激光二極管包括單異質結(SH)、雙異質結(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點，是市場應用的主流產品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優(yōu)點，但其輸出功率小(一般小于2mW)，線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。

一是處于高能態(tài)的粒子自發(fā)向低能態(tài)躍遷，稱之為自發(fā)輻射;二是處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為受激輻射;三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來光的能量向高能態(tài)躍遷稱之為受激吸收。

即使是兩個同時從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子，它們發(fā)出光的相位、偏振狀態(tài)、發(fā)射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，發(fā)出在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任何的受激發(fā)光系統(tǒng)，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢，才能把外來光放大而發(fā)出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢，只有粒子的平衡態(tài)被打破，使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)(這樣情況稱為粒子數(shù)反轉)，才能發(fā)出激光。

產生激光的三個條件是：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉，在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。為了獲得粒子數(shù)反轉，通常采用重摻雜的P型和N型材料構成PN結，這樣，在外加電壓作用下，在結區(qū)附近就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉—在高費米能級EFC以下導帶中貯存著電子，而在低費米能級EFV以上的價帶中貯存著空穴。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉是產生激光的必要條件，但不是充分條件。要產生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡，激活物質所發(fā)出的受激輻射光在兩個反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內的各種損耗，即滿足一定的閾值條件：P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1(P1、P2是兩個反射鏡的反射率，G是激活介質的增益系數(shù)，A是介質的損耗系數(shù)，exp為常數(shù))，才能輸出穩(wěn)定的激光，另一方面，激光在諧振腔內來回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。時，才能在輸出端產生加強干涉，輸出穩(wěn)定激光。設諧振腔的長度為L，激活介質的折射率為N，則Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。

一、激光二極管的原理

激光二極管基于受激輻射發(fā)光，能發(fā)射出直徑微小、高度定向和相干性強的光束。1962年，科學家Robert N. Hall和Nick Holonyak Jr.成功發(fā)明了激光二極管。得益于在活性區(qū)的電流“注入”，這些設備實現(xiàn)了“激光”條件，并成功輻射出光子。激光二極管符號表示中有別于普通PN結二極管的地方在于它包含了一個未摻雜的本征活性區(qū)域。

二、激光二極管的結構和工作原理

激光二極管的工作原理依賴其內部的PIN結構——兩端分別是P型與N型半導體，中間是未摻雜的本征半導體。當正向偏壓時，電子和空穴被注入活性區(qū)，電子從導電帶跳至價帶與空穴復合，釋放出光子。

這個過程涉及三種輻射機制：吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。自發(fā)發(fā)射是自然復合產生的發(fā)光，而受激發(fā)射則是電子在光子作用下從更高能級躍遷至更低能級時產生的，每個入射光子能誘導出兩個同相位、同波長的光子。

三、激光二極管的應用

激光二極管廣泛應用于電力電子領域。在光電場景如激光打印、光盤讀寫、光纖通信以及自動化傳感器中起著不可或缺的作用。此外，它們在電力器件控制(如IGBT與MOSFET的驅動電路)、EDS及無掩膜光刻等半導體制造技術中發(fā)揮著關鍵性能。

四、優(yōu)勢與不足

激光二極管提供了810至1064納米波長范圍的豐富選擇，同時具備快速響應、高量子效率等多項優(yōu)勢。盡管激光二極管存在對溫度和光反饋敏感、高增益電流下帶隙收縮以及與LED相比成本較高等局限，但其整體性能令其在高精度應用中顯著優(yōu)于LED。

五、激光二極管與LED的區(qū)別

不同于LED依靠自發(fā)發(fā)射，激光二極管通過電流和電壓引發(fā)受激發(fā)射，產生的光輸出既均勻又相干。在激光二極管的輔助下，實現(xiàn)了精細控制的光學應用，而LED則適用于一般照明及指示裝置。

通過對激光二極管的技術深入分析可知，它在現(xiàn)代電力電子和通信領域中的作用日益重要。雖然激光二極管的成本相對高昂，但在高端精密的應用中，其性能優(yōu)勢明顯，預計在未來的光電子行業(yè)中將持續(xù)發(fā)揮巨大潛力。