1. 基本概念
- LED：Light Emitting Diode (发光二极管)
- LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （基于受激发射的光放大）
- VCSEL：Vertical-Cavity Surface Emitting laser (垂直腔面发射激光器) - 面射型激光
- EEL：Edge Emitting Laser （如LD或ELED） - 边射型激光
- LD：Laser Diode (激光二极管也被称为半导体激光器，通常简称为LD)
- Die：芯片
- 激光二极管的制程：与硅晶圆的制程相似，都是利用黄光微影、掺杂技术、蚀刻技术、薄膜成长制作。
- 激光二极管（LD）：将电讯号转换成光讯号
- 光放大器（Amplifier）：放大光讯号
- 光侦测器（Detector）：将光讯号转换成电讯号
- 光连接器（Connector）：连接光纤
- 光耦合器（Coupler）：将二信道光讯号汇合成一信道
- 光分离器（Splitter）：将一信道光讯号分开成二信道
- 光隔绝器（Isolator）：阻止光讯号反射
- 光衰减器（Attenuator）：降低光讯号强度
- 光交换器（Optical switch）：改变光讯号前进方向
- 光电调制器（Modulator）：调变光讯号
- LED，边射型激光LD与面射型激光VCSEL三种发光器件的结构示意图：
1.1 三者差异
1.1.1 表面发射与边缘发射
1.1.2 SLED与ELED
1.1.3 Light Power of LED and LD
1.1.4 LED vs LD
1.1.5 LD & LED & VCSEL
1.2 DBR（Distributed Bragg Reflector）分布布拉格反光镜
- 沿着光前进的方向上设计出特别的不同折射率材料交替的膜层，膜层厚度是该材料四分之一发光波长厚度（λ/4n, λ是纯光波长，n是该材料的折射率），形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性结构，如图二(a)所示，称为「DBR光栅(Grating)」。光波在光栅中前进的时候，遇到折射率大的介质时，光的速度变慢；遇到折射率小的介质时，光的速度变快，光波在不同折射率之间的接口都会发生反射与折射，科学家经过复杂的光学计算发现，DBR光栅可以使「不纯的入射光(波长范围较大)」变成「较纯的反射光或穿透光(波长范围较小)」，如图(b)所示，换句话说，DBR光栅的主要功能就是「使光变纯(波长范围变小)与控制光的反射与穿透比率」，激光二极管(LD)的光很纯，发光二极管(LED)的光不纯，显然激光二极管内一定有DBR光栅的结构，当然LED为了增加亮度，也有在研磨抛光蓝宝石背面之后镀上DBR反射层，可以增加2~3%的亮度。
1.3 光的反射折射与折射率
- 我们小时候都有做过光的反射与折射实验，尤其是筷子在水里面感觉好像被折了一段一样原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厉害，原因是光在介质的速度变慢了，介质的折射率大小，与光在介质中的速度成反比，光在介质中的速度(v)愈大，则介质的折射率(n)愈小；光在介质中的速度(v)愈小，则介质的折射率(n)愈大。
实验证实光在介质中的速度(v)依次为：v(气体)＞v(液体)＞v(单晶固体)＞v(非晶固体)。所以光在介质的折射率(n)依次为：n(气体)＜n(液体)＜n(单晶固体)＜n(非晶固体)。
1.4 远场图 (FFP：Far Field Pattern)
- 远场图（FFP）：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
- FFP平行发散角：与PN结平行
- FFP垂直发散角：与PN结垂直
1.5 APC驱动器
- APC：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。
- APC驱动器（电路）：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）。
2. Laser Diode
- 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
2.1 激光二极管的发光示意图
2.2 LD封装
2.3 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。
- I-L特性表示正向电流 (
) 和光输出 (
) 的关系，可读取阈值电流 (
) 和工作电流 (
)
| 项目 | 符号 | 定义 |
|---|---|---|
| 阈值电流 | [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，开始激光振荡的电流值是阈值电流 | |
| 工作电流 | 是发出规定的光输出时需要的正向电流 | |
| 工作电压 | 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 | 是规定的光输出下的内置光电二极管的输出电流 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 |
-
测试示意图
2.4 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。
2.5 像散差 (As)
- 激光二极管接合部在垂直方向和水平方向上外观的焦点位置不同。将这2个焦点间的距离定义为像散差 (As)。
2.6 激光的谐振效应(Resonance)
- 激光的发光区就是它的「谐振腔(Cavity)」，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，如下图所示，使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大，一般激光二极管的两片镜子就是用DBR镀膜来控制谐振腔的谐振效应。
2.7 基本概念
- 工作原理：
半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：
式中：h—普朗克常数； c—光速； Eg—半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。
- 光辐射分类：
- 自发辐射(Spontaneous emission)：处于高能态的粒子自发向低能态跃迁
- 受激辐射(Stimulated Emission）：处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁
- 受激吸收(Absorption)：处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁
- 产生激光的三个条件：
- 实现粒子数反转：产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。
- 满足阈值条件：只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件：
（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数），才能输出稳定的激光。 - 满足谐振条件：激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф =2qπ (q=1、2、3、4)。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则
Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，
上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。
2.8 输出光功率特性
2.9 LD应用
2.10 水平和垂直发散角
- 发散角：表示能量的集中程度，决定于Lens的收敛效果等因素
- 水平发散角：Parallel divergence angle
- 垂直发散角：Perpendicular divergence angle
2.11 基本特征
- 光斑(Profile)：表征能量的空间分布
- 起始电流Ith(Threshold current)：是LD足以激发光功率的门坎值
- 工作电流Iop(Operating current)：是LD位于工作点的直流电流
- 工作点斜率（Differential efficiency）：表示功率随电流变化的快慢
- 发散角(Divergence angle)：表示能量的集中程度，决定于Lens的收敛效果等因素
2.12 光轴的偏移
3. VCSEL
- 以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED（发光二极管）和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。
- VCSEL光源可调变频率就达数GHz，传输速率自然也有Gbps等级。虽然传统LD也有上述性能，但价格较为昂贵，且发光的效率远差于VCSEL。另外VCSEL所需的驱动电压和电流很小，使得寿命有千万小时以上，为其他光源的100倍以上。
- 小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形系统,现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；
- 腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；
- 出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；
- 最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低
3.1 VCSEL特性
- 由于正面发光，可制造一维或二维阵列模组
- 激发出的光束发散角小、呈圆锥形
- 易与光线耦合，且可调频率高
- 驱动电流低、输出功率高
- 与边发射激光（EEL:Edge Emitting Laser）相比，由于EEL半导体的制造技术是沿着基板的结晶平面劈开而形的镜面层，Laser共振和光线由晶粒边缘激发出来，因此EEL镜面的反射性能决定于其劈裂的品质；而VCSEL却省去了这个困扰。
- VCSEL诱人之处：有像LED便宜的价格，以及如同Laser Diode的性能。
- LED虽然便宜，但其可操作的频率受限，今传输速度仅能达600Mbps, 且传输距离也仅有500m；而VCSEL可调频率达GHz, 传输速度达Gbps。
- LD也有VCSEL的性能，但价格较高，且发光的效率远低于VCSEL
- VCSEL的驱动电压和电流很低，使得其寿命有1000万小时以上，是其它淘汰的100倍以上
- VCSEL发出的光点大小适中，比LD（EEL）大，比LED小
- VCSEL芯片相比边射型激光二极管(LD/EEL)，工艺比较简单
- 面射型激光二极管VCSEL与LED工艺很相近，但是两个特殊工艺与LED区别较大，一个是DBR反射层形成共振腔镜面的工艺技术，另一个就是限制电流的氧化技术。
3.1 VCSEL光特性
3.2 高频调制
4. 基本参数
- 阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流
- 工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要
- 垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右
- 水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~ 10˚左右
- 监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流
参考：
1）https://www.rohm.com.cn/electronics-basics/laser-diodes/ld_what6