激光二极管（半导体激光器）是一种利用半导体pn结将电流转换成光能并产生激光的电子器件。激光二极管具有优异的指向性和直进性，作为一种容易控制能量的光源，被广泛应用于光通信、医疗、感测、数据存储和休闲娱乐等领域。其基本原理是利用电子和空穴复合时产生的光。目前市场上已有不同波长和输出特性的众多产品。本文将详细介绍激光二极管的基本原理、结构、材料、种类和应用。 什么是激光二极管？ 激光二极管（Laser Diode）也被称为“半导体激光器”。“激光”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。自然光和LED光即使波长恒定，其相位差不恒定，波形也不整齐。而激光是仅放大特定波长的“相干（coherent）”光。相干光源因其相位差恒定、波形一致，可利用干涉使焦点非常小（数um~），从而可用于光开关和光调制等各种应用中。 历史与发展 激光二极管的历史始于1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦首次将“受激辐射”现象形成理论，奠定了所有激光技术的基础。后来，德国人约翰·冯·诺依曼于1953年在一份未发表的手稿中描述了半导体激光器的概念。1957年，美国人戈登·古尔德提出可以利用受激辐射现象来放大光，并将其命名为“LASER（受激辐射光放大）”。就这样，随着各国科学家对激光器的研究不断取得进展，1962年同质结结构的砷化镓（GaAs）半导体激光器问世，相干光技术得到实际验证，同年，可见光振荡也获得成功。然而，这个时代的半导体激光器存在室温下连续振荡方面的课题。1970年，双异质结构的发现使得室温下的连续振荡成为可能。1970年代之后，半导体激光器技术迅速发展，并被广泛应用于各个领域。 激光二极管的发光原理 激光二极管是一种能发射特定波长激光的半导体器件。其基本结构由p型半导体和n型半导体组成的pn结、发射光的有源层、以及反射光的有涂层的镜面组成。激光二极管的发光原理是当电流流动时电子和空穴复合，此时辐射出的光子在有源层内被放大，并在谐振器内被反射，形成激光。我们先来了解一下激光二极管和LED共有的“发光半导体”的基本结构和发光原理。 二极管的基本结构和材料 半导体是导电性能介于导电的“导体”和不易导电的“绝缘体（非导体）”之间的物质。导体包括铁、金等金属物质，绝缘体包括橡胶、玻璃等物质。半导体可以通过使其导电或不导电来控制电流。另外，在某些使用方式下，还可以在光能和电能之间进行能量转换。 通常，二极管的元件主要由硅（Si）制成。硅（Si）是最典型的半导体材料。硅以“硅石（SiO2：主要成分是二氧化硅的石头”的形式存在于自然界中，是一种资源丰富的材料。因其易于加工而被广泛应用于很多半导体产品中。 硅（Si）作为半导体材料，本来是绝缘体，几乎没有作为载流子的自由电子。因此，通过向硅（Si）中添加其他杂质来提高硅（Si）中的载流子浓度，从而提高其电导率。像这样通过添加杂质来增加载流子的半导体被称为“杂质半导体”。载流子包括自由电子和自由空穴，其中使自由电子载流子增加的半导体称为“n型半导体”，使自由空穴载流子增加的半导体称为“p型半导体”。 * p型半导体（+：positive，空穴多的半导体）、n型半导体（-：negative，电子多的半导体） 二极管的元件是p型半导体和n型半导体连接的结构，称为“pn结”。p型半导体的引脚称为“阳极”，n型半导体的引脚称为“阴极”，电流是从阳极流向阴极的。 二极管的发光原理 当给pn结元件施加正向电压时，空穴（正）和电子（负）向结点方向移动并结合。此时产生的多余能量会被转化为光能，从而实现发光。这种现象称为“复合发光”。 下面我们使用pn结的能带图来说明此时载流子的移动情况。（左）表示未对pn结施加偏压的状态，（右）表示对pn结施加正向偏压的状态。当施加正向电压时，pn结处的能量势垒高度降低，n型区中的多数载流子（电子）如图所示穿过能量势垒并移动到p型区，与p型区的多数载流子（空穴）复合。此时，多余的能量会以光的形式释放出来。另一方面，p型区中的空穴移动到n型区并与n型区中的多数载流子（电子）复合，同样，多余的能量会以光的形式释放出来。 如图所示，导带和价带的能级存在差异，这种能量差称为“带隙”。另外，电子越过带隙从导带迁移到价带称为“电子跃迁”。也就是说，当电子从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带并与空穴复合时，相当于其带隙的能量将以光子（光）的形式被释放出来。这就是半导体发光的原理。 激光二极管的材料、波长和发光颜色 激光二极管是一种利用半导体材料实现发光的器件。激光二极管的性能和特性会因所选的材料而有很大不同。普通的二极管会使用硅，但激光二极管会使用化合物半导体，因此其发光效率更高。激光二极管的选材会直接影响其波长、发光效率、工作温度等诸多特性。 下面，我们来详细了解一下激光二极管所用的化合物半导体的作用及其特点。 化合物半导体的作用 普通的二极管元件会采用“硅（Si）”这种材料，而激光二极管元件则使用“化合物半导体”材料。硅（Si）的发光跃迁概率（电流转变为光的概率）较低，几乎不发光，因此不适合用作激光二极管和LED等发光器件的材料。 像激光二极管和LED这类发光的半导体称为“直接跃迁型半导体”，不发光的半导体称为“间接跃迁型半导体”。在半导体中，电子会从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带。此时的电子跃迁有“直接跃迁”和“间接跃迁”两种，具体取决于半导体材料。下图是间接跃迁和直接跃迁示意图。纵轴表示能量，横轴表示波数k。 A）发光的半导体“直接跃迁型半导体”（左图） 导带底和价带顶对应相同波数k（电子波的空间振动状态）的半导体称为“直接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k保持不变。也就是说，导带中被激发的电子将能量差——带隙Eg以光子（光）的形式释放出来，并跃迁到价带，与空穴复合。这可以获得很高的发光效率，从而被用作激光二极管和LED的材料。直接跃迁型半导体包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP、GaN/InGaN等半导体。这种以多种元素为材料的半导体称为“化合物半导体”。特别是III族和V族元素相结合的III-V族化合物半导体，被广泛应用于激光二极管和LED等发光器件。 B）不发光的半导体“间接跃迁型半导体”（右图） 导带底和价带顶对应不同波数k的半导体称为“间接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k会发生变化。这种变化是由于声子（晶格振动的量子）的发射和吸收引起的，其能量会以热量的形式被释放出来。光子（光）的吸收和声子的吸收/发射需要同时发生。光子的发射对应的跃迁概率（发光跃迁概率）较低，发光效率较差，因此这种半导体不能用作发光器件。间接跃迁型半导体有Si和Ge。 波长范围和调整方法 激光二极管和LED材料——化合物半导体，会根据其材料的组成和比例而发出各种波长的光（红色和绿色等可见光、红外光、紫外光等）。基本发光波长取决于有源层——半导体的载流子（激发态的电子和空穴）复合时的带隙能量。 带隙能量（Eg）和波长（λ）之间的关系可以用下列公式来表示：Eg=hν=hc/λ（h：普朗克常数，ν：光子的振动频率，c：光速） 从这个关系式可以看出，带隙能量（Eg）与波长（λ）成反比。也就是说，带隙能量越大，光的波长λ越短。 激光二极管和LED等所用的化合物半导体是通过在半导体材料（衬底）上外延生长pn结的薄膜结晶而制成的。为了堆叠出良好的薄膜晶体，半导体衬底和各结晶层的晶格常数最好要匹配，而且，在选择材料时，不仅要考虑带隙能量，还需要考虑到晶格常数。 上图显示了以III-V族化合物半导体为主的晶格常数与带隙能量（=波长）之间的关系。带隙能量大的材料往往晶格常数小，反之，带隙能量小的材料往往晶格常数大。从该图可以看出，理论上，III-V族化合物半导体可以支持包括紫外光、可见光和红外光在内的广泛波段。例如，该图表明，当在GaAs衬底上生长GaInP的pn结时，晶格常数匹配良好，并且可以获得约650nm的发光波长。 发光颜色与波长的关系 LED可以在很宽的波长范围内发光，单色性好的激光二极管则不同，可发出波长几乎恒定的光。世界上有各种波长的激光，其中肉眼可以看到的波长的光被称为“可见光”。其代表性的波长如下： 可见光（人眼可以看见的光的范围） 材料和发光颜色 激光二极管（半导体激光器）的主要材料如下： 砷化镓（GaAs） : 最常见的激光二极管材料，能够支持很宽的波长范围。半导体制造技术非常发达，可实现高性能。 氮化镓（GaN） : 以开发出高效率的蓝光LED和高输出UV LED而闻名。 磷化铟（InP） : 被用于高速通信应用和近红外激光二极管。 激光二极管的制造工艺通常使用化学气相沉积（CVD）和被称为“分子束外延（MBE）”的技术。利用这些技术，可以生长质量非常高的膜层，从而能够制造出高精度的半导体激光器。另外，激光二极管的发光波长和输出功率可以通过半导体材料选择和制造工艺微调来控制。 激光二极管振荡原理 至此，我们已经介绍了激光二极管和LED共有的“发光半导体”的结构和材料。那么，激光二极管和LED之间有哪些不同呢？“激光（LASER）”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。顾名思义，激光的基本条件是受激辐射而放大的光，这一点与LED不同。接下来，我们将介绍激光二极管振荡的原理——光的“受激辐射”和“放大”。 受激辐射光放大 在前面提到过，在半导体中，当电子从导带跃迁到价带并与空穴复合时，其能量将以光的形式释放出来。发光方式有“自发辐射”和“受激辐射”两种。“自发辐射”是导带中的电子在彼此不相互作用的前提下分别与价带中的空穴复合并发光，一次复合辐射出一个光子。 正如前面提到的，光的波长取决于半导体中载流子复合时的带隙能量大小。然而，在实际的复合中，具有与带隙能量不同的较大能量的电子会与价带中的空穴复合，因此自发辐射的光具有随机的光子方向和相位。 而“受激辐射”中，当相当于导带和价带之间的带隙能量Eg的光λ1通过时，导带中的电子因与光的相互作用被激发，并跃迁到价带的基态。此时，会发射出能量（波长）相同、相位相同的光（光子）。最初只有一个光子，现在变成两个，这两个光子进一步激发导带的电子，变为四个光子……就这样，通过受激辐射不断增加，形成波长和相位相同的强光。以上就是激光的受激辐射产生原理。 光学谐振器 受激辐射具有光放大作用，要想实现激光振荡，就需要提高因该放大作用而获得的增益。因此，激光二极管采用的是两个反射面（镜面）彼此面对面放置，使光在它们之间反复往复的结构。这种光放大介质两侧具有平行反射面的结构称为“法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振器”，谐振器内部称为“谐振腔”。这种谐振器在大多数激光器（不仅仅是半导体激光二极管）的激光振荡中都发挥着重要作用。 但是，仅仅通过谐振腔使光往复，并不能让光发射到激光二极管外部。所以，为了使光从反射面射到外部，需要降低某一反射面的反射率，也就是需要反射一部分光并让另一部分光穿透过去。将反射面的反射率（或透射率）设置到最合适，是有效提高激光二极管发光效率的一个非常重要的因素。光在谐振腔内往复，当光被充分放大并达到一定强度时，就会穿透反射率较低的反射面。这就是激光振荡的原理。 通常，激光二极管采用将半导体的解理面用作反射面、光从解理面射出的结构。具有这种结构的激光二极管称为“边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）”。 激光二极管的结构（光限制、载流子控制） 为了实现发光效率高的、实用的激光二极管，迄今为止，已经研究了多种结构。“光和载流子的限制”是有效提高激光二极管发光效率的重要因素。首先，我们来了解一下光限制的基本原理——光波导。 光波导 光具有容易被限制在高折射率部分的性质。在光波导中，光传播的部分称为“纤芯”，其周围的部分称为“包层”。纤芯的折射率n2高于包层的折射率n1，由于折射率的差异，光被限制在纤芯中。光在纤芯和包层之间的界面上反复进行全反射的同时向前传播。 利用这种光波导的例子之一是“光纤”。光纤由“纤芯”（负责光信号的传输）及其周围的“包层”以及表面涂层组成。由于包层使用的是折射率低于纤芯的材料，因此光被限制在纤芯内，并呈锯齿形路线在纤芯内向前传播。光的这些性质也被用于激光二极管的器件结构中。 双异质结 结构 为了有效提高光提取效率（提高发光效率），LED和激光二极管所用的半导体采用的是双异质结结构。通常，由不同材料组成的结称为“异质结”，具有两个异质结称为“双异质结”。双异质结呈三明治型结构，称为“有源层”的半导体层被夹在称为“包层”的n型和p型半导体之间。“有源层”是带隙能量较小的、关键的发光半导体，“包层”是带隙能量比有源层大的半导体。 双异质结构有“光限制”和“载流子限制”两种作用。 光限制:通过使用折射率高的层作为有源层，使用折射率低的层作为包层，可以像光纤一样将光限制在中央的有源层区域。 载流子限制: 另外还可以将载流子（电子和空穴）限制在有源层内。下面我们使用双异质结的能带图来介绍其具体作用。 在上图中，左侧是未向双异质结施加偏压的状态。 n型包层中存在很多电子，但有源层和n型包层之间有能量势垒，另外由于带隙差，有源层和p型包层之间也存在能量势垒。因此，电子不能进入有源层，而是滞留在n型包层中。而空穴则由于有源层和p型包层之间没有能量势垒而能够进入有源层。 右图表示对该结构施加正向电压时的状态。 n型包层中的电子由于能量势垒消失而可以移动到有源层。但是，由于带隙差，有源层和p型包层之间的能量势垒仍然存在，因此电子会被阻挡并滞留在有源层中。来自p型包层的空穴也同样滞留在有源层中。来自n型包层的电子和来自p型包层的空穴会在有源层内复合发光。这种结构可将载流子（电子和空穴）限制在有源层中，载流子的密度会非常高，从而使复合率变高。这种效应称为“载流子限制效应”。利用这种效应，可以制造出发光效率高的半导体。 光限制和载流子控制 激光二极管元件的基本结构是双异质结构。整个p型面和n型面附有电极的激光器称为“广域激光二极管（Broad area laser，大面积激光二极管）”。在这种结构中，电流的流动范围很宽，因此激光会从有源层的较宽范围发射出来。这种结构需要非常大的电流，不适合实际应用。针对这种情况，业内设计出使电流仅注入到部分有源层的条型结构激光器。其中，“内部条形激光器”是主流产品，这种激光器在有源层周围嵌入了折射率比有源层低的层。与光纤的原理相同，光会被限制在有源层中。 采用这种结构的激光器，振荡模式稳定，实用性强，因此目前大多数激光二极管都采用这种结构。 也就是说，激光二极管的有源层结构不仅使光由于双异质结在垂直方向上被限制，还由于嵌入条形结构而在水平方向上被限制。通过这样的结构设计，高发光效率的激光二极管得以投入实际应用。 目前，为了进一步提高发光效率，将多个有源层堆叠在一起的“堆叠式激光二极管”已经投入实际使用，相关的产品也越来越多样化。这也使激光二极管的应用范围非常广。以往，激光二极管的主要市场是CD和DVD等光盘的提取、激光打印机和MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）的感光等应用；如今，还被用作光学传感器的光源，并且市场需求在不断扩大。特别是近年来，随着数百瓦级的高输出激光二极管的开发，还有望用作汽车自动驾驶所需的LiDAR光源。 激光二极管与自然光和LED光的区别 激光二极管（半导体激光器）和LED都是使用了半导体元件的光源，它们产生光的机制相似。两者的区别在于是否发生“受激辐射”。LED产生的光会直接发射出来（自发辐射），而半导体激光器的发光属于“受激辐射”，利用谐振结构，使自己产生的光在有源层内往复并放大，最终形成相位一致的更强的光。以这种方式发射的激光与LED光和自然光相比，具有以下特性： 1. 指向性和直进性好 LED和自然光的波长、相位和方向是随机的，因此光容易向各个方向分散。而激光则传播方向非常集中，指向性非常高。这是因为半导体激光器的原理使其能够产生波长相同、相位相同、集中在同一方向的光，因此即使距离光源很远，光也几乎不会扩散，仍然会保持一个方向、保持强光直线向前发射。这种特性是激光二极管得以用在众多应用中的原因之一。 2. 单色性好 激光二极管发出的光具有单色性好、波长窄、即使通过棱镜也很难被分解的特点。这是因为激光的波长、相位和方向相同。因此，可以有效产生特定波长的光，从而实现明亮且色彩复现性高的光。从下图也可以看出，与LED光相比，激光集中在特定的波长上。 而太阳光等自然光是各种颜色波长的混合体，因此通过棱镜时会被分解成七种颜色的光。LED光的波长范围也很宽，而波长范围宽会使光的强度将低。 使用棱镜进行分光 由于激光的单色性好，适用于需要特定波长的光学检测和激光治疗等领域。 3. 相干性好，能量密度高 激光的相干性优异，因此多束激光可以相互干涉并形成更强的光。这是因为激光的波长恒定，而该波长的光是相位相同的“相干光”。多个激光二极管发出的光彼此相位一致，因此当光重叠时会相互放大。 而LED和自然光则因为含有多个波长的光，而且这些波长的光相位不同，所以当光重叠时，不会相互干涉并变强。另外，由于激光的方向和相位非常一致，因此聚光性优异，更容易将光能集中在一个方向上。例如，当太阳光通过透镜聚光时，其能量可以燃烧纸张，而激光因为能量更集中，所以甚至可以达到熔化金属的高能量密度。 激光二极管的种类 激光的种类 激光被广泛应用于医疗、工业、通信等领域，根据其介质材料的不同，激光可分为几类。除了本文中介绍的激光二极管外，还有以下几种： 固体激光器：采用固体材料（半导体除外）作为激光介质的激光器，代表性的产品有红宝石激光器和YAG激光器。红宝石激光器是世界上最早的激光器。波长为1064nm的YAG激光器是以矿石为介质的，已被广泛应用于金属加工等工业应用。通常，即使激光介质都是固体的，但采用半导体材料的激光器因其性质有很大不同而被归类为激光二极管。 液体激光器：采用液体作为激光介质的激光器，根据所使用介质的特性主要被分为“有机染料激光器”、“有机螯合物激光器”、“无机激光器”三种。其中具有代表性的是“有机染料激光器”，它使用有机染料（将染料分子溶解在有机溶剂中制成）作为介质，是一种可以通过溶解在有机溶剂中的染料分子连续选择波长（包括可见光）的“波长可调谐激光器”。这种激光器被广泛应用于光谱测量和分析等理学领域。 气体激光器：采用气体作为激光介质。与其他激光器相比，具有激光介质均匀且损耗少、输出功率高的特点。具有代表性的气体激光器之一是二氧化碳激光器（CO2激光器），因其输出功率高且适用于各种材料的加工和焊接而在工业领域中得到广泛应用。另外，还作为激光手术刀被用于医疗领域。 激光二极管（半导体激光器）的种类 激光二极管可以根据光的发射方向进行分类。 边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）:采用将半导体的解理面用作反射镜、使光从解理面发射的结构。 面发射激光器（SEL：Surface Emitting Laser）：采用使光从半导体衬底表面垂直发射的结构。 垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）：在半导体衬底表面的垂直方向上形成光学谐振腔，发出的激光束与衬底表面垂直。具有阈值电流小、能以低电流高速调制、温度稳定性好等特点，被广泛应用于光通信和传感器领域。 垂直腔面发射激光器 这些不同种类的激光二极管具有不同的特性，目前已根据它们的特性广泛应用在各种用途中。 激光二极管的封装 目前，激光二极管使用较多的封装形式是CAN封装，这种封装具有圆柱形的金属机身，前端有出光口。通常具有以下特点： 激光二极管的封装：CAN封装示例 激光二极管的封装：框架封装示例 外形尺寸：直径3.8mm～5.6mm，高度2.5mm～6mm。行业标准尺寸5.6mmφ CAN型封装是主流产品。在Quad Beam LD和部分通信系统中，会使用诸如9.0mmφ的较大尺寸产品。在注重成本的光盘领域，也使用框架采用树脂材质的产品。 机身材质：通常采用黄铜、不锈钢、铝等金属。出光口：前端有一个很细的窗口，激光从该窗口射出。出光口通常由硅或玻璃制成，直径范围约100μm～500μm。在注重成本的应用中，也会使用不带盖玻盖片的产品。 引脚排列：CAN封装通常有2个或3个引脚。如果是2个引脚，引脚分别用于激光二极管和PIN光电二极管；如果是3个引脚，则添加了温度感测用的引脚。 近年来，市场上也销售表贴型封装和裸芯片产品，预计激光二极管的应用领域会进一步扩大。 激光二极管的寿命 激光二极管的平均寿命取决于工作环境（使用温度、静电、电源噪声等），通常认为在正常条件（外壳温度25℃）下可连续点亮约10,000小时。如果使用时的工作温度高，会使使用寿命缩短，另外静电放电（ESD）也会导致故障。此外，电源产生的浪涌和噪声也可能会损坏激光器元件。 要想长期使用激光二极管，采用散热器等散热措施、充分的防静电和防浪涌措施、使用噪声滤波器、将输出控制在所需要最低限度等措施，都可以有效延长使用寿命。 激光器发射的光具有很高的功率密度，如果使用不当，即使很小的发射量，也可能会对人体造成伤害，非常危险。因此，使用前必须采取充分的安全措施。 激光二极管的应用 1. 光盘（CD、DVD、BD） 在CD、DVD、BD等被称为“光盘”的数字存储介质中，激光二极管可用于光学拾音器（用于播放和存储数据的装置）。可利用激光可读取（播放）音乐、视频等数据，反之还可以写入（存储）信息。 可利用激光来检测是否存在轻微的凹凸，并将其转换为声音和视频等电信号。CD主要使用红外激光器，DVD主要使用红光激光器。蓝光光盘和下一代DVD的拾音器主要使用蓝光激光器，因为波长越短，激光束越窄，就可以保存和播放更多的信息。 光盘应用示例 光的波长 2. 激光打印机、MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）等 聚光性优异的激光二极管适用于激光打印机和多功能打印机的感光应用。通过照射感光鼓将信号转移到纸上。激光打印机的打印速度快、打印质量好，因而被广泛应用于需要大量印刷的商业用途。 3. 光通信 适用波长1300nm～的红外激光器。这种激光器的功率损耗小，而且可以将大量信息转换成光信号并远距离传输，因而被用作光纤通信的光源。另外还适用于需要高速通信的无线通信系统中的光数据传输应用，在越来越需要长距离高速传输的通信领域，其精度也越来越高。 4. 激光显微镜 激光显微镜通过用激光照射对象物并检测其反射的光来观察对象物。通过使用波长比可见光短的激光，可用更高分辨率进行观察。 5. 激光笔、激光墨线仪 由于激光的直进性好，所以也适用于激光笔。另外还适用于在天花板和墙壁上标记垂直和水平的墨线仪，在建筑工地进行安装和施工时用来做标记。 6. 光学测距和3D传感器 激光二极管的线性度高，精度也高，因此还适用于光学检测。利用激光测量对象物的距离和形状的LiDAR（Light Detection and Ranging），适用于汽车的自动驾驶系统和航空测量，也适用于智能手机和AR耳机等应用。此外，在测速和引力波探测等众多领域的应用也在不断扩大。 7. 烟雾和粉尘传感器 激光二极管还可用作传感器的光源。通过激光与烟雾和空气中的微细粉尘碰撞并散射来检测是否有烟雾或粉尘。 8. 激光治疗 在医疗领域，可利用光动力效应进行疾病诊断和治疗、手术和放射治疗等，例如皮肤治疗、眼科手术、牙科治疗和内窥镜手术等，预计未来应用范围会进一步扩大。 9. 材料加工 激光二极管可以产生高输出功率的光，因此可用作金属、塑料、陶瓷等材料加工的光源。激光加工可实现高精度、高速加工，也适用于难加工材料的切割、钻孔等应用。 10. 娱乐 激光二极管还适用于现场表演、音乐会和投影映射等娱乐应用。利用激光的特性，可以打造出奇幻的演出效果。
激光二极管（半导体激光器）是一种利用半导体pn结将电流转换成光能并产生激光的电子器件。激光二极管具有优异的指向性和直进性，作为一种容易控制能量的光源，被广泛应用于光通信、医疗、感测、数据存储和休闲娱乐等领域。其基本原理是利用电子和空穴复合时产生的光。目前市场上已有不同波长和输出特性的众多产品。本文将详细介绍激光二极管的基本原理、结构、材料、种类和应用。 什么是激光二极管？ 激光二极管（Laser Diode）也被称为“半导体激光器”。“激光”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。自然光和LED光即使波长恒定，其相位差不恒定，波形也不整齐。而激光是仅放大特定波长的“相干（coherent）”光。相干光源因其相位差恒定、波形一致，可利用干涉使焦点非常小（数um~），从而可用于光开关和光调制等各种应用中。 历史与发展 激光二极管的历史始于1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦首次将“受激辐射”现象形成理论，奠定了所有激光技术的基础。后来，德国人约翰·冯·诺依曼于1953年在一份未发表的手稿中描述了半导体激光器的概念。1957年，美国人戈登·古尔德提出可以利用受激辐射现象来放大光，并将其命名为“LASER（受激辐射光放大）”。就这样，随着各国科学家对激光器的研究不断取得进展，1962年同质结结构的砷化镓（GaAs）半导体激光器问世，相干光技术得到实际验证，同年，可见光振荡也获得成功。然而，这个时代的半导体激光器存在室温下连续振荡方面的课题。1970年，双异质结构的发现使得室温下的连续振荡成为可能。1970年代之后，半导体激光器技术迅速发展，并被广泛应用于各个领域。 激光二极管的发光原理 激光二极管是一种能发射特定波长激光的半导体器件。其基本结构由p型半导体和n型半导体组成的pn结、发射光的有源层、以及反射光的有涂层的镜面组成。激光二极管的发光原理是当电流流动时电子和空穴复合，此时辐射出的光子在有源层内被放大，并在谐振器内被反射，形成激光。我们先来了解一下激光二极管和LED共有的“发光半导体”的基本结构和发光原理。 二极管的基本结构和材料 半导体是导电性能介于导电的“导体”和不易导电的“绝缘体（非导体）”之间的物质。导体包括铁、金等金属物质，绝缘体包括橡胶、玻璃等物质。半导体可以通过使其导电或不导电来控制电流。另外，在某些使用方式下，还可以在光能和电能之间进行能量转换。 通常，二极管的元件主要由硅（Si）制成。硅（Si）是最典型的半导体材料。硅以“硅石（SiO2：主要成分是二氧化硅的石头”的形式存在于自然界中，是一种资源丰富的材料。因其易于加工而被广泛应用于很多半导体产品中。 硅（Si）作为半导体材料，本来是绝缘体，几乎没有作为载流子的自由电子。因此，通过向硅（Si）中添加其他杂质来提高硅（Si）中的载流子浓度，从而提高其电导率。像这样通过添加杂质来增加载流子的半导体被称为“杂质半导体”。载流子包括自由电子和自由空穴，其中使自由电子载流子增加的半导体称为“n型半导体”，使自由空穴载流子增加的半导体称为“p型半导体”。 * p型半导体（+：positive，空穴多的半导体）、n型半导体（-：negative，电子多的半导体） 二极管的元件是p型半导体和n型半导体连接的结构，称为“pn结”。p型半导体的引脚称为“阳极”，n型半导体的引脚称为“阴极”，电流是从阳极流向阴极的。 二极管的发光原理 当给pn结元件施加正向电压时，空穴（正）和电子（负）向结点方向移动并结合。此时产生的多余能量会被转化为光能，从而实现发光。这种现象称为“复合发光”。 下面我们使用pn结的能带图来说明此时载流子的移动情况。（左）表示未对pn结施加偏压的状态，（右）表示对pn结施加正向偏压的状态。当施加正向电压时，pn结处的能量势垒高度降低，n型区中的多数载流子（电子）如图所示穿过能量势垒并移动到p型区，与p型区的多数载流子（空穴）复合。此时，多余的能量会以光的形式释放出来。另一方面，p型区中的空穴移动到n型区并与n型区中的多数载流子（电子）复合，同样，多余的能量会以光的形式释放出来。 如图所示，导带和价带的能级存在差异，这种能量差称为“带隙”。另外，电子越过带隙从导带迁移到价带称为“电子跃迁”。也就是说，当电子从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带并与空穴复合时，相当于其带隙的能量将以光子（光）的形式被释放出来。这就是半导体发光的原理。 激光二极管的材料、波长和发光颜色 激光二极管是一种利用半导体材料实现发光的器件。激光二极管的性能和特性会因所选的材料而有很大不同。普通的二极管会使用硅，但激光二极管会使用化合物半导体，因此其发光效率更高。激光二极管的选材会直接影响其波长、发光效率、工作温度等诸多特性。 下面，我们来详细了解一下激光二极管所用的化合物半导体的作用及其特点。 化合物半导体的作用 普通的二极管元件会采用“硅（Si）”这种材料，而激光二极管元件则使用“化合物半导体”材料。硅（Si）的发光跃迁概率（电流转变为光的概率）较低，几乎不发光，因此不适合用作激光二极管和LED等发光器件的材料。 像激光二极管和LED这类发光的半导体称为“直接跃迁型半导体”，不发光的半导体称为“间接跃迁型半导体”。在半导体中，电子会从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带。此时的电子跃迁有“直接跃迁”和“间接跃迁”两种，具体取决于半导体材料。下图是间接跃迁和直接跃迁示意图。纵轴表示能量，横轴表示波数k。 A）发光的半导体“直接跃迁型半导体”（左图） 导带底和价带顶对应相同波数k（电子波的空间振动状态）的半导体称为“直接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k保持不变。也就是说，导带中被激发的电子将能量差——带隙Eg以光子（光）的形式释放出来，并跃迁到价带，与空穴复合。这可以获得很高的发光效率，从而被用作激光二极管和LED的材料。直接跃迁型半导体包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP、GaN/InGaN等半导体。这种以多种元素为材料的半导体称为“化合物半导体”。特别是III族和V族元素相结合的III-V族化合物半导体，被广泛应用于激光二极管和LED等发光器件。 B）不发光的半导体“间接跃迁型半导体”（右图） 导带底和价带顶对应不同波数k的半导体称为“间接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k会发生变化。这种变化是由于声子（晶格振动的量子）的发射和吸收引起的，其能量会以热量的形式被释放出来。光子（光）的吸收和声子的吸收/发射需要同时发生。光子的发射对应的跃迁概率（发光跃迁概率）较低，发光效率较差，因此这种半导体不能用作发光器件。间接跃迁型半导体有Si和Ge。 波长范围和调整方法 激光二极管和LED材料——化合物半导体，会根据其材料的组成和比例而发出各种波长的光（红色和绿色等可见光、红外光、紫外光等）。基本发光波长取决于有源层——半导体的载流子（激发态的电子和空穴）复合时的带隙能量。 带隙能量（Eg）和波长（λ）之间的关系可以用下列公式来表示：Eg=hν=hc/λ（h：普朗克常数，ν：光子的振动频率，c：光速） 从这个关系式可以看出，带隙能量（Eg）与波长（λ）成反比。也就是说，带隙能量越大，光的波长λ越短。 激光二极管和LED等所用的化合物半导体是通过在半导体材料（衬底）上外延生长pn结的薄膜结晶而制成的。为了堆叠出良好的薄膜晶体，半导体衬底和各结晶层的晶格常数最好要匹配，而且，在选择材料时，不仅要考虑带隙能量，还需要考虑到晶格常数。 上图显示了以III-V族化合物半导体为主的晶格常数与带隙能量（=波长）之间的关系。带隙能量大的材料往往晶格常数小，反之，带隙能量小的材料往往晶格常数大。从该图可以看出，理论上，III-V族化合物半导体可以支持包括紫外光、可见光和红外光在内的广泛波段。例如，该图表明，当在GaAs衬底上生长GaInP的pn结时，晶格常数匹配良好，并且可以获得约650nm的发光波长。 发光颜色与波长的关系 LED可以在很宽的波长范围内发光，单色性好的激光二极管则不同，可发出波长几乎恒定的光。世界上有各种波长的激光，其中肉眼可以看到的波长的光被称为“可见光”。其代表性的波长如下： 可见光（人眼可以看见的光的范围） 材料和发光颜色 激光二极管（半导体激光器）的主要材料如下： 砷化镓（GaAs） : 最常见的激光二极管材料，能够支持很宽的波长范围。半导体制造技术非常发达，可实现高性能。 氮化镓（GaN） : 以开发出高效率的蓝光LED和高输出UV LED而闻名。 磷化铟（InP） : 被用于高速通信应用和近红外激光二极管。 激光二极管的制造工艺通常使用化学气相沉积（CVD）和被称为“分子束外延（MBE）”的技术。利用这些技术，可以生长质量非常高的膜层，从而能够制造出高精度的半导体激光器。另外，激光二极管的发光波长和输出功率可以通过半导体材料选择和制造工艺微调来控制。 激光二极管振荡原理 至此，我们已经介绍了激光二极管和LED共有的“发光半导体”的结构和材料。那么，激光二极管和LED之间有哪些不同呢？“激光（LASER）”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。顾名思义，激光的基本条件是受激辐射而放大的光，这一点与LED不同。接下来，我们将介绍激光二极管振荡的原理——光的“受激辐射”和“放大”。 受激辐射光放大 在前面提到过，在半导体中，当电子从导带跃迁到价带并与空穴复合时，其能量将以光的形式释放出来。发光方式有“自发辐射”和“受激辐射”两种。“自发辐射”是导带中的电子在彼此不相互作用的前提下分别与价带中的空穴复合并发光，一次复合辐射出一个光子。 正如前面提到的，光的波长取决于半导体中载流子复合时的带隙能量大小。然而，在实际的复合中，具有与带隙能量不同的较大能量的电子会与价带中的空穴复合，因此自发辐射的光具有随机的光子方向和相位。 而“受激辐射”中，当相当于导带和价带之间的带隙能量Eg的光λ1通过时，导带中的电子因与光的相互作用被激发，并跃迁到价带的基态。此时，会发射出能量（波长）相同、相位相同的光（光子）。最初只有一个光子，现在变成两个，这两个光子进一步激发导带的电子，变为四个光子……就这样，通过受激辐射不断增加，形成波长和相位相同的强光。以上就是激光的受激辐射产生原理。 光学谐振器 受激辐射具有光放大作用，要想实现激光振荡，就需要提高因该放大作用而获得的增益。因此，激光二极管采用的是两个反射面（镜面）彼此面对面放置，使光在它们之间反复往复的结构。这种光放大介质两侧具有平行反射面的结构称为“法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振器”，谐振器内部称为“谐振腔”。这种谐振器在大多数激光器（不仅仅是半导体激光二极管）的激光振荡中都发挥着重要作用。 但是，仅仅通过谐振腔使光往复，并不能让光发射到激光二极管外部。所以，为了使光从反射面射到外部，需要降低某一反射面的反射率，也就是需要反射一部分光并让另一部分光穿透过去。将反射面的反射率（或透射率）设置到最合适，是有效提高激光二极管发光效率的一个非常重要的因素。光在谐振腔内往复，当光被充分放大并达到一定强度时，就会穿透反射率较低的反射面。这就是激光振荡的原理。 通常，激光二极管采用将半导体的解理面用作反射面、光从解理面射出的结构。具有这种结构的激光二极管称为“边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）”。 激光二极管的结构（光限制、载流子控制） 为了实现发光效率高的、实用的激光二极管，迄今为止，已经研究了多种结构。“光和载流子的限制”是有效提高激光二极管发光效率的重要因素。首先，我们来了解一下光限制的基本原理——光波导。 光波导 光具有容易被限制在高折射率部分的性质。在光波导中，光传播的部分称为“纤芯”，其周围的部分称为“包层”。纤芯的折射率n2高于包层的折射率n1，由于折射率的差异，光被限制在纤芯中。光在纤芯和包层之间的界面上反复进行全反射的同时向前传播。 利用这种光波导的例子之一是“光纤”。光纤由“纤芯”（负责光信号的传输）及其周围的“包层”以及表面涂层组成。由于包层使用的是折射率低于纤芯的材料，因此光被限制在纤芯内，并呈锯齿形路线在纤芯内向前传播。光的这些性质也被用于激光二极管的器件结构中。 双异质结 结构 为了有效提高光提取效率（提高发光效率），LED和激光二极管所用的半导体采用的是双异质结结构。通常，由不同材料组成的结称为“异质结”，具有两个异质结称为“双异质结”。双异质结呈三明治型结构，称为“有源层”的半导体层被夹在称为“包层”的n型和p型半导体之间。“有源层”是带隙能量较小的、关键的发光半导体，“包层”是带隙能量比有源层大的半导体。 双异质结构有“光限制”和“载流子限制”两种作用。 光限制:通过使用折射率高的层作为有源层，使用折射率低的层作为包层，可以像光纤一样将光限制在中央的有源层区域。 载流子限制: 另外还可以将载流子（电子和空穴）限制在有源层内。下面我们使用双异质结的能带图来介绍其具体作用。 在上图中，左侧是未向双异质结施加偏压的状态。 n型包层中存在很多电子，但有源层和n型包层之间有能量势垒，另外由于带隙差，有源层和p型包层之间也存在能量势垒。因此，电子不能进入有源层，而是滞留在n型包层中。而空穴则由于有源层和p型包层之间没有能量势垒而能够进入有源层。 右图表示对该结构施加正向电压时的状态。 n型包层中的电子由于能量势垒消失而可以移动到有源层。但是，由于带隙差，有源层和p型包层之间的能量势垒仍然存在，因此电子会被阻挡并滞留在有源层中。来自p型包层的空穴也同样滞留在有源层中。来自n型包层的电子和来自p型包层的空穴会在有源层内复合发光。这种结构可将载流子（电子和空穴）限制在有源层中，载流子的密度会非常高，从而使复合率变高。这种效应称为“载流子限制效应”。利用这种效应，可以制造出发光效率高的半导体。 光限制和载流子控制 激光二极管元件的基本结构是双异质结构。整个p型面和n型面附有电极的激光器称为“广域激光二极管（Broad area laser，大面积激光二极管）”。在这种结构中，电流的流动范围很宽，因此激光会从有源层的较宽范围发射出来。这种结构需要非常大的电流，不适合实际应用。针对这种情况，业内设计出使电流仅注入到部分有源层的条型结构激光器。其中，“内部条形激光器”是主流产品，这种激光器在有源层周围嵌入了折射率比有源层低的层。与光纤的原理相同，光会被限制在有源层中。 采用这种结构的激光器，振荡模式稳定，实用性强，因此目前大多数激光二极管都采用这种结构。 也就是说，激光二极管的有源层结构不仅使光由于双异质结在垂直方向上被限制，还由于嵌入条形结构而在水平方向上被限制。通过这样的结构设计，高发光效率的激光二极管得以投入实际应用。 目前，为了进一步提高发光效率，将多个有源层堆叠在一起的“堆叠式激光二极管”已经投入实际使用，相关的产品也越来越多样化。这也使激光二极管的应用范围非常广。以往，激光二极管的主要市场是CD和DVD等光盘的提取、激光打印机和MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）的感光等应用；如今，还被用作光学传感器的光源，并且市场需求在不断扩大。特别是近年来，随着数百瓦级的高输出激光二极管的开发，还有望用作汽车自动驾驶所需的LiDAR光源。 激光二极管与自然光和LED光的区别 激光二极管（半导体激光器）和LED都是使用了半导体元件的光源，它们产生光的机制相似。两者的区别在于是否发生“受激辐射”。LED产生的光会直接发射出来（自发辐射），而半导体激光器的发光属于“受激辐射”，利用谐振结构，使自己产生的光在有源层内往复并放大，最终形成相位一致的更强的光。以这种方式发射的激光与LED光和自然光相比，具有以下特性： 1. 指向性和直进性好 LED和自然光的波长、相位和方向是随机的，因此光容易向各个方向分散。而激光则传播方向非常集中，指向性非常高。这是因为半导体激光器的原理使其能够产生波长相同、相位相同、集中在同一方向的光，因此即使距离光源很远，光也几乎不会扩散，仍然会保持一个方向、保持强光直线向前发射。这种特性是激光二极管得以用在众多应用中的原因之一。 2. 单色性好 激光二极管发出的光具有单色性好、波长窄、即使通过棱镜也很难被分解的特点。这是因为激光的波长、相位和方向相同。因此，可以有效产生特定波长的光，从而实现明亮且色彩复现性高的光。从下图也可以看出，与LED光相比，激光集中在特定的波长上。 而太阳光等自然光是各种颜色波长的混合体，因此通过棱镜时会被分解成七种颜色的光。LED光的波长范围也很宽，而波长范围宽会使光的强度将低。 使用棱镜进行分光 由于激光的单色性好，适用于需要特定波长的光学检测和激光治疗等领域。 3. 相干性好，能量密度高 激光的相干性优异，因此多束激光可以相互干涉并形成更强的光。这是因为激光的波长恒定，而该波长的光是相位相同的“相干光”。多个激光二极管发出的光彼此相位一致，因此当光重叠时会相互放大。 而LED和自然光则因为含有多个波长的光，而且这些波长的光相位不同，所以当光重叠时，不会相互干涉并变强。另外，由于激光的方向和相位非常一致，因此聚光性优异，更容易将光能集中在一个方向上。例如，当太阳光通过透镜聚光时，其能量可以燃烧纸张，而激光因为能量更集中，所以甚至可以达到熔化金属的高能量密度。 激光二极管的种类 激光的种类 激光被广泛应用于医疗、工业、通信等领域，根据其介质材料的不同，激光可分为几类。除了本文中介绍的激光二极管外，还有以下几种： 固体激光器：采用固体材料（半导体除外）作为激光介质的激光器，代表性的产品有红宝石激光器和YAG激光器。红宝石激光器是世界上最早的激光器。波长为1064nm的YAG激光器是以矿石为介质的，已被广泛应用于金属加工等工业应用。通常，即使激光介质都是固体的，但采用半导体材料的激光器因其性质有很大不同而被归类为激光二极管。 液体激光器：采用液体作为激光介质的激光器，根据所使用介质的特性主要被分为“有机染料激光器”、“有机螯合物激光器”、“无机激光器”三种。其中具有代表性的是“有机染料激光器”，它使用有机染料（将染料分子溶解在有机溶剂中制成）作为介质，是一种可以通过溶解在有机溶剂中的染料分子连续选择波长（包括可见光）的“波长可调谐激光器”。这种激光器被广泛应用于光谱测量和分析等理学领域。 气体激光器：采用气体作为激光介质。与其他激光器相比，具有激光介质均匀且损耗少、输出功率高的特点。具有代表性的气体激光器之一是二氧化碳激光器（CO2激光器），因其输出功率高且适用于各种材料的加工和焊接而在工业领域中得到广泛应用。另外，还作为激光手术刀被用于医疗领域。 激光二极管（半导体激光器）的种类 激光二极管可以根据光的发射方向进行分类。 边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）:采用将半导体的解理面用作反射镜、使光从解理面发射的结构。 面发射激光器（SEL：Surface Emitting Laser）：采用使光从半导体衬底表面垂直发射的结构。 垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）：在半导体衬底表面的垂直方向上形成光学谐振腔，发出的激光束与衬底表面垂直。具有阈值电流小、能以低电流高速调制、温度稳定性好等特点，被广泛应用于光通信和传感器领域。 垂直腔面发射激光器 这些不同种类的激光二极管具有不同的特性，目前已根据它们的特性广泛应用在各种用途中。 激光二极管的封装 目前，激光二极管使用较多的封装形式是CAN封装，这种封装具有圆柱形的金属机身，前端有出光口。通常具有以下特点： 激光二极管的封装：CAN封装示例 激光二极管的封装：框架封装示例 外形尺寸：直径3.8mm～5.6mm，高度2.5mm～6mm。行业标准尺寸5.6mmφ CAN型封装是主流产品。在Quad Beam LD和部分通信系统中，会使用诸如9.0mmφ的较大尺寸产品。在注重成本的光盘领域，也使用框架采用树脂材质的产品。 机身材质：通常采用黄铜、不锈钢、铝等金属。出光口：前端有一个很细的窗口，激光从该窗口射出。出光口通常由硅或玻璃制成，直径范围约100μm～500μm。在注重成本的应用中，也会使用不带盖玻盖片的产品。 引脚排列：CAN封装通常有2个或3个引脚。如果是2个引脚，引脚分别用于激光二极管和PIN光电二极管；如果是3个引脚，则添加了温度感测用的引脚。 近年来，市场上也销售表贴型封装和裸芯片产品，预计激光二极管的应用领域会进一步扩大。 激光二极管的寿命 激光二极管的平均寿命取决于工作环境（使用温度、静电、电源噪声等），通常认为在正常条件（外壳温度25℃）下可连续点亮约10,000小时。如果使用时的工作温度高，会使使用寿命缩短，另外静电放电（ESD）也会导致故障。此外，电源产生的浪涌和噪声也可能会损坏激光器元件。 要想长期使用激光二极管，采用散热器等散热措施、充分的防静电和防浪涌措施、使用噪声滤波器、将输出控制在所需要最低限度等措施，都可以有效延长使用寿命。 激光器发射的光具有很高的功率密度，如果使用不当，即使很小的发射量，也可能会对人体造成伤害，非常危险。因此，使用前必须采取充分的安全措施。 激光二极管的应用 1. 光盘（CD、DVD、BD） 在CD、DVD、BD等被称为“光盘”的数字存储介质中，激光二极管可用于光学拾音器（用于播放和存储数据的装置）。可利用激光可读取（播放）音乐、视频等数据，反之还可以写入（存储）信息。 可利用激光来检测是否存在轻微的凹凸，并将其转换为声音和视频等电信号。CD主要使用红外激光器，DVD主要使用红光激光器。蓝光光盘和下一代DVD的拾音器主要使用蓝光激光器，因为波长越短，激光束越窄，就可以保存和播放更多的信息。 光盘应用示例 光的波长 2. 激光打印机、MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）等 聚光性优异的激光二极管适用于激光打印机和多功能打印机的感光应用。通过照射感光鼓将信号转移到纸上。激光打印机的打印速度快、打印质量好，因而被广泛应用于需要大量印刷的商业用途。 3. 光通信 适用波长1300nm～的红外激光器。这种激光器的功率损耗小，而且可以将大量信息转换成光信号并远距离传输，因而被用作光纤通信的光源。另外还适用于需要高速通信的无线通信系统中的光数据传输应用，在越来越需要长距离高速传输的通信领域，其精度也越来越高。 4. 激光显微镜 激光显微镜通过用激光照射对象物并检测其反射的光来观察对象物。通过使用波长比可见光短的激光，可用更高分辨率进行观察。 5. 激光笔、激光墨线仪 由于激光的直进性好，所以也适用于激光笔。另外还适用于在天花板和墙壁上标记垂直和水平的墨线仪，在建筑工地进行安装和施工时用来做标记。 6. 光学测距和3D传感器 激光二极管的线性度高，精度也高，因此还适用于光学检测。利用激光测量对象物的距离和形状的LiDAR（Light Detection and Ranging），适用于汽车的自动驾驶系统和航空测量，也适用于智能手机和AR耳机等应用。此外，在测速和引力波探测等众多领域的应用也在不断扩大。 7. 烟雾和粉尘传感器 激光二极管还可用作传感器的光源。通过激光与烟雾和空气中的微细粉尘碰撞并散射来检测是否有烟雾或粉尘。 8. 激光治疗 在医疗领域，可利用光动力效应进行疾病诊断和治疗、手术和放射治疗等，例如皮肤治疗、眼科手术、牙科治疗和内窥镜手术等，预计未来应用范围会进一步扩大。 9. 材料加工 激光二极管可以产生高输出功率的光，因此可用作金属、塑料、陶瓷等材料加工的光源。激光加工可实现高精度、高速加工，也适用于难加工材料的切割、钻孔等应用。 10. 娱乐 激光二极管还适用于现场表演、音乐会和投影映射等娱乐应用。利用激光的特性，可以打造出奇幻的演出效果。
光半导体的类型 光半导体的类型如下： （1）发光器件・・・可见光LED、红外LED、紫外LED、激光二极管 （2）受光器件・・・光传感器、太阳能电池、CMOS传感器 （3）复合器件（发光元件与受光元件的组合）・・・光耦、光纤耦合器 LED的发光原理 发光二极管（LED）的发光原理是向化合物半导体的pn结施加正向电流。 当正向电流通过发光二极管时，载流子（电子和空穴）移动。p型区的空穴向n型区移动，n型区的电子向p型区移动。注入的载流子重组，重组前后的能量差将以光的形式释放出来。发射光取决于化合物半导体的能隙（Eg）。 （备注：传统的硅二极管不发光，因为重组能量变成了热能。） LED的波长范围 LED发射不同波长的紫外光乃至红外光。发射波长将通过下面采用化合物半导体材料能隙（Eg）的等式进行表示。 λ（nm）＝1240/Eg（eV） 具有较大能隙的材料发射较短的波长，具有较小能隙的材料发射较长的波长。 对于应用于电视遥控器等的红外LED，使用GaAs（砷化镓）材料；对于红色／绿色指示器LED，使用GaP（磷化镓）或InGaAlP（磷化铝镓铟）；对于蓝色LED，使用InGaN（氮化铟镓）或GaN（氮化镓）。 不同材料LED的发光颜色（按材料） 什么是光耦？ 光耦是将发光二极管（LED）和光电探测器集成于一个封装中的器件。与其它光学器件不同，光不会发射至封装外。其外观类似于非隔离器／固态继电器。虽然光耦是一种光学器件，但它不处理光，而是处理电信号。 光耦的操作示例： （1）LED接通（0⇒1）。 （2）LED光进入光电晶体管。 （3）光电晶体管接通。 （4）输出电压改变0⇒1。 （1）LED关断（1⇒0）。 （2）LED光停止进入光电晶体管。 （3）光电晶体管关断。 （4）输出电压改变1⇒0。 为什么需要光耦？ 在光耦中，原边（LED侧）和副边（受光器件侧）是电绝缘的。因此，即使原边和副边的电位（甚至GND电位）不同，也可以将原边电信号传输到副边。 如右图所示的逆变器应用中，控制单元（如微控制器）通常在低直流电压下工作。另一方面，IPM和IGBT将驱动高电压负载（比如需要200V交流电）。高压系统部件可通过耦合器直接由微控制器控制。 光耦的类型 LED用于光耦的输入。另一方面，有各种器件可用于输出。 晶体管输出 光电晶体管是一种探测器。也可使用达林顿类型。 IC输出 我们有光电二极管作为受光器件的产品、逻辑等输出产品、用于IGBT和MOSFET栅极驱动的大电流输出产品、以及隔离放大器等高功能产品。 双向可控硅／晶闸管输出 光电晶闸管或光电可控硅用于输出。它们主要用于交流线路的控制。 光继电器（MOSFET输出） 光伏阵列（光电二极管阵列）驱动MOSFET的栅极来打开／关闭输出。通过这种操作，它可以用作MOSFET输出的继电器开关。 光耦的类型（封装） 光耦必须具有符合安全标准的封装形状和介电强度。根据安全标准进行设计时，需要检查以下各项。 绝缘爬电距离 两个导体之间沿绝缘体表面的最短距离（原边和副边）。 间隙 通过空气测量的两个导体之间的最短距离。 绝缘厚度 两个导体之间绝缘体的最小距离。 隔离电压 两个导体之间的隔离电压 * 根据UL规定，即使施加1分钟也不会破坏绝缘的交流电压。 光耦的类型（内部结构） 由于要求的绝缘性能、封装尺寸和内部芯片尺寸等限制，光耦具有不同类型的内部封装结构。 单模透射型： 框架式LED和框架式光电探测器采用面对面的模压封装。LED与光电探测器之间的透光部件采用硅树脂材料。 带膜的单模透射型： 为了提高隔离电压，可在LED和光电探测器之间插入聚酰亚胺薄膜。 双模透射型： 在这种透射结构中，内模为白色，外模为黑色。红外线透光率高的树脂用于透光部件的白色模具。 反射型： 框架式LED和框架式光电探测器位于同一平面。LED光在硅树脂中反射并到达光电探测器。因此，它被称为反射型。 光耦的安全标准 将光耦安装在电气设备中以保护人体免于触电时，光耦可能需要遵守不同安全标准方面的规定。 现行有各种确保安全的法规和标准。 从设计和制造的角度来看，安全标准可分为“设定标准”和“零件标准”。 设定标准是设计和制造电视机、录像机和电源装置等设备的基础。“整机标准”根据设备类型、隔离方法及其等级、驱动电压等不同而异。 此外，绝缘部分必须保持的项目（介电强度（绝缘电压）、爬电距离、间隙等）被指定为“零件标准”。 主要安全标准 零件标准 UL1577（cUL） 隔离电压标准（1分钟） 批准组织：UL（美国保险商实验室公司） EN60747-5-5 最大工作隔离电压和最大过压标准 批准组织：VDE（德国电气工程师协会） 批准组织：TUV（技术监督协会） 整机标准 （批准组织：BSI（UK）SEMKO（瑞典）等） EN60950 电信网络设备（工作站、PC机、打印机、传真电阻器、调制解调器等）标准 EN60065 家用电器设备标准（电视、收音机、录像机等） 光耦的特性（电流传输比：CTR） 晶体管耦合器的电流传输比：它是用输出电流相对于输入电流的放大率来表示的，比如晶体管hFE。 电流传输比＝CTR＝IC/IE＝输出（集电极）电流/输入电流×100（%） 例如： 当输出是IF＝5mA时，得到IC＝10mA。 CTR＝IC /IF＝10mA/5mA×100（%）＝200% 光耦的主要特性（触发LED电流） 触发LED电流”是指“触发状态发生变化的LED电流”。 IFT, IFH, IFLH, IFLH等用作符号。 规格书中显示的触发LED电流表示了产品保证的电流值。为了稳定运行，设计人员在设计时必须保证至少有触发LED电流（最大值）流动。 输入LED电流IF从0mA逐渐增大，如果输出在1mA时切换到导通状态，则IFT＝1mA。 在下面的规格书中，将输出切换到导通状态所需的IF 最大值为3mA。 触发LED电流是电路设计和使用寿命设计的重要项目。 光耦的老化变化数据 光耦的老化变化数据 发光元件（LED）的光输出会随时间的推移而减弱。在光耦中，LED光输出的老化变化比受光器件的老化变化更为明显。因此，设计人员需要利用所采用的光耦的老化变化数据来估计发光等级的降低趋势。设计人员将根据使用设备的使用环境和LED的总工作时间来计算LED的光输出变化。必须将该值反映在LED正向电流（IF）的初始值中。 *例如，当占空比（发光持续时间）为50%，工作时间为1000小时，则计算总运行时间为500小时。 左图显示了LED光输出老化变化数据。 右图显示了LED光输出低于某一标准时的运行时间。 例如，左图中的A点和右图中的B点显示了相同条件下的老化变化。（IF＝50mA，Ta＝40℃，8000小时） 如何使用光耦 这些问题将在下一页通过以下步骤进行解释。 第1步：设计LED输入电流IF及输入侧电阻RIN 第2步：根据IF和CTR计算输出电流 第3步：设计输出侧电阻RL 第4步：检查每个设计常数 如何使用光耦“输入电流” 第1步：设计LED输入电流和输入电阻RIN。 光耦的输入电流（IF）是多少？ 它将由（1）输入电源电压（5V），（2）限流电阻（RIN）和（3）LED正向电压（VF）决定。 根据规格示例，确定限流电阻和输入电流（IF）。 RIN＝（VCC-VF）／IF＝（5V-1.3V）／10mA＝370Ω 如何使用光耦“输出电流” 第2步：根据IF和CTR计算光电晶体管的输出电流。 光耦的输出电流（IC）值是多少？ 根据电流传输比（IC／IF）计算输入电流（IF）＝10mA时输出电流（IC）的变化。从IC-IF曲线可以看出IC＝10mA（@IF＝5mA，VCE＝5V，Ta＝25℃）。所以这个样本的CTR是200%, 这与当BL最小时的值相同（200%到600%）。还可以看到IC＝20 mA（@IF＝10 mA、VCE＝5V、Ta＝25℃）。 接下来，我们用这里得到的IC值来推导RL。在这项计算中，设计RL的值，使得VCE即使在IC值最小时也成为饱和电压。 如何使用光耦“输出侧电阻器” 第3步：设计输出侧电阻RL 根据输出晶体管的IC－VCE特性确定RL。为了用于信号传输，必须完全满足连接到负载侧的器件的“L”电平。 这里，我们设置VCE＝0.3V作为目标值。 当RL＝1kΩ时，IF＝10mA，VCE＝0.9V，这无法满足目标值。当RL＝2kΩ时，VCE＝0.2V左右，这可以满足目标值。因此，选择RL＝2kΩ。在实际设计中，还必须考虑负载侧的阻抗。 如何使用光耦检查 第4步：检查每个设计常数 考虑工作温度、速度、使用寿命设计、电阻公差等是否具有足够的裕度。 温度范围 ⇒ VF，CTR，允许电流等。 负载电阻 ⇒ 开关速度，暗电流的影响等。 确认器件使用寿命 光耦的输入LED光输出会随着时间的推移而减弱。 必须确认特性满足要求，同时必须考虑器件在使用寿命目标期间的退化趋势。 光耦的老化变化可以根据输入电流（IF）和环境温度来计算。 文章转载来源网络，仅供学习使用，侵删。
1、概述\x26amp;nbsp; \x26amp;nbsp; \x26amp;nbsp;Aurora 8B/10B协议是一个用于在点对点串行链路间
本期我们来通过一个实例，详细了解机房如何做防雷接地？ 一、为什么要做防雷接地？ 计算机和网络越来越深入人们生活和工作中，同时也预示着数字化、信息化时代的来临。这些微电子网络设备的普遍应用，使得防雷的问题显得越来越重要。由于微电子设备具有高密度、高速度、低电压、和低功耗等特性，这就使其对各种诸如雷电过电压、电力系统操作过电压、静电放电、电磁辐射等电磁干扰非常敏感。如果防护措施不力，随时随地可能遭受重大损失。 二、机房防雷的必要性 雷击可以产生不同的破坏形式，国际电工委员会已将雷电灾害称为“电子时代的一大公害”，雷击、感应雷击、电源尖波等瞬间过电压已成为破坏电子设备的罪魁祸首。从大量的通信设备雷击事例中分析，专家们认为：由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲(LEMP)是机房设备损坏的主要原因。为此采取的防范原则是“整体防御、综合治理、多重保护”。力争将其产生的危害降低到最低点。 三、机房防雷接地系统设计 一、防雷设计 防雷接地系统是弱电精密设备及机房保护的重要子系统，主要保障设备的高可靠性，防止雷电的危害。中心机房是一个设备价值非常高的场所，一旦发生雷击事故，将会造成难以估量的经济损失和社会影响，根据GB50057《建筑物防雷设计规范》和IEC61024-1-1标准的有关规定，中心机房的防雷等级应定为二类标准设计。 目前大楼总配电室根据建筑物防雷设计规范，提供了第一级防雷，因此，在本工程网络中心机房市电配电柜前配置第二、三级复合防雷器。 防雷器采用独立模块，并应具有失效告警指示，当某个模块被雷击失效时可单独更换该模块，而不需要更换整个防雷器。 二三级复合防雷器的主要参数指标：单相通流量为：≥40KA（8/20μs），响应时间：≤25ns 二、接地系统设计 国家标准GB50174《计算机机房设计规范》中计算机机房应具有以下四种地：计算机系统的直流地、交流工作地、交流保护地和防雷保护地。 各接地系统电阻如下： Ø计算机系统设备直流地接地电阻不大于1Ω。 Ø交流保护地的接地电阻应不大于4Ω； Ø防雷保护地的接地电阻应不大于10Ω； Ø交流工作地的接地电阻应不大于4Ω； 1、机房室内等电位连接 在机房内设立一环形接地汇流排，机房内的设备及机壳采用S型的等电位连接形式，连接到接地汇流排上，用50*0.5铜铂带敷设在活动地板支架下，纵横组成1200*1200网格状，在机房一周敷设30*3（40*4）的铜带，铜带配有专用接地端子，用编织软铜线机房内所有金属材质的材料都做接地，接入大楼的保护地上。 工程中的所有接地线（包括设备、SPD、线槽等）、金属线槽搭接跨接线均应做到短、平、直，接地电阻要求小于或等于1欧姆。 2、机房屏蔽设计 整个机房屏蔽采用彩钢板进行六面体屏蔽，屏蔽板之前采用无缝焊接，墙身屏蔽体每边跟接地汇流排接地不少于2处。 3、机房接地装置设计 由于机房接地电阻要求较高，在该大楼附近另外增加人工接地装置，在地网槽内打入15根镀锌角钢，并用扁钢焊接起来，并采用降阻剂回填。机房静电接地采用50mm²多股铜芯线穿管引入。 接地装置的接地电阻要求小于或等于1欧姆。 四、机房地网制作方法 一、标准接地网的制作 在距建筑物1.5~3.0m处，以6m*3m矩形框线为中心，开挖宽度为0.8m、深0.6~0.8m的土沟，两长边中间贯通，采用长2.5m的L5（5*50*50）镀锌角钢，在沟底的每个交点处垂直打入一根，共计6-20根，作为垂直接地极； 然后采用4号（4*40）镀锌扁钢将六根角钢焊接连通，作为水平接地极；再用4号镀锌扁钢焊在地网框架的中间部位，引出至机房外墙角，离地高0.3m，作为PE接地端；最后从该接地端引出16-50平方毫米以上护套地线，沿墙边穿墙进入室内，连至机房内等电位接地汇集排。 二、利用大楼钢筋做地网 新建或翻建机房时，可利用入地混凝土立柱子内的钢筋作接地装置。在立柱内选取至少4根主筋（对角或对称的钢筋），用氧焊接通后再焊在两根伸出柱面的M12以上铜螺纹管上，作为接地端，引线至机房，与等电位接地汇流排连通，等电位接地排可设在防静电地板下面。 五、如何做机房防雷接地？ 所谓接地，即把电路中的某一金属壳与大地边接在一起，形成电气回路。目的是为了让电流易于流如入大地，对人及设备形成保护。 接地的方法： 直流地悬浮法即直流地不接大地，与地严格绝缘； 直流地接地法，把计算机等设备中数字电路等的电位点地和网络。 无论采用何种形式，均须有接地母线，接地地杖，在此特别强调建议采用接地埋接地网络板，能更好的引导至大地，接地时应注意如下问题： Ø尽量不要在机房内把直流地和交流工作地短路或混接； Ø不允许交流线路与直流地线平行敷设，以防止干扰或短接； Ø直流地线网应装接在地板下，便于边接，即可减小接地电阻，便于泄流。 1、接地铜排 室内机房接地采用30*5（宽*厚，单位mm）规格之铜片，围绕机房墙壁一周离地面10cm高，且与室外接地体母线相连接。在铜片每隔50 cm钻一小孔，以利于分布在机房各区域的设备进行接地。 2、接地铜板 接地铜板采用宽60mm(厚10mm)之L型铜板固定于楼板，此铜墙铁壁板作为所有应与机房接地之设施的总接地。 3、地网 机房有架设高架地板，则应以2.5mm之多芯裸铜线缠绵高架地板柱做地网。 六、机房防雷接地工程实例 一、项目情况 某数据中心机房位于大楼三层，面积约1000m²。 本工程配电采用TN-S系统，独立设置接地线（PE）。采用大楼联合接地系统，并且要求接地小于1欧姆。 机房内设有功能性接地和保护性接地，共用一组接地装置。 1、保护接地，防雷保护接地延引大楼的接地。 2、机房内做M网型结构均压等电位网格。机房室内等电位做法在机房地板下沿机柜一周敷设等电位铜带30×3mm²（均压环），铜带用ZR-BVR6mm2与各机房动力配电柜PE排相连，并设置100*0.3mm²铜箔等电位网格。机房动力设备的地线、动力设备的外壳、不带电的金属管道、金属线槽外壳、计算机设备外壳、防静电地板支架、吊顶龙骨、等均须用ZR-BVR6mm2与等电位铜排网络就近可靠相连。机房内设置等电位端子箱，机房内等电位端子箱采用ZR-BVR50mm²的电缆与大楼综合接地端可靠连接。机房等电位接地示意图如图1-1所示。 二、防雷设计思路 一个完整的防雷方案包括防直接部分和防感应雷击两部分，中心机房所在的建筑物已具备防直接雷击防护措施，因此本方案只对机房电子设备的配电系统采取相应的防感应雷击措施。 工程计算机交流配电系统采用三级防雷： 第一级在大楼低压配电室内加装防雷器，实现第一级防雷（由大楼实现）。 第二级在UPS输入配电柜内加装B级防雷器，实现第二级防雷。 第三级在机房UPS输出列头配电柜内加装C级防雷器，实现第三级防雷。 机房防雷设计示意图如图2-1所示： 三、防雷设计思路 由于网络集成系统防护点多、面广，因此，为了保护建筑物和建筑物内各向电子网络设备不受雷电损害或使雷击损害降低到最低程度，应从整体防雷的角度来进行防雷方案的设计。现在都采取综合防雷，综合防雷设计方案应包括两个方面：直击雷的防护和感应雷的防护，缺少任何一方面都是不完整的，有缺陷的和有潜在危险的。 1、直击雷的防护 如果无直击雷防护，按IEC1312的估算几乎所有雷电流都流经进出建筑物的导体型线路（如电源线、信号线等）侵入设备，这样的损害就非常之严重，因此做好直接雷击防护是做感应雷击防护的前提；直击雷防护按照国标GB50057《建筑物防雷设计规范》设计和施工，主要使用避雷针、网、线、带及良好的接地系统，其目的是保护建筑外部不受雷击的破坏，给建筑物内的人或设备提供一个相对安全的环境。 2、电源系统的防护 统计数据资料表明，微电子网络系统80%以上的雷害事故都是因为与系统相连的电源线路上感应的雷电冲击过电压造成的。因此，做好电源线的防护是整体防雷中不容忽视的一环。 3、信号系统的防护 尽管在电源和通信线路等外接引入线路上安装了防雷保护装置，由于雷击发生在网络线（如双绞线）感应到过电压，仍然会影响网络的正常运行，甚至彻底破坏网络系统。雷击时产生巨大的瞬变磁场，在1公里范围内的金属线路，如网络金属连线等都会感应到极强的感应雷击； 另外，当电源线或通信线路传输过来雷击电压时，或建筑物的地线系统在泻放雷击时，所产生强大的瞬变电流，对于网络传输线路来说，所感应的过电压已经足以一次性破坏网络。即使不是特别高的过电压，不能够一次性破坏设备，但是每一次的过电压冲击都加速了网络设备的老化，影响数据的传输和存储，甚至死机，直至彻底损坏。所以网络信号线的防雷对于网络集成系统的整体防雷来说，是非常重要的环节。 4、等电位连接 集成网络系统主干交换机所在的中心机房应设置均压环，将机房内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳以及所有进出大楼的金属管道等金属构件进行电气连接，并接至均压环上，以均衡电位。 5、接地 机房采用联合接地可有效的解决地电位升高的影响，合格的地网是有效防雷的关键。机房的联合地网通常由机房建筑物基础（含地桩）、环形接地（体）装置、工作（电力变压器）地网等组成。对于敏感的数据通讯设备的防雷，接地系统的良好与否，直接关系到防雷的效果和质量。如果地网不合要求，应改善地网条件，适当扩大地网面积和改善地网结构，使雷电流尽快地泄放，缩短雷电流引起的高过电压的保持时间，以达到防雷要求。 四、电源防雷 电源系统防雷采用三级防雷的方式。对机房配电箱的防雷应采取不少于二级保护(细保护)，既在机房的主配电箱的输入一套安装二级防雷器，在机房配电箱输出端每一路安装三级防雷器。即在配电柜中总开关前端安装二级防雷器，这样既节省空间，又起到了美观、易维护的作用，并分别在市电配电柜、UPS配电柜各自的总开关前端安装三级防雷器，以保护机房内的设备。 五、接地系统 本机房有四种接地形式，即：计算机专用直流逻辑地、交流工作地、安全保护地、防雷保护地。 1、计算机机房接地系统 在机房活动地板下方安装铜排网，将机房所有计算机系统非带电壳体接入铜排网并由此引入大地。机房接地系统采用专用接地系统，专用接地系统由大楼提供，接地电阻≤1Ω。 2、机房内等电位接地具体做法： 用3mm×30mm的铜带，在机房活动地板下交叉排成方格，其交叉点与活动地板支撑的位置交错排列，交点处压接在一起，并在铜带下用垫绝缘子固定。在机房离墙400mm的距离沿墙采用3mm×30mm紫铜条造成一个M型或S型的地网，紫铜条间的接驳位用10mm镙母压接后烧铜焊，通过35mm2铜缆引下线驳接建筑物的联合接地体，这样就形成一个法拉第笼式接地系统，并保证接地电阻不大于1Ω。 机房等电位连接：将天花龙骨、墙身龙骨、活动地板支架、非计算机系统的管、金属的门、窗等均做等电位连接，并分别取多点通过16m m2的地线接入机房接地铜排网。 3、交流工作地 在电力系统中运行需要的接地（配电柜中性点接地），应不大于4欧姆。与变压器或发电机直接接地的中性点连接的中性线称零线；将零线上的一点或多点与地再次做电气连接称重复接地。交流工作地是中性点可靠地接地。当中性点不接地时，若一相碰地而人又触及另一相时，人体所受到的接触电压将超过相电压，而当中性点接地时，且中性点的接地电阻很小，则人体受到电压相当于相电压；同时若中性点不接地时，由于中性点对地的杂散抗阻很大，因此接地电流很小；相应的保护设备不能迅速切断电源，对人及设备产生危害；反之则行。 4、安全保护地 安全保护地是指机房内所有机器设备的外壳以及电动机、空调机等辅助设备的机体（外壳）与地之间做良好的接地，应不大于4欧姆。当机房内各类电器设备的绝缘体损坏时，将会对设备和操作及维修人员的安全构成威胁。所以应使设备的外壳可靠接地。 5、防雷保护地 即机房的防雷系统的接地，一般以水平连线和垂直接地桩埋设地下，主要是把雷电电流由受雷装置引到接地装置，应不大于10欧姆。 防雷装置可分为三个基本部分：即接闪器、引下线和接地装置，接闪器即接受雷电电流的金属导体。本方案只将加装防雷器的引下线与动力配电柜内的接地铜排连接。要求接地电阻≤4Ω。 六、防雷设计方案 1、直击雷的防护 机房所在大楼已有避雷针、避雷带等外部防雷设施，不再作外部防雷补充设计。如之前无直击雷防护，需在机房顶层做避雷带或是避雷网，若机房在空旷地带，视情况还需安装避雷针，避雷针、避雷带必须做好引下线，接入地网。 2、电源系统的防雷 （1）、对于网络集成系统的电源线防护，首先，进入系统总配电房的电源进线，应采用金属铠装电缆敷设，电缆铠装层的两端应良好接地；如果电缆没有铠装层，则就将电缆穿钢管埋地，钢管两端接地，埋地的长度应不小于15米。由总配电房至各大楼的配电箱以及机房楼层配电箱的电力线路，均应采用金属铠装电缆进行敷设。这样可以大大减少电源线感应过电压的可能性。 （2）、在电源线路上安装电源防雷器，是必不可少的防护措施。根据IEC防雷规范中有关防雷分区的要求，将电源系统分为三级保护。 ① 可在系统总配电房的配电变压器低压侧安装流通容量80KA~100KA的一级电源防雷箱。 ② 在各大楼的总配电箱安装通流容量为60KA~80KA的二级电源防雷箱； ③ 在机房的重要设备（如交换机、服务器、UPS等）的电源进线处安装通流容量20~40KA的三级电源防雷器； ④ 在机房控制中心硬盘刻录机及电视墙设备电源处用插座式防雷器。 所有防雷器均应良好接地。选用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠性，重要场所应设置专用的接地线，切不可将防雷接地线与避雷针接地线并接，且要尽量远离、分开入地。 3、信号系统的防雷 （1）、网络传输线主要使用的是光纤和双绞线。其中光纤不需要特别的防雷措施，但若室外的光纤是架空的，那么需要将光纤的金属部分接地。而双绞线屏蔽效果较差，因此感应雷击的可能性比较大，应将此类信号线敷设在屏蔽线槽中，屏蔽线槽应良好接地；也可穿金属管敷设，金属管应全线保持电气上的连通，并且金属管两端应良好接地。 （2）、在信号线路上安装信号防雷器，对防感应雷是一种行之有效的办法。对于网络集成系统，可在网络信号线进入到广域网路由器之前安装专用信号防雷器；在系统主干交换机、主服务器以及各分交换机、服务器的信号线入口处分别安装RJ45接口的信号防雷器（如RJ45-E100）。信号防雷器的选型应综合考虑工作电压、传输速率、接口形式等。避雷器主要串接在线路的两端设备的接口处。 ① 服务器输入端口处安装单口 RJ45 端口信号避雷器，以保护服务器。 ② 24口网络交换机串联 24 口的RJ45 端口信号避雷器，避免因雷击感应或电磁场干扰沿双绞线窜入而毁坏设备。 ③ 在DDN专线接收设备上安装单口RJ11端口信号避雷器，保护DDN 专线上的设备。 ④ 在卫星接收设备前端安装同轴端口天馈线避雷器，以保护接收设备。 （3）、对于监控系统机房的防雷保护 ① 在硬盘录像机的视频线出线端加装视频信号防雷器或采用机架式视频信号防雷箱,12口全保护，安装方便。 ② 在矩阵与视频分割器的控制线进入端加装控制信号防雷器(DB-RS485/422)。 ③ 机房电话线采用音频信号防雷器，串接在电话机前端电话线处，安装方便，易维护。 ④ 在报警器前端信号线接入处装控制信号防雷器，对报警器信号线做有效的防雷保护。 注意：所有防雷器均应良好接地，选用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠性，重要场所应设置专用的接地线，切不可将防雷接地线与避雷针接地线并接，且要尽量远离、分开入地。 4、机房等电位连接 在机房防静电地板下，沿着地面上布置40*3紫铜排，形成闭合环接地汇流母排。将配电箱金属外壳、电源地、避雷器地、机柜外壳、金属屏蔽线槽、门窗等穿过各防雷区交界的金属部件和系统设备的外壳，以及对防静电地板下的隔离架进行多点等电位接地就进至汇流排。并采用等电位连接线4-10mm2铜芯线螺栓紧固的线夹作为连接材料。同时在机房找出建筑物主钢筋，经测试确与避雷带连接良好，用14mm镀锌圆钢通过铜铁转换接头将接地汇流母排与之连接起来。形成等电位。采用联合接地网，目的是消除各地网之间的电位差，保证设备不因雷电的反击而损坏。 5、接地网制作设计 接地是避雷技术非常重要的环节之一，无论是直击雷或感应雷，最终都是把雷电流引入大地。因此，对于敏感的数据（信号）通信设备而言，没有合理而良好的接地系统是不能可靠避雷的。因此，对接地电阻>1Ω 的大楼地网，需按照规范要求整改，以提高机房接地系统的可靠性。根据具体情况，通过沿机房大楼建立不同形式的接地网（包括水平接地体、垂直接地体）来扩大接地网的有效面积和改善地网的结构。 采用共用接地装置时，共用接地电阻值不应大于1Ω； 采用专用接地装置时，其接地电阻值不应大于4Ω。 基本要求如下： 1 ）在大楼周围做接地网，用较少的材料和较低的安装成本，完成最有效的接地装置； 2）接地电阻值要求 R ≤1Ω ； 3）接地体应离机房所在主建筑物 3~5m 左右设置； 4）水平和垂直接地体应埋入地下0.8m 左右，垂直接地体长 2.5m ，每隔 3~5m 设置一个垂直接接地体，垂直接地体采用 50×50×5mm 的热镀锌角钢，水平接地体则选 50×5mm 的热镀锌扁钢； 5）在地网焊接时，焊接面积应≥6 倍接触点，且焊点做防腐蚀防锈处理； 6）各地网应在地面下0.6~0.8m 处与多根建筑立柱钢筋焊接，并作防腐蚀、防锈处理； 7）土壤导电性能差时采用敷设降阻剂法，使接地电阻≤1Ω ； 8）回填土必须是导电状态较好的新粘土； 9）与大楼基础地网多点焊接，并预留接地测试点。 以上是一种传统的廉价实用的接地方式，根据实际情况，接地网材料也可以选用新型技术接地装置，如免维护电解离子接地系统、低电阻接地模块、长效铜包钢接地棒等等。 五、机房防雷接地注意事项 1、考虑到雷电或其他电信设备的干扰，计算机房不宜设置在大楼的顶层或靠外墙侧，特殊情况限制的，应设置屏蔽层防止雷电干扰。对于特别重要的计算机系统，应考虑设置独立的屏蔽机房。建筑物（包括计算机机房）内设备及管线接地安装应按照相关规范执行，做好等电位联结； 2、防止雷电危害还应防雷击引起的电磁脉冲，计算机房的配电箱应设置SPD（防电磁浪涌）保护装置，防止机房供电电源由于雷击电磁脉冲而造成断电。另外，对于重要的系统主机，其通讯电缆也应设置SPD保护装置，由于通讯电缆数量一般比较多，因此通讯线的保护设置应根据具体实际情况合理设置； 3、电气接地系统宜采用TN－S接地系统，PE线与相线分开，机房电源接入处应做重复接地； 4、机房接地一般分为交流工作接地、直流工作接地、安全工作接地、防雷保护接地。根据《建筑物防雷设计规范》的要求，防雷设计采用共用接地系统时，各接地系统宜共用一组接地装置。信息系统的所有外露导电物（各种箱体、壳体、机架等金属组件）应建立一等电位联结网络。 因此，电气防雷设计应在计算机房设置专用的等电位联结排，通过引下线与大楼总等电位联结排连接。根据共用接地系统的层层等电位原则，采用结构主钢筋作为引下线，更适用于共用接地系统。另外强调，大楼接地系统的接地电阻不应大于１Ω。
引言：分立式开关也叫射频传导开关，作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等。
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