激光二极管技术（Laser Diode Technology）

最近，激光二极管的商业和工业应用急剧增加。激光二极管的光学特性、小尺寸和坚固性使得许多新用途得以商业化。激光二极管体积小，输出却非常明亮。如今，在连续波（CW）条件下工作的激光二极管可以在几立方英寸的小封装内输出数百瓦的功率。这一特性使这些设备适用于有线电视传输、高清电视（HDTV）开发和医疗应用。

此外，与其他类型的激光器相比，激光二极管的功耗非常低。大多数激光二极管的工作压降小于2 V，功率要求由其电流设置决定。激光二极管的总体效率通常高于30%。

由于激光二极管由半导体材料制成，因此不需要易碎的玻璃外壳或气体激光器典型的镜面校准。因此，激光二极管坚固耐用，体积小，可用于其他类型激光器无法工作的环境和空间。

激光二极管的相干性和单波长特性使这些设备的输出能够聚焦到衍射受限的光斑尺寸。产生的光斑大小取决于激光波长--光波长越短，产生的光斑就越小。在波长较短的蓝光和紫外光下工作时，光斑尺寸较小，因此可以在密度较高的光盘上存储更多信息。

激光二极管的另一个优点是可以直接进行高频调制。在高速数据通信中，通过调制驱动电流，激光二极管的输出调制频率可高达几千兆赫。

低功率激光二极管

低功率激光二极管有多种封装形式。大多数激光二极管都集成了一个监控光电二极管。一般来说，激光二极管从腔的两端发光。通过监测激光二极管的后端面输出光束，可以将激光保持在恒定的功率水平。对于1 W或更小的功率水平，最常用的封装是TO-Can型，有5.6 mm或9 mm直径的底座可供选择（图1）。其他封装包括用于更高功率激光二极管（>1 W）的TO-3封装。

图1. 罐式封装中激光二极管和监控光电二极管的排列。
电信激光二极管采用蝶形或DIL（双列直插式）14引脚封装（图2）。大多数都包括一个热电冷却器（TEC）模块，并且都包括一个用于散热的安装板。

图2a： 双列直插式14引脚电信激光二极管

图2b： 蝶形封装电信激光二极管
还使用了许多其他封装，包括脉冲激光二极管同轴罐和各种光纤尾纤激光二极管，CD/DVD型激光二极管集成在定制设计的外壳中，包括聚焦光学器件和光纤输出。

其他结构包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）和主振荡器功率放大器（MOPA）激光器。VCSEL激光二极管（图3）可制成二维阵列，用于光学计算、印刷和通信。它们的激光器结构具有圆形孔径，可使用简单的球面透镜轻松准直输出光束。MOPA激光器的开发旨在提高单模激光二极管的输出功率，同时保持较窄的线宽。这些激光二极管结构具有一个振荡器部分，可产生非常窄的光谱输出，以及一个集成功率放大器部分，可在不影响光谱输出的情况下提高输出功率。

图3. 二维VCSEL阵列的扫描电子显微照片。Axel Scherer拍摄，科罗拉多州博尔德市Picolight公司提供。
需要更窄光谱线宽的应用需要将激光振荡限制在单模内的结构。折射率引导器件可提供必要的限制，从而产生几乎没有散光的单模输出光束。然而，激光二极管发出的光的发散非常明显，垂直轴(θ⊥)的全宽半最大(FWHM)角可达40度，平行轴(θ||)的全宽半最大(FWHM)角可达10度。这种发散导致椭圆锥迅速扩大。增益导引激光二极管往往比指数导引激光二极管的两个角度之间的差异更大。图4显示了光束在θ平行轴和θ垂直轴上的发散情况。

图4 分度引导器件及其发散输出光束轮廓示意图。
单频激光二极管是激光二极管家族中另一个有趣的成员。这些器件现在可以满足光谱学和高带宽通信的要求。这些结构的其他优点是阈值电流更低，功率要求更低。分布式反馈（DFB）激光二极管（图5）就是这种结构的一种。这种结构的一种是分布式反馈（DFB）激光二极管（图5），它可以在1300 nm和1550 nm之间的光纤通信波长上发光。

图5 各种单频半导体激光器 各种单频半导体激光器： DFB、DBR和外部光栅器件。
由于激光器发出的光波长范围较窄，因此也可用于传感和光谱分析。例如，检测痕量气体和在非常确定的波长下对光有反应的元素。通过适当选择和调整激光二极管的波长，可以检测到这些元素。

高功率激光二极管

最近，波长范围在0.8-1.1微米的高功率激光二极管因其广泛的应用而备受关注。这些激光器被用于固体激光器（如Nd:YAG）的光泵浦，取代了传统的闪光灯设计。高功率激光二极管被调谐到介质晶体的吸收带，从而更有效地泵浦激光棒，从中发射出高功率的聚焦相干光束。该光束可用于各种工业、医疗和军事应用。激光二极管的开发与各种介质晶体在宽波长范围内的吸收带相匹配。图6显示了两种常见的高功率激光二极管封装。

图6a： 条形高功率激光二极管封装方式

图6b：S型高功率激光二极管封装形式
除了涉及固体激光棒泵浦的应用外，高功率激光二极管在光纤通信方面也非常有用。在这些应用中，波长为980 nm的高功率激光二极管被用作掺铒光纤放大器的泵浦源。这种光放大器用于对沿长途电信线路传播的1550 nm波长电信号进行直接光放大。通过这种方式，无需使用电放大电路，光信号被直接放大，效率更高，并且无需将光信号转换为电信号。

通过将多个高功率激光二极管棒叠加在一起，可以制造出输出功率可能达到千瓦的叠加激光二极管阵列（图7）。这种设备为工业焊接、金属和其他各种材料的精密切割等应用开辟了广阔的新天地。

图7. 典型的高功率叠条激光二极管封装示意图。
 

激光二极管的光电特性

阈值电流和阈值电流密度

使用激光二极管仪器测量的激光二极管最重要的参数可能是当电流注入器件时它们发光的程度。这就产生了输出光对输入电流曲线，通常称为L.I.曲线，如图8所示。随着注入电流的增加，激光首先显示出自发辐射，然后逐渐增加，直到开始发射受激辐射，这就是激光作用的开始。我们感兴趣的第一个参数是发生这种现象的确切电流值。这通常称为阈值电流，用符号Ith表示。通常希望阈值电流越低越好，这样可以提高设备的效率。因此，阈值电流是用于量化激光二极管性能的一个指标。

图8. 与高功率激光二极管相关的典型光与电流（L.I.）曲线。
Ith表示器件开始发光的阈值电流。激光器将电功率转换为光功率的效率由L.I.曲线的斜率决定，斜率由输出功率随电流变化的变化量（ΔP/ΔI）表示。插图示意性地显示了一个宽面积（100 µm宽条纹）激光二极管从其前后镜面发射辐射。

阈值电流取决于制造器件的半导体材料的质量，以及器件波导结构的总体设计。然而，阈值电流也取决于激光设备的尺寸和面积。一个激光二极管的阈值电流可能比另一个激光二极管的阈值电流高得多，但却被认为是更好的激光器。这是因为器件的面积可以很大。与面积较小的激光器相比，更宽或更长的激光器显然需要更大的功率才能达到激光作用的起始点。因此，在比较不同器件的阈值电流值时，更适合谈论阈值电流密度而不是阈值电流。阈值电流密度用符号Jth表示，它是通过实验得到的阈值电流值Ith除以激光器的面积来确定的。激光器最好具有较低的阈值电流密度。阈值电流密度是直接反映半导体材料质量的参数之一。在比较各种激光设备的性能时，必须比较阈值电流密度值，而不是阈值电流值。在计算激光器的电流密度时，必须精确测量电流注入激光器的面积。这只有在条纹宽度在100微米或以上的宽面积型激光器中才有可能实现。在这种情况下，电流流经的区域与激光器金属触点的面积基本相同。在脊状激光器中，脊的宽度仅为几微米，而由于电流扩散，电流流经的通道的实际宽度可能要大得多。这使得在窄条纹脊激光器中准确确定电流密度值变得不切实际。

L.I.曲线的斜率

正如希望在尽可能低的阈值电流下实现激光作用一样，我们也希望在尽可能小的电流消耗下从设备中获得越来越多的光。换句话说，您希望在缓慢增加输入电流的同时，能够快速增加输出光。将输入电能转化为输出光能的速率高的激光二极管显然是性能良好的设备。L.I.曲线的斜率是衡量设备能力的直接指标。该斜率表示为ΔP/ΔI，单位为瓦特/安培（W/A），对于小功率激光器，单位为毫瓦/毫安（mW/mA）。ΔP/ΔI是阈值电流Ith之上的L.I.曲线斜率，直接告诉我们激光器输入电流每增加1安培输出多少瓦特功率。其他重要参数通常从ΔP/ΔI参数的测量中提取。这些参数包括外部差分量子效率、内部量子效率和内部损耗参数。有关这些主题的深入讨论以及准确确定上述参数所需的实验装置和计算程序的说明，请参阅 Newport 应用说明。

特性温度

在大多数应用中，激光二极管在高温下的良好性能是非常重要的。尤其是高功率激光二极管，其产生的功率会导致器件温度显著升高。因此，最重要的是半导体晶体必须足够坚固，以免器件在高温下出现劣化。激光二极管的特征温度通常称为To（发音为T-zero），是器件温度敏感性的度量。To值越高，意味着器件的阈值电流密度和外差量子效率随温度升高而增加的速度越慢。这意味着激光器的热稳定性更高。为了测量激光二极管的特性温度，有必要通过实验测量激光器在不同温度下的L.I.曲线。然后将结果列表并确定To。通常情况下，人们在15摄氏度到80摄氏度之间，以5或10摄氏度为增量进行测量。传统的AlGaAs激光器的To值通常高于120度。请参阅Newport公司的应用说明1《激光二极管的测试和表征》，以了解有关该主题的更多信息，包括实验技术和计算方法。

动态串联电阻

激光二极管的串联电阻通常通过计算器件的电压与注入电流特性曲线的导数来确定。一种方法是使用计算机程序来分析确定通过实验获得的器件电压与电流特性曲线的一阶导数（有关此主题的更多信息，请参阅Newport的应用说明1）。激光二极管的高串联电阻值可能是沉积在器件两侧的低质量金属欧姆触点造成的。因此，测量串联电阻值可作为评估激光器上沉积的金属触点质量的一种手段。

散光

随着激光二极管在过去15年中的发展，已经开发出具有不同特性的各种结构。最早的激光二极管使用增益导向结构，这种结构易于制造，因此设备可靠，制造成本低。这种结构支持多种模式，从而产生多条光谱线和散光。散光是指两个轴的视焦点不重合。它限制了将激光束聚焦到小光斑尺寸的能力（图9），并使将输出光束聚焦到锐利的明确点变得复杂。

图9 散光问题示意图 散光问题示意图。

偏振

偏振的平行矢量和垂直矢量之比称为偏振比。激光二极管在接近其最大额定输出功率时，偏振比可以达到100比1或更高。

激光二极管光束的准直

由于激光二极管的输出是高度发散的，因此需要特殊的准直光学器件。传统上使用模制非球面或多元件玻璃透镜来准直输出。这些准直器通常具有0.5或更大的数值孔径，以收集整个激光输出光束。

使用透镜，激光二极管的输出光可以形成发散很小的准直光束。这种高方向性的准直强光束有许多用途，例如用于土木工程中大型结构的校准或CD播放器的读取头。此外，由于激光具有相干性，其特性在空间和时间上保持不变。这在材料变形的干涉测量中非常有用。如果对增益导向激光二极管光束进行准直或聚焦，则需要使用圆柱透镜来消除散光。长焦距透镜用于补偿散光，然后准直透镜可以提供在两个轴上发散很小的光束。

准直后的光束仍然是椭圆形的，可以使用一对拟态棱镜进行圆化。要么压缩主轴，要么扩大次轴，以形成圆形光束。将激光二极管的输出光束聚焦到单模光纤中也会产生圆形输出。光纤起到滤波器的作用，因为只有一种模式在光纤中传播。光纤的输出是高斯形状的圆锥形光束，数值孔径（N.A. <0.1）较低。一个简单的球面透镜用于完成准直。

用于准直激光二极管的最新技术包括微透镜和衍射光学，这两种技术都能产生非常紧凑的封装。微型透镜粘合在激光二极管发射孔的正前方。整个组件可安装在激光二极管封装内。衍射光学元件采用光刻技术制造，重复精度高，大批量生产成本极低。衍射光学器件安装在外部，但仍可实现极小的激光二极管封装。

激光二极管的光谱特性

光学光谱

激光二极管的光谱取决于激光器光腔的特定特性。大多数传统增益或指数引导器件的光谱具有多个峰值，而分布式反馈（DFB）和分布式布拉格反射器（DBR）类型的器件则显示一个定义明确的光谱峰值。图10显示了这两种光谱特性的比较。

图 10. 多模与单模光谱。
激光器能够支持的光谱线数量是腔体结构和工作电流的函数。因此，多模激光二极管的光谱输出在其中心波长附近具有多个峰值。通过激光腔传播的光波在激光器的两个镜面之间形成驻波。两个镜面之间的距离L决定了该曲线的振荡周期。只有当腔长L是两个镜面之间存在的半波长的整数m时，这个驻留光波才会发生共振。换句话说，空腔的两端必须存在一个节点。只有当 L 恰好是半波长 λ/2 的整数倍时，才可能出现这种情况。这意味着L = m(λ/2)，其中λ是半导体物质中的光波长，通过折射率n与自由空间中的光波长相关，关系为λ = λo/n。在这种情况下，激光二极管的腔体中可能存在许多纵向模式，每个纵向模式都以其不同的波长λm = 2L/m发生共振。由此可以看出，两个相邻的纵向激光模式之间的波长间隔为Δλ = (λo)2/2nL 。如图11所示，即使是单模器件也可以在低输出功率下支持多种模式。随着工作电流的增加，一种模式开始占主导地位，直到超过一定的工作功率水平，才会出现单一的窄线宽频谱。

图 11. 工作电流水平对输出频谱的影响。

中心波长随温度变化

激光二极管的中心波长与其工作温度成正比。温度与中心波长之间呈线性关系（如图12所示）。随着温度的升高，激光二极管的中心波长也随之升高。这一特性在光谱学应用、固体激光器的激光二极管泵浦和掺铒光纤放大器中非常有用，在这些应用中，激光二极管的发射波长可以根据与其相互作用的材料的具体特性进行精确的温度调节。

图12 温度对激光二极管中心波长的影响 温度对激光二极管中心波长的影响。

跳模

单模激光器表现出一种称为跳模的现象（图13），即激光二极管的中心频率在不连续的波长段上跳变，而不是在大范围内连续调谐。我们可以通过微调驱动电流来改变发生不连续的波长。当为需要特定波长的应用（如光谱学）选择特定激光二极管时，在对器件进行温度调谐时必须考虑跳模问题。

图13. 在对单模激光二极管进行温度调谐时观察到的跳模现象。

激光二极管的寿命要求

激光二极管的工作寿命取决于其工作温度。工作温度为20°C的高质量激光二极管的使用寿命可超过100,000小时。激光二极管的失效通常是指维持指定输出功率所需的工作电流比初始电流增加了某个百分比（50%）。测量的温度是激光二极管封装的外壳温度。制造商通常会提供特定输出功率的寿命曲线。

静电放电对激光二极管的影响

激光二极管对静电放电（ESD）极为敏感，必须小心处理。在处理激光二极管时，一定要按照制造商的说明将激光二极管从运输容器中取出。在处理过程中，必须注意确保激光二极管受到适当的保护。一般来说，操作员在操作激光二极管时必须正确接地，并应使用导电护指。所有设备都必须正确接地。您应始终严格遵守制造商关于正确散热的规格和说明。强烈建议不要直接焊接到激光二极管封装或其电气引线上。最好将所有电气连接连接到可插入激光二极管的插座（如晶体管插座）上。

激光二极管的电流源要求

激光二极管需要一个称为激光二极管驱动器的低噪声电流源。标准电源通常作为恒压源工作，不具备激光二极管所需的必要保护电路。对于大多数激光二极管应用来说，它们的噪声也太大。此外，激光二极管很容易受到电压和电流波动以及瞬态电压的损坏。为了保护激光二极管免受损坏，我们开发了专门的电路设计。第一级保护包括输入交流电源滤波和高速瞬态检测电路。低压和交流线路瞬态检测电路以及屏蔽变压器可提供额外保护。

当输出电流接通或断开时，电源内部可能会出现瞬间瞬态。当输出关闭时，激光二极管驱动器的输出应与激光二极管短路。这可以通过在输出端使用冗余的FET和继电器短路装置来实现。在接通阶段，这些短路装置可保护激光二极管免受电压和电流瞬变的影响。经过几秒钟的延迟后，输出电流在几毫秒到几百毫秒的时间内缓慢上升到设定值。

激光二极管驱动器的另一个必要功能是独立限流。该限流值与设定值分开设置，可覆盖任何可能导致输出电流超过激光二极管最大额定电流的情况。某些电流源使用软件可编程功率限制，其工作原理与电流限制类似。电流限制是硬接线的，而功率限制必须编程，因此必须了解光电二极管的响应度，才能正确设置功率限制。二者独立工作，以保护您的激光二极管。

激光二极管的温度控制

由于许多参数都取决于激光二极管的温度，因此使用热电温度控制器设定并保持稳定的温度非常重要。大多数激光二极管应用使用基于珀尔帖效应的热电（TE）冷却器来保持恒温。TE模块是半导体 "热泵"，可将热量从器件的一侧转移到另一侧。根据电流流经TE冷却器的方向，可以加热或冷却激光二极管。使用几种类型的温度传感器：热敏电阻、I.C.传感器和铂电阻温度装置（RTD）。最常用的是热敏电阻，因为它体积小、响应速度快。热敏电阻和热电阻都是非线性电阻器件。两者都需要一个小的精确电流源来偏置。温度变化导致电阻变化，器件上的压降与温度成正比。每种器件都有一个将电阻转换为温度的特性方程。Steinhart-Hart方程用于将热敏电阻的电阻转换为温度，并根据所需的精度使用两个或三个常数。

图14 常用温度传感器比较 常用温度传感器比较。
直流传感器是线性设备，其输出可轻松转换并显示为°C。虽然它们是线性的，但不如热敏电阻精确。图14总结了每种温度传感器及其优点。热电阻主要用于需要极其稳定的传感器以实现长期精确温控的应用场合。热电阻的主要缺点是电阻变化小，因此难以测量微小的绝对温度变化。

另一方面，热敏电阻的电阻变化非常大，因此很容易测量温度的微小变化。热敏电阻也是三种传感器中体积最小的一种，因此非常适合集成到激光二极管封装中。带有集成TE冷却器的激光二极管封装使用10kΩ热敏电阻作为温度传感器件。

激光二极管的测试和表征

通常需要对激光二极管的质量、性能和特性进行定量评估。这需要进行一系列实验，获得各种参数，从而确定激光二极管的性能如何。这样就可以确定激光二极管是否符合所需的规格。

该实验装置的核心是激光二极管支架和积分球探测器系统。激光二极管支架设计用于为高功率激光二极管提供简单的空气冷却。

图15显示了一个实验室实验装置示例，该装置可用于准确、快速地对高功率激光二极管进行全面表征。通过使用个人计算机和控制软件（如LabView），可以实现仪器控制和数据采集的完全自动化。

图15. 典型的计算机控制激光二极管测试和鉴定装置。
在激光二极管测量中，使用积分球装置对输出光功率进行精确测量是绝对必要的。激光二极管具有高度发散的光束轮廓，使用积分球可确保收集和测量激光二极管发射的所有光线。此外，它使测量对探测器的精确定位不敏感。然后使用校准的光功率计测量探测器产生的信号。这种设置可以精确测量不同波长激光二极管的输出光。光学测量系统通常使用GPIB或USB进行计算机控制。

此外，积分球还可配备光纤端口。光纤端口用于对光进行采样，并将其传输到光学频谱分析仪的输入端。通过这种方式，可以同时测量激光二极管的光谱和发射峰值波长，以及L.I.V特性。

激光二极管的封装过程是非常耗费人力和成本的。正因为如此，通常有必要在整个设备制造之前对制造激光二极管的半导体晶片的质量进行全面评估。除了对晶圆进行一系列结构、电气和光学特性测试外，通常还要对晶圆加工出的大面积激光器进行测试，以确定该晶圆是否为 "器件质量晶圆"。这样可以防止劣质材料被用于制造设备。由于这些器件在测试时没有粘合在散热器上，也没有完全封装，因此绝对有必要在低占空比脉冲电流条件下进行所有测试和表征。在这种情况下，散热不是问题，而且可以在不需要完全封装的情况下确定器件的特性。图16显示了在脉冲条件下表征激光二极管的实验装置。请注意，在这种情况下，探针台用于探测并向每个器件注入电流，而激光二极管驱动器是一个电流脉冲发生器。

图16. 典型的实验装置，采用探针台布置，用于对激光二极管芯片和未安装在散热器上的激光二极管棒进行脉冲表征。
使用这种实验装置可以对激光二极管进行全面的测试和表征，从而确定阈值电流和阈值电流密度、外部差量子效率、内部量子效率、内部损耗、光谱和发射峰值波长、串联电阻和特性温度等重要参数。