310nm和1550nm波长的VCSEL则适用于长距离通信和光纤传感等领域。
2. 输出功率：VCSEL的输出功率通常在几mW到几十mW之间，不同的应用场景对输出功率有不同的需求。
在光通信领域，高功率的VCSEL可以实现远距离传输和高速通信。
3. 调制带宽：VCSEL的调制带宽决定了其在高速通信中的传输性能。
通常，VCSEL的调制带宽可以达到几十GHz，可以满足高速数据传输的需求。
4. 效率：VCSEL的效率是指其输出光功率与输入电功率之比，通常在20%到50%之间。
高效率的VCSEL可以减少能源消耗，提高光通信系统的整体性能。
三、VCSEL在光通信领域的应用1. 数据中心互连：由于其低成本、高速率和低功耗的优势，VCSEL 被广泛应用于数据中心的光互连领域。
通过多通道VCSEL阵列，可以实现高密度的光通信连接，满足数据中心对大带宽、低延迟的需求。
2. 光纤通信：VCSEL在光纤通信领域的应用也逐渐增多。
二极管的应用原理
二极管的应用原理介绍二极管是一种基本的电子元件，具有非常重要的应用原理。
本文将详细介绍二极管的应用原理及其在电子领域中的各种应用。
基本原理二极管是由半导体材料构成的，其最基本的原理是PN结的形成。
PN结的形成是通过在半导体材料中掺入不同类型的杂质实现的。
当N型半导体与P型半导体连接在一起时，形成了PN结，其中P型半导体的电子和N型半导体的空穴相互融合。
这种结构使得二极管具备了一些特殊的电学特性。
二极管的应用1. 整流器二极管最常见的应用之一是作为整流器。
整流器可以将交流电转换为直流电。
当交流输入电压施加到二极管上时，它只允许电流在一个方向上通过，从而只输出一个方向上的直流电流。
这种特性使得二极管在电源和电子设备中广泛应用。
2. 检波器二极管还可以用作检波器，用于从调制的信号中解调出原始信号。
通过将调制信号施加到二极管上，它只允许其中一个方向上的电流通过。
这样，在输出端就可以得到解调后的原始信号。
3. 放大器虽然二极管本身无法实现放大功能，但结合其他电子元件，如电容器和电阻器，可以将其应用为信号放大器的一部分。
二极管可以用于调整信号的幅度，从而实现信号的放大。
4. 发光二极管（LED）发光二极管（LED）是一种特殊类型的二极管，具有发光功能。
LED的应用非常广泛，从指示灯到大屏幕显示都有所涉及。
LED的优点包括低功耗、长寿命和节能等。
5. 激光二极管激光二极管是一种特殊类型的二极管，具有激光发射功能。
激光二极管广泛应用于光通信、医疗设备、材料加工等领域。
它的应用形式多样，从小型手持设备到高功率激光器都有所涉及。
6. 温度传感器二极管的温度特性可以用于温度传感器的设计。
由于二极管的导电特性与温度密切相关，因此可以通过测量其电压降来确定环境的温度。
这种应用在各种电子设备中都得到了广泛应用。
总结二极管是一种非常重要的电子元件，具有许多应用原理。
它可以作为整流器、检波器、放大器、LED、激光器和温度传感器等在广泛的电子应用中发挥作用。
光通信激光二极管驱动电路
2.
3. 4. 5.
通过改变外接电阻R2，就可以设置Io （调制电流或偏置电流） 在驱动电路中有多处会用到镜像电流源， 不光用于电流设置，引出电流监控也要 用到镜像电流的方法
Q2
Q1
R2
R1
LD的温度特性
LD是半导体器件，它的特性与 二极管类似 温度升高 阈值电流Ith增大 斜效率S降低 为了保持输出平均光功率和消 光比不变，在温度上升时要增 大IBIAS和IMOD
解决方案
根据LD的温度特性精心设计热敏电阻补偿电路—常用 MAXIM公司的某些芯片采用K因子补偿法 某些芯片内部对调制电流做温度补偿—自动调制电流控制（AMC） ANALOG公司某些芯片采用双环电路补偿调制电流以保持消光比不变 某些芯片设置查找表，配合其中的数字电位器，在温度变化后重新设 置偏置电流和调制电流，可以精确保持光功率和消光比稳定
光通信激光二极管驱动电路 原理与应用
陈伦裕
2006-3-10
本讲座主要内容
激光二极管驱动电路基本原理 电流控制原理 自动功率控制（APC）电路原理 稳定消光比和光功率的原理和温度补偿
激光二极管的特性
激光二极管（LD—Laser diode） 是一个电流器件，只在它通过的 正向电流超过阈值电流Ith （Threhold current）时它发出激 光 为了使LD高速开关工作，必须对 它加上略大于阈值电流的直流偏 置电流IBIAS LD的两个主要参数：阈值电流Ith 和斜效率S（Slope efficiency）是 温度的函数，且具有离散性
LD和驱动芯片接口
LD和驱动芯片接口要求
1. TO型激光器安装在PCB边沿时，接地层要扩展到PCB边 沿以减少管脚引线电感，过大的电感会使波形边沿速度 变慢 激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小于传 输波长，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少线宽有利 于减小寄生电容 要仔细考虑高速信号电流环路，尽量减小返回路径的连 接阻抗，并使高速电流环路闭合面积最小，就能减少 EMI 在激光器阳极处Vcc要有足够的旁路电容，以降低高速 电流切换而产生的电源开关噪声
激光二极管工作原理是什么
激光二极管工作原理是什么
激光二极管（LD）是一种将电能转换为激光光能的电子器件。
它的工作原理基于半导体材料在电流注入下发生的电子与空穴再组合的过程。
具体来说，激光二极管中的半导体材料通常是由硅（Si）或砷
化镓（GaAs）等材料制成的。
该材料是一种带有能量带隙的
半导体，其能带结构类似于过渡金属的d轨道和非金属的p轨道。
当在激光二极管的正向电压下，正向电流通过材料，电流流向LD的n端，从LD的p端流出。
部分电子从n端注入，在能
带结构中的导带上形成载流子，同时也在价带上形成空穴。
由于导带和价带上的载流子具有相反的电荷，它们会发生碰撞并重新组合。
当电子与空穴重新组合时，它们释放出能量，该能量以光子的形式通过辐射的方式传播。
在LD的内部，通过增加材料的掺杂浓度和减小结构的宽度，
半导体材料的能带结构被调整为特定的能量差，即能带信息。
这使得在电流注入下发生电子与空穴的辐射重新组合，使得所产生的光具有一定的相干性和窄的波长范围，从而形成了激光。
总之，激光二极管的工作原理是通过正向电流注入半导体材料，通过电子与空穴的碰撞并重新组合释放能量，将电能转换为激光光能。
二极管激光器原理
二极管激光器原理
二极管激光器是一种基于半导体材料的激光器，它利用了PN
结的特性来实现激光输出。
首先，二极管激光器由一个PN结构组成，其中P部分富集了
正电荷，N部分富集了负电荷。
当二极管激光器接通电源时，载流子（电子和空穴）会在PN结中传输。
其次，二极管激光器在PN结上施加一个反向偏置电压，使电
流通过PN结时形成一个薄的耗尽层。
这个耗尽层的宽度决定
了二极管激光器的工作模式。
当外加的电压增加到一定程度时，耗尽层的宽度减小到接近零，即形成一个反向偏置的窄耗尽层。
这个窄耗尽层中，电流将主要通过载流子再组合来达到激光放大的效果。
当电流通过载流子再组合时，其中的一部分载流子会发生辐射跃迁，即发射激光。
为了增加激光输出的能力，二极管激光器通常加入一种增益介质，如量子井或量子阱。
最后，二极管激光器的输出光束是相干和单色的。
这是因为激光产生的反射只会沿着光轴传播，而且激光发射的频率由PN
结材料决定。
二极管激光器由于其小型化、高效率和易于集成等特点，在通信、雷达、医疗和光学传感等领域得到广泛应用。
激光二极管参数与原理及使用
激光二极管参数与原理及使用随着技能和工艺的成长，当前实际运用的半导体激光二极管具有庞杂的多层结构。
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。
为了取得良好的信噪比，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似。
激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料能不能相似，能够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，是当前市场运用的主流产品。
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(通常小于2mW)，线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的运用受到很大限定，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，上行发射通常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，当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，对通常小功率激光管而言，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主要。
(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，通常在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，通常在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。
(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。
光通信激光二极管驱动电路
• LD的两个主要参数：阈值电流Ith和斜 效率S（Slope efficiency）是温度的 函数，且具有离散性
2022/9/12
激光二极管的特性
3
• 当电流脉冲注入激光二极管时，激光 输出与电流脉冲之间有一个时间延迟 td，激光发射后，输出光脉冲会产生 过冲，并表现为衰减振荡，称为弛豫 振荡
• 根据经验，1mm引线会产生大 约0.5nH的电感，采用PCB顶装 激光器组件时，通常会有2.5nH 至8.5nH的电感附加在高速信号 通道。这些较大的电感值与信号 通道其它寄生参数一起，会严重 影响千兆速率的信号质量
不变 • 采用MCU或某些芯片内设置查找表，配合其中的数字电位器，
在温度变化后重新设置偏置电流和调制电流，可以精确保持光功 率和消光比稳定
2022/9/12
28
• TOSA通常会安装在PCB顶层， 弯曲的引脚伸至PCB，实现通孔 连接 ，由于成本和制造工艺的原 因普遍采用此类组件，在千兆数 据速率下，较长的引线连接会对 信号质量造成严重影响
• 异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流应大于 阈值电流
• 低速率时消光比可从偏大，速率越高，消光比越小
• 调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出 光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担
2022/9/12
13
调制电流和偏置电流设置原理
• 调制电流和偏置电流的大小都可以用 镜像恒流源来设置
2022/9/12
17
激光器驱动电路原理图(1)
2022/9/12
18
激光器驱动电路原理图(2)
2022/9/12
激光二极管的工作原理
激光二极管的工作原理激光二极管是一种将电能转换为激光能量的半导体器件。
它具有体积小、功耗低、寿命长等优点，被广泛应用于光通信、激光打印、激光测距、光束传输等领域。
激光二极管的工作原理主要涉及电子的激发和重新组合过程。
它的核心是由两种半导体材料构成的p-n结，即正极（p区）和负极（n区）之间的结界面。
这两种材料具有不同的电子能级结构，导致在p-n结发生电信号作用时，能量被转化为光能，并通过光衰减和增强的过程最终形成激光。
具体来说，激光二极管的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 管电流注入：激光二极管通过电流注入p-n结，将正极端（p区）与负极端（n区）分别连接到正负电源。
当电流正常流入时，会向p-n结注入大量的载流子（电子和空穴），形成电流流动状态。
2. 载流子的扩散：注入p-n结的电流在激光二极管中开始扩散，载流子在扩散过程中会被电场强度和浓度差等因素影响，从而产生电子和空穴的聚集。
3. 非辐射复合和辐射复合：电子和空穴在p-n结相遇后发生非辐射复合和辐射复合的过程。
在非辐射复合中，载流子的能量通过与材料晶格的相互作用转化为晶格热。
在辐射复合过程中，当电子和空穴再次结合时，发射光子并释放出激光能量。
4. 光的反射和增强：在p-n结两侧设置了一个镜片，其中一个面是多层反射膜，并利用光的多次反射，在p-n结中产生光的增强效果。
与此同时，该结构还具有限制激光波长和光产生方向的作用，使得激光以单一波长和平行光束发射。
通过以上步骤，激光二极管实现了电能转化为光能的过程，形成了一束窄而聚焦的激光。
与其他激光器相比，激光二极管具有结构简单、体积小、驱动电压低、寿命长等优势，特别适合于小型设备和器件集成中的应用。
需要注意的是，在激光二极管的工作过程中，为了确保有效的激光发射，需要控制电流的稳定性和温度的合理控制。
过高的电流或温度可能会使激光二极管受损，降低使用寿命甚至报废。
因此，对激光二极管进行合理的电流和温度控制非常重要。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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：/mndz/2011/0619/article_10318.html。