基础技术类培训之零件认识

-------激光二极管

正源光子工程部

内容目录

激光的基本原理

常见激光器介绍

激光器结构介绍

激光器（LASER=LightAmplificationby

StimulatedEmissionofRadiation）

有多种形式，它的尺寸小到相当于一颗盐粒，大到

可以填满整个屋子。产生激光的介质可以是气体、液

体、绝缘晶体（固态）或半导体。

在光纤通信系统中，使用到的激光光源几乎全是半

导体激光器。与其它激光器（例如普通固态和气态激光

器）类似，半导体激光器产生的辐射光同样具有空间、

时间相干性，即输出光具有强单色性而且光束具有很好

的方向性。

一、激光器简介

二、激光产生原理

原子和分子内部都有能量，其大小为一些离散的值，

也称为能级，图1所示为一种典型的原子能级图，电子总会

以某种特定的能级状态出现，当电子完成从一个能级到另

一个能级的跃迁时，就有可能产生光的吸收或者发射。光

的吸收和发射都是以一种叫光子的形式完成。光子是一种

具有特定波长并沿特定方向传播的电磁波。对于电子在图1

所示的能级E1和E2之间的跃迁，如果是从E1到E2，就吸收

一个光子，相反则发射一个光子。

第一种类型(a)为受激吸收。能量为hv=E2-E1的光子

对拥有一个能量为E1的电子的原子产生冲击时，光子就会

被吸收，并且原子中的该电子能量从E1跃迁到E2，这种现

象就称之为受激吸收。

第二种类型(b)为自发发射。能量为E2的电子为非稳定

态，它很快会回到基态，当拥有一个能量为E2的电子的原

子释放出一个光子（hv）时，原子中的该电子能量从E2跃

迁到E1，这种现象就称之为自发发射。

第三种类型(c)为受激发射。当一个光子与拥有一个能

量为E2的电子的原子相互作用时，该原子就会释放出一个

与入射光子具有相同波长、相同相位、相同传播方向的第

二个光子，同时，该电子能量从E2跃迁到E1。这种现象就

称之为受激发射。当这种现象不断增强，同传播方向、相

位和波长的光子数量越来越多，就会产生一种强大的、连

续的光束，也就是我们通常所说的激光。

三、半导体激光器工作原理

LD的发光机理是受激发光，即利用LD中的谐振腔发生振荡而

激发出许许多多的频率相同的光子，从而形成激光。

用半导体工艺技术在PN结两侧加工出两个相互平行的反射镜

面，这两个反射镜面与原来的两个解理面（晶体的天然晶面）构成

了谐振腔结构。当在LD两端加上正偏置电压时，在PN结区域内因

电子与空穴的复合而释放光子。而其中的一部分光子沿着和反射镜

面相垂直的方向运动时，会受到反射镜面的反射作用在谐振腔内往

复运动。只要外加正偏置电流足够大，光子的往复运动会激射出更

多的、与之频率相同的光子，即发生振荡现象，从而发出激光。此

之所谓受激发光。

大多数激光器都会采用图示的谐振腔，即（Fabry-Perot腔），在

这样的结构中，使用了一对平行放置的部分反射镜来构成谐振腔，沿半

导体晶体方向在自然晶体上刻两条平行的裂缝就形成了所谓的解理面，

该面即可充当反射镜。其作用是提供强的纵向光反馈，从而将器件转化

为振荡器，通过增益机理来补偿腔内的光损耗。

F-P谐振腔(一)

LD的谐振腔有两个反射镜面，它们是半透明的。它们的作

用一方面构成谐振腔保证光子在其中往复运动以激射出新的光

子，另一方面有相当一部分光子从反射镜透射出去即发光。前镜

面透射出去的光谓之主光，通过与光纤的耦合发送光纤当中变成

有用的传输。而后反射镜面幅射出去的光谓之副光又叫背向光，

利用它可以来监控光源器件发光功率的大小。

F-P谐振腔(二)

发光二极管(LEDLightEmittingDiode)

•发光二极管是最早被用来作光纤通讯传输的光源，传输用的

光源波段主要有有780、850及1300nm等，最常用来设计为短距

离(数十至数百公尺)的数据传输如G-Ethernet、Fire-wire，作为短

距通讯主要原因除了制程简单、价格便宜外，另外是因为二极管

本身的特性，如光功率较低(约为数个μW)，且光源的数值孔径

较大的关系，因此大多配合玻璃或塑料材质的多模光纤使用。

FP激光二极管(FabryPerotLaser)

•FP雷射是最早用为通讯的雷射二极管(LDlaserDiode)，一般常见的波

段为850、1310nm，对应的光纤可为单模或多模光纤，因其高功率(约数个

mW)、低波段线宽(Spectralwidth)的特性，使其可作为较长距离的光源(一

般Telecommunication约30公里左右)，雷射光源与二极管在结构上最大的不

同是雷射是共振腔体的结构，简单来说，提供的电流可使腔体内的电子因

能阶的跃迁而放出光子，腔体端面可想作是两面平行的镜子(即图中光源发

出的两端面)，内部折射率较空气为高，造成光子在腔体内汇聚，当能量累

积到达一定程度就会发射出来，因此会有所谓的临界电流(Threshold)的现

象。

DFB雷射(DistributedFeedbackLaser)

•DFB雷射是现今用作高性能的通讯光源，其结构及光电反应的特

性皆与FP雷射类似，通讯传输皆操作在临界电流之上，大部分波段在

1550nm左右，与FP的结构不同处，是DFB沿着共振腔体外部加上一层

光栅(Grating)，使雷射光仅允许单一波长光源存在于腔体中，我们称为

单一纵向模态(SLMSingleLongitudinalMode)，此一特性，使得产生的

功率(3~50mW)及线宽(0.8~0.08pm)方面较FP雷射更为优越，但价格也

是商品化光源中最昂贵的。

VCSEL雷射(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)

•FP与DFB雷射虽有许多优点，但因发光源属于边射型，使耦合

入光纤的能量因封装等因素而有损失，而VCSEL雷射则结合LED与

雷射的优点，另外，雷射的共振腔体为垂直模式，加上发射模态与

光纤一致，增加耦合效率，并能降低封装及生产制程的成本，一般

使用在波段在780~980nm之间，光功率比FP、DFB雷射稍小，约为

亚mW左右，线宽介于FP及DFB之间，可以视为单一纵向模态光

源。

边射与面射

三种类型发光器件的比较

从L-ICurve观察到的几个特性

1.临界电流（Ith）在室温附近为最小，升高或降低环

境温度，都会使得Ith增加。

2.SlopeEfficiency在室温附近为最大，升高或降低环

境温度，都会使得斜率下降。

中小最小VCSEL

1.临界电流（Ith）随环境温度的升高而增加。

2.室温以下的斜率几近相同。

3.温度愈高，曲线的斜率（SlopeEfficiency）愈小。

最窄大中LD

无明显差别最宽无最大LED

环境温度对特性曲线的影响光谱宽度 临界电流

所需之驱动

电流

＊ LED、LD、VCSEL 的特性比较 ＊

技术比较 LED

IPL/ELL/CD激

光器

VCSEL VCSEL的优势

电参数

工作电流（mA） 100 30 10 可以使用电池供电

功率使用效率高

串联电阻（ohm） 3 3 25 高串联电阻简化了电子设计

提高电路性能

调制带宽（GHz） >0.1 10 更高调制速率

更快信息传输

光学参数

阈值电流(mA） NA 25 3 很小的电功率就可以获得激光输出

斜率效率（mw/mA） 0.001 0.3 0.4 从注入电流中获得能量的能力强

光谱宽度（nm） 50 0.3

d(wavelength)/dT(nm/K) 0.3 0.3 0.06 温度稳定性好

光束特性（FWHM，degree） 180 40perpendicular 15

15parallel 易于耦合，效率高

像散（μm） 0 3 0

FP激光器在不同温度下的LIV

(Light-Current-Voltage)测试

生产中的LIV (Light-Current-Voltage)测试

初测-终测

测试条件：

（Ith+20mA)

阈值Ith

当LD中的工作电流低于其阈值电流Ith时，LD仅能发出极微弱的非相干光（莹光），这相

当于LD中的谐振腔并未产生振荡。而LD中的工作电流大于阈值电流Ith 时，它会发出谱线狭窄

的激光，这相当于形成了粒子数反转分布（产生激光的必要条件），谐振腔产生了振荡现象。

由于LD是一个阈值器件，所以在实际使用时必须对之进行予偏置。即予先赋于LD一个偏

置电流IB，其值略小于但接近于LD的阈值电流，使其仅发出极其微弱的莹光；一旦有调制信号

输入，LD 立即工作在能发出激光的区域，且其发光曲线相当陡峭。

在低驱动电流时，只存

在自发辐射现象。在受激辐

射阈值点附近，曲线形状会

有一个显著的变化，光功率

随电流的增加而急剧增大。

阈值电流是激光二极管

开始振荡的正向电流。

阈值与消光比

从理想状态讲，当数字电信号为“ 0” 时，光发送机应该不发光；

只有当数字电信号为“ 1” 时光发送机才发出一个传号光脉冲。但实际

上这是不可能的。以LD为例，由于要对它进行予偏置，且使其偏置

电流IB略大于阈值电流Ith。因此即使在数字电信号为“ 0” 的情况下，

LD也会发出极微弱的光（莹光）。当然这种发光越小越好，于是就

引出了消光比的概念。

消光比与啁啾

光发送机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”

码光脉冲功率的七分之一。

通常希望光发送机的消光比大一些为好，但对于有些情况都并非

如此。例如对于码速率很高的光发送机如2.5Gb/s 以上，若使用的是

单纵模激光器时会出现“啁啾声”现象。而所谓“啁啾声”是指单纵模激

光器的谐振腔的光通路长度会因注入电流的变化而变化，导致其发光

波长发生偏移。

当使用DFB 单纵模激光器时，增大偏流会降低“啁啾声”的影响，

而增大偏流则会减小消光比，因此消光比并非越大越好。

1. 基座(Header)

2. 热沉(Submount)

3. 激光二极管(LD)

4. 背光探测器(PD)

5. 封盖(Cap)

6. 窗口(Window)

Laser Diode的构成(一)

共阳引脚和分离引脚的区别

LD

LD

PD

PD

LD

LD

PD

PD

Top and side view of the VCSEL assembly

showing precise positioning and wire bond

configuration

VCSEL

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 极限值

deg.C -40 to +100 - Storage temperature 存储温度 Tstg

deg.C -40 to +85 - Operation temperature 工作温度 Tc

mA 2 - PD forward current 正向电流(背光探测器) IFD

V 20 - PD reverse voltage 反向电压(背光探测器) VRD

V 2 - Laser reverse voltage 反向电压(激光器) VRL

mW 10[7] CW Light output power 出光功率 Po

Unit Ratings Conditions Parameter

Symbol

7.0 6.5 6.0

mm 6.2 5.8 5.0 ML720K45S

ML725C45F

CW,

PL=5mW,SI10/125

Df(Note2)

mW --- 0.8 0.4 CW, PL=5mW,SI10/125 ML720Y45S Pf(Note2)

pF 20 10 --- VRD= 10 V, f=1MHz Capacitance (PD) 背光探测器电容 Ct

m A 0.1 --- --- VRD= 10 V Dark Current (PD) 监视探测器暗电流 Id

mA --- 0.5 0.1 CW, Po=5mW, VRD=1V, Monitor Current (PD) 背光电流

Im

nsec 0.7 0.3 --- Ib=Ith, Po=5mW,10- 90% Rise and Fall time (10% -90%)上升/下降时

Tr ,tf

deg. --- 30[11] --- CW, Po=5mW Beam divergence angle (perpendicular)

垂直辐射束角

θ⊥

deg. --- 25[11] --- CW, Po=5mW Beam divergence angle (parallel)平行辐射

束角

θ‖

nm 2 1 --- CW, Po=5mW,RMS(-20dB) Spectral Width 光谱宽度

nm 1330 1310 1290 CW, Po=5mW Center wavelength 中心波长 　c

mW/mA --- 0.4[0.3] 0.3[0.2] CW, Po=5mW Slope efficiency 斜效率

V 1.5 1.1 --- CW, Po=5mW Operating voltage 正向压降 Vop

mA 35 20 --- CW, Po=5mW Operation current 额定工作电流 Iop

mA 15 5 --- CW Threshold current 阈值电流 Ith

Unit Max. Typ. Min. Test Conditions Parameter Symbol

Note : []applied to the lens cap type. Note : Pf,Df are applied to the ball lens type. Note : Df is a distance between reference plane of the base to the fiber.

LD的发光特点

Horizontal Beam Divergence（θ‖）与Vertical Beam Divergence（θ┴）：

下图为LD的发光示意图，LD是以「圆锥状」的型态发光。

对于水平分量（X轴）而言，其发散角的范围为：「从发光中心点往两边X轴方向延伸，直到其

水平方向的圆锥体能量，为发光中心点的一半，此时所形成的夹角，即为Horizontal Beam

Divergence（θ‖）」。

而对于垂直分量（Y轴）而言，其发散角的范围为：「从发光中心点往两边Y轴方向延伸，直到

其垂直方向的圆锥体能量，为发光中心点的一半，此时所形成的夹角，即为Vertical Beam

Divergence（θ┴）」。

光斑Profile

• 光斑可以表征能量的空间分布

LD光路

光轴

机械轴

焦点

光轴

机械轴

倾斜角

• 倾斜角是光轴与机械轴的夹角

发散角

• 发散角表示能量的集中程度，决定于Lens的收敛效果等因素

焦點

Chip

Lens

Chip : center

Lens : center

Chip

Lens

Focal point : center

Focal point : shift (x, y,z = ?um)

Stem

Stem

Center of stem

Chip : shift (x, y=?um)

Lens : center

Laser Diode的光轴偏移（一）

Laser Diode的光轴偏移（二）

LD TO CAN的封装图

LD与光纤耦合光路图

理想LD与光纤耦合光路图:

实际上的光路图:

球透，平窗与非球Laser diode

球面镜与非球面镜TO-CAN

平窗器件的应用

• 激光器/探测器组合

包含发射、接收双重

功能

• WDM

两个波长：

1310nm和1550nm

分别用于收、发信号

• 优势

1根光纤，全速率/全

双工

LD耦合效率

• LD的耦合效率是指工作电流下，LD所发出的功率与耦合到光纤纤芯

里的功率之比。

• 可见与耦合效率相关的参数有：

LD发散角；倾斜角；光斑能量分布；光纤的收光能力等。

LED的光谱

FP激光器的光谱

DFB激光器的光谱

LD的防护(一)

LD的防护(二)

LD的防护(三)

LD的防护(四)

LD的防护(五)

PIN Crack(二)

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每天多努力一点！