神奇的激光二极管

十四、神奇的激光二极管

发光二极管尽管价格便宜，但发出的光谱线较宽，方向性也不太好，遇上高速和远距离光纤通信，就力不从心了。

之所以如此，是因为发光二极管工作原理，它源于电子的自发辐射。由于是高能态电子的自发行为，就和社会中群众的自发行为一样，没有太明确的方向性和严格组织性。这样发出谱线较宽、方向性也不太好的光便是理所当然了。

有没有什么解决的方法呢？

群众运动，如果有了引路人，通过帮助、串连、领导，组织性和方向性就会加强。

同理，在半导体中是存在另一种有组织的电子辐射的。

当一个合适的光子照射到半导体上，就会激发高能态上的电子朝着低能态跃迁，从而辐射出另一个光子来，这称之为受激辐射。

值得说明的是，在这种受激情况下辐射出来的光子，其波长、方向都与原先那个光子一模一样。换言之，原先一个光子变成两个，光信号增强了一倍。就好比群众运动中“一帮一”式的发展。“帮”的结果，原先一个同志变成两个了。

再考虑一下，如果我们能让这两个光子，再去照射半导体，引起另外两个电子的受激辐射。那么，随着两个电子的跃迁，又会辐射出两个具有相同波长、方向性的光子。这样，光信号就增强为原先的四倍。

重复这个步骤，四变八，八变十六……我们最后就可以让它们形成功率非常强的光信号。好比在群众中“真理”的传播那样，星星之火可以燎原。由于它们都是由最初的少数光子激发而来的，因此方向性和波长的一致性都很好。这种由受激辐射产生的光信号，就被称为激光。

下面我们来看看在光纤通信中，制造激光的光源器件——激光二极管（LD）的结构。

相比发光二极管，激光二极管增加了一个结构部分——谐振腔。它由两个反射界面组成，作用是把经过半导体的受激辐射得到加强的光信号再重新反射回去，再次从同一方向照射半导体。

工作中，电流源源不断地给半导体的高能态提供很多电子，同时，照射过来的光信号，使得这些电子发生受激辐射，从而加强了光信号（理论上增强一倍）。受到加强的光信号经过反射，再次照射半导体，使得更多的电子发生受激辐射，又使得光信号得到更多的增强……如此往返循环，就能产生出功率很强大，同时方向性很好，谱线很窄的光信号来（图6-14）。

图6-14　固体激光器示意图

正因为激光的功率强大，方向性好，在科幻作品的战争中经常出现激光枪、激光炮等，这也正在由各国军事科学家把它变成了现实。就我们通信而言，这种功率强、方向集中，而且光色单一，包含的光波跨度小的光信号，在我们的光纤传输系统中，也有着得天独厚的优势。尤其在高速的通信和远距离通信中，更是起着无可替代的作用。不过相对于LED来说，它的价格比较昂贵，制作也较为复杂。