激光二极管的原理
激光二极管
激光二极管包括单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱半导体激光器具有低阈值电流和高输出功率的优点。是市场应用的主流产品。与激光器相比,激光二极管具有效率高、体积小、使用寿命长的优点,但其输出功率小(一般小于2MW)、线性差和单色性都不是很好,因此在有线电视系统中的应用受到很大限制,它不能传输多通道、高性能的模拟信号。在双向光接收机的返回模块中,通常使用量子阱半导体激光器作为上行发射的光源。
激光二极管
在讨论激光产生的机理之前,我们先来谈谈受激辐射。光辐射有三个辐射过程,
第一,是高能粒子向低能粒子的自发跃迁,称为自发辐射;
第二,在外部光的激发下,处于高能态的粒子转变为低能态,这称为受激辐射;
第三,从低能态粒子吸收的外来光能量到高能态的转变称为受激吸收。
图2激光二极管示意图图2激光二极管示意图
自发辐射,即使两个粒子同时从高能状态过渡到低能状态,它们的光相位、偏振状态和发射方向可能不同,但受激发射是不同的。当处于高能状态的粒子在外部光子的激发下转变为低能状态时,它们发射的光在频率、相位和偏振状态上与外部光子完全相同。在激光中,产生的辐射是受激辐射。在偏振状态下,激光发射的频率完全相同。任何受激发光系统都有受激辐射和受激吸收。只有当受激辐射占主导地位时,它才能放大外部光并发射激光。一般来说,受激吸收在光源中占主导地位。只有当粒子的平衡态被打破,高能态的粒子数大于低能态的粒子数(这种情况称为粒子数反转)时,才能发射激光。
产生激光的三个条件是:实现粒子数反转、满足阈值条件和共振条件。光的受激发射的主要条件是粒子数的反转。在半导体中,有必要将价带中的电子泵送到导带。为了实现离子数反转,通常使用重掺杂的p型和n型材料来形成PN结。这样,在外加电压的作用下,离子数反转发生在结区附近——电子存储在高费米能级EFC以下的导带中,空穴存储在低费米能级EFV以上的价带中。粒子数反演的实现是激光产生的必要条件,但不是充分条件。为了产生激光,应该有一个损耗最小的谐振腔。谐振腔的主要部分是两个平行的反射镜。激活材料发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射,不断产生新的受激辐射并使其不断放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器中的各种损耗,即满足某些阈值条件: