激光二极管(Laser Diode) 的LASER是取“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(基于受激发射的光放大)”的首字母组成的缩写单词,激光二极管也被称为半导体激光器,通常简称为LD。

由于可产生波长及相位等性质完全一样的光,因此相干性高(coherent)是其最大特点。

利用注入电流产生的光在2片镜片之间往返放大,直至激光振荡。简单的说,激光二极管也可以说成是一个通过反射镜将光放大的发光LED。

【激光二极管的发光示意图】

作为元件材料,使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半导体,由于LSI及Tr、Di等使用的Si跃迁概率(电流转变为光的概率)较差,因此不适用于激光二极管。

激光二极管和LED的区别

将激光二极管和LED的区别汇总在了下表中。 由于激光二极管的谱宽是狭窄单一的波长、相位整齐、指向性高的光,因此具备容易控制能量的特征。

激光二极管充分利用直进性、微小光斑尺寸 (数um~)、单色性、高光密度、相干性 (coherent) 这些特点,被用在各种应用上面。 最近,运动传感器、HDD热辅助磁性记录、照明(投影仪、前照灯)上也在使用。

下表中汇总了按激光二极管的功能分类的用途示例。

激光二极管的封装,主流为业内标准的φ5.6mm CAN型,也有重视成本类型的没有玻璃盖片的产品。

【5.6φ CAN封装】

在Quad beam LD及部分通信类产品中,尺寸大的有φ9.0mm,备有各种封装。另外,在光盘领域,为了进一步降低成本,也有采用树脂制作的框架封装等。

【框架封装示例】

法布里-珀罗型LD是由n/p包层、夹在包层之间的有源层(发光层) 和2片镜片端面构成。

由于包层材料的禁带宽度比有源层宽,因此将载体(电子和空穴)能量性的封闭起来。并且,由于包层材料的折射率比有源层小,因此光也封闭在有源层内。(与光纤的原理相同)

有源层和包层由纳米级可控的外延生长生产,条形(电极)以微米级可控的光刻法制作。

【激光二极管的芯片结构】

法布里-珀罗型LD:一种最简单的激光二极管的结构。

外延生长:薄膜结晶生长技术的一种,在原有晶片上进行生长,使之以电路板结晶面一致的结晶排列生长。

光刻法:一种将涂敷了感光性物质的表面曝光,利用曝光部分和未曝光部分生成图案的技术。

下图是注入电流-光输出 (I-L) 特性。 如果激光二极管通过放大得到的增益(Gain)高于内部损耗和磁镜损耗,则产生振荡。即存在振荡电流阈值。 最大输出受到扭折(电流-光输出直线的折弯)、COD(端面光破坏)、温度引起的热饱和等的限制。

【注入电流-光输出 (I-L) 特性】

【激光二极管的各种功能的用途示例】

注入电流-光输出 (I-L) 特性:测量方法

测量激光二极管的光输出时使用光功率计。

设置受光面时,使激光的所有光束都入射到光功率计的受光面上。

将受光面相对光轴倾斜5~20°,以避免来自光功率计受光面的反射光返回到激光二极管。

I-L特性表示正向电流 (IF) 和光输出 (PO) 的关系,可读取阈值电流 (Ith) 和工作电流 (Iop) 。

监视电流 (Im) 是用内置的光电二极管监视从激光芯片后面射出的激光时的输出电流。

【测量示意图】

注:因为这些测量受温度影响很大,所以请在激光二极管上安装散热板,使用温度控制器在控制壳体温度的状态下测量。

辐射到离芯片端面足够远的地方的光的强度分布称为远场图。

半导体激光器发出的光并不都是直线光,因衍射导致扩散发射。 由于芯片内的共振器(有源层和条形电极)的垂直方向是以数10nm级,水平方向是以数μm级制作而成,因此一般来说,远场图在有源层上的垂直方向比水平方向要大。

【远场图的示意图】