激光二极管
摘要：激光二极管（Laser Diode, LD）是一种基于半导体材料的电致发光器件，通过受激辐射放大产生相干激光。因其体积小、效率高、寿命长、调制方便等优点，广泛应用于通信、医疗、工业加工、消费电子等领域。
什么是激光二极管
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。
激光二极管的特点和用途
激光二极管的用途示例
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。
激光二极管的各种功能的用途示例
| 功能 | 特点 | 用途示例 |
| ①读取 | 可用微小光斑高速读取微小信号 | 光盘 (CD、DVD、BD) 的读取等 |
| ②记录 | 通过大功率使有机膜变色或使结晶相发生变化来写入信号 | 光盘 (CD、DVD、BD) 的记录等 |
| ③感光 | 通过照射感光鼓可以绘制信号 | 激光打印机、MFP等 |
| ④通信 | 支持高速调制，可传输大量信息 | PC、手机等的光通信 |
| ⑤照明 | 小型点光源的照射，可准确定位 | 激光显微镜、定位信标器、放线器等 |
| ⑥测量 | 距离衰减较少，光可到达较远的地方 | 道路的距离测量、车距测量、建筑物的高度测量等 |
| ⑦感知 | 容易形成干涉条纹，可捕捉微小的变化 | 烟感器、灰尘管理、激光鼠标等的传感功能 |
激光二极管的封装
LD封装
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。
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。
激光二极管的芯片结构
LD芯片结构
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。
注入电流-光输出 (I-L) 特性
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
| 项目 | 符号 | 定义 |
| 阈值电流 | Ith | [图2]中A为自然发光领域，B为激光振荡领域，以此进行区别。 |
| 工作电流 | Iop | 是发出规定的光输出时需要的正向电流。 |
| 工作电压 | Vop | 是发出规定的光输出时需要的正向电压。 |
| 微分效率 | η | 每单位驱动电流的光输出的增加量。 表示在激光振荡领域相对于正向电流的光输出直线的倾斜度。 |
| 监视电流 | Im | 是规定的光输出下的内置光电二极管的输出电流。 |
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。
激光的形状
远场图 (FFP：Far Field Pattern)
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。
 | FFP | 衍射 |
 |
因为nm级的有源层是开口部，所以光束变宽 | |
 |
因为µm级的条形电极是开口部，所以光束没怎么变宽 |
远场图的示意图
远场图: 测量方法
使用APC驱动器，使激光二极管的光输出保持一定。
光电二极管的受光面朝向激光芯片的发光面，在以发光点为中心的圆周上使之移动，测量正面为0度时的角度和光强度的关系。
在激光芯片的有源层上，沿水平方向和垂直方向分别进行移动。
测量示意图
APC驱动器：
Auto Power Controll的简称，是输出一定驱动的意思。
LED通常使用的是ACC（恒流驱动），但LD的用途上，使用ACC时输出的稳定程度不够。因此，一般的激光二极管中都内置光电二极管用于监视，设置在封装内部，使之能够接收到来自芯片后端的光。
使该光电二极管的输出 (Im：监视电流)保持一定的反馈驱动电路叫作APC驱动器（电路）。
激光二极管的振荡波长
振荡波长 (λ)
振荡波长用符号λ表示，单位是nm（纳米）。
由有源层结晶材料具有的禁带宽度和芯片结构参数的共振器长度决定。
共振器长度存在很多候选振荡波长，但禁带宽度周围增益最大的波长发生振荡。
如果结区（有源层）温度上升，则共振器长度发生物理伸长或折射率变大，如果壳体温度及光输出增大，则振荡波长将变长。
振荡波长 (λ)：测量方法
使用APC驱动器，使LD的光输出保持一定。
使用集光镜头令激光入射到光纤上，再通过光纤输入光谱分析仪，观测振荡光谱。
测量示意图
LD使用注意事项
使用注意事项
1) 由于与其他的分立式产品相比，ESD水平非常低，因此如果在正向上加入浪涌，则过量发光，导致端面损坏，激光无法振荡。
ESD：
Electro Static Discharge 的简称，意思是静电放电。
2) 使用时，请不要触摸作为镜片发挥作用的端面。
（其他的分立式产品通常可以将端面作为"裁切余量"使用 。）