半導(dǎo)體激光器

       常用工作物質(zhì)有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

       半導(dǎo)體二極管激光器是最實(shí)用最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦，其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體二極管激光器在激光 通信 、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達(dá)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

簡介

       工作原理是，通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶(導(dǎo)帶與價帶)之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)(受主或施主)能級之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由GaAS(砷化鎵)，InAS(砷化銦)，Insb(銻化銦)等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵。在半導(dǎo)體激光器件中，目前性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。

發(fā)展概況

       半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管(LD)。進(jìn)入八十年代，人們吸收了半導(dǎo)體物理發(fā)展的最新成果，采用了量子阱(QW)和應(yīng)變量子阱(SL-QW)等新穎性結(jié)構(gòu)，引進(jìn)了折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器以及增強(qiáng)調(diào)制Bragg發(fā)射器最新技術(shù)，同時還發(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術(shù)新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達(dá)到原子層厚度的精度，生長出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應(yīng)變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

A 小功率LD

       用于信息技術(shù)領(lǐng)域的小功率LD發(fā)展極快。例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反饋(DFB)和動態(tài)單模LD、窄線寬可調(diào)諧DFB-LD、用于光盤等信息處理技術(shù)領(lǐng)域的可見光波長(如波長為670nm、650nm、630nm的紅光到藍(lán)綠光)LD、量子阱面發(fā)射激光器以及超短脈沖LD等都得到實(shí)質(zhì)性發(fā)展。這些器件的發(fā)展特征是：單頻窄線寬、高速率、可調(diào)諧以及短波長化和光電單片集成化等。

B 高功率LD

       1983年，波長800nm的單個LD輸出功率已超過100mW，到了1989年，0.1mm條寬的LD則達(dá)到3.7W的連續(xù)輸出，而1cm線陣LD已達(dá)到76W輸出，轉(zhuǎn)換效率達(dá)39%。1992年，美國人又把指標(biāo)提高到一個新水平：1cm線陣LD連續(xù)波輸出功率達(dá)121W，轉(zhuǎn)換效率為45%?，F(xiàn)在，輸出功率為120W、1500W、3kW等諸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列陣的迅速發(fā)展也為全固化激光器，亦即半導(dǎo)體激光泵浦(LDP)的固體激光器的迅猛發(fā)展提供了強(qiáng)有力的條件。

       近年來，為適應(yīng)EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發(fā)展。最近配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩(wěn)定性，泵浦效率也得到有效提高。

       半導(dǎo)體二極管激光器是實(shí)用中最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。

產(chǎn)品分類

       （1）異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器

       （2）條形結(jié)構(gòu)激光器

       （3）GaAIAs/GaAs激光器

       （4）InGaAsP/InP激光器

       （5）可見光激光器

       （6）遠(yuǎn)紅外激光器

       （7）動態(tài)單模激光器

       （8）分布反饋激光器

       （9）量子阱激光器

       （10）表面發(fā)射激光器

       （11）微腔激光器

       半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品分類方法多樣，以下是一些主要的分類方式及對應(yīng)的產(chǎn)品類型：

一、按發(fā)光特性分類

       激光二極管（LD）：也稱為半導(dǎo)體激光器或二極管激光器，是最常見的半導(dǎo)體激光器。其光譜寬度通常不大于5nm（采取專門措施可不大于0.1nm），具有高效率、小尺寸和低成本等優(yōu)點(diǎn)。

       發(fā)光二極管（LED）：光譜寬度一般不小于50nm，與激光二極管在發(fā)光特性上有顯著差異。

       超輻射發(fā)光二極管（SLD）：光譜寬度在30～50nm之間，是一種介于激光二極管和發(fā)光二極管之間的光源，具有較大的光輸出功率和寬發(fā)射光譜。

二、按波長分類

       中遠(yuǎn)紅外激光器：發(fā)射波長在中遠(yuǎn)紅外區(qū)域，適用于特定的紅外通信和傳感應(yīng)用。

       近紅外激光器：發(fā)射波長在近紅外區(qū)域，廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。

       可見光激光器：發(fā)射波長在可見光區(qū)域，如紅、綠、藍(lán)等顏色的激光器，在顯示、醫(yī)療、照明等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

       紫外激光器：發(fā)射波長在紫外區(qū)域，具有短波長、高能量密度等特點(diǎn)，在材料加工、表面處理等領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢。

三、按結(jié)構(gòu)分類

       雙異質(zhì)結(jié)激光器：采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，提高了載流子的注入效率和光子的限制能力，從而提高了激光器的性能。

       大光腔激光器：具有較大的光腔體積，適用于需要高輸出功率的應(yīng)用場景。

       分布反饋激光器（DFB）：利用分布反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)單模輸出，具有優(yōu)良的光譜穩(wěn)定性和邊模抑制比。

       垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）：激光光束垂直于芯片表面發(fā)射，適用于高速通信和光纖傳感等應(yīng)用。

四、按應(yīng)用領(lǐng)域分類

       光通信激光器：如1310nm和1550nm半導(dǎo)體激光器，是光纖通信系統(tǒng)的核心光源，可實(shí)現(xiàn)大容量、長距離傳輸。

       光存儲激光器：用于光盤讀寫等光存儲領(lǐng)域，如CD、DVD等光盤驅(qū)動器中的激光器。

       大功率泵浦激光器：作為固體激光器的泵浦源，提供高功率的光能輸入。

       引信用脈沖激光器：用于軍事領(lǐng)域的引信系統(tǒng)，產(chǎn)生高能量的脈沖激光以觸發(fā)爆炸裝置。

五、其他分類方式

       按管心組合方式分：可分為單管激光器、陣列激光器（包括線陣和面陣激光器）。

       按注入電流工作方式分：可分為脈沖激光器、連續(xù)激光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器等。

       半導(dǎo)體激光器的分類方法多樣，不同分類方式下的產(chǎn)品類型和應(yīng)用領(lǐng)域也各不相同。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的性能和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。

發(fā)展

       半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展及隨之而來的晶體管的發(fā)明，使科學(xué)家們早在50年代就設(shè)想發(fā)明半導(dǎo)體激光器，60年代早期，很多小組競相進(jìn)行這方面的研究。在理論分析方面，以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最為杰出。

       在1962年7月召開的固體器件研究國際會議上，美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的兩名學(xué)者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報(bào)告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，這引起通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室工程師哈爾（Hall）的極大興趣，在會后回家的火車上他寫下了有關(guān)數(shù)據(jù)。回到家后，哈爾立即制定了研制半導(dǎo)體激光器的計(jì)劃，并與其他研究人員一道，經(jīng)數(shù)周奮斗，他們的計(jì)劃獲得成功。

       像晶體二極管一樣，半導(dǎo)體激光器也以材料的p-n結(jié)特性為基礎(chǔ)，且外觀亦與前者類似，因此，半導(dǎo)體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管。

       早期的激光二極管有很多實(shí)際限制，例如，只能在77K低溫下以微秒脈沖工作，過了8年多時間，才由貝爾實(shí)驗(yàn)室和列寧格勒（現(xiàn)在的圣彼得堡）約飛（Ioffe）物理研究所制造出能在室溫下工作的連續(xù)器件。而足夠可靠的半導(dǎo)體激光器則直到70年代中期才出現(xiàn)。
 

       半導(dǎo)體激光器體積非常小，最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴于激光材料，一般為0.6～1.55微米，由于多種應(yīng)用的需要，更短波長的器件在發(fā)展中。據(jù)報(bào)導(dǎo)，以Ⅱ～Ⅳ價元素的化合物，如ZnSe為工作物質(zhì)的激光器，低溫下已得到0.46微米的輸出，而波長0.50～0.51微米的室溫連續(xù)器件輸出功率已達(dá)10毫瓦以上。但迄今尚未實(shí)現(xiàn)商品化。

       光纖通信是半導(dǎo)體激光可預(yù)見的最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，一方面是世界范圍的遠(yuǎn)距離海底光纖通信，另一方面則是各種地區(qū)網(wǎng)。后者包括高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)、航空電子系統(tǒng)、衛(wèi)生通訊網(wǎng)、高清晰度閉路電視網(wǎng)等。但就目前而言，激光唱機(jī)是這類器件的最大市場。其他應(yīng)用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示，及各種醫(yī)療應(yīng)用等。

       20世紀(jì)60年代初期的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是在一種材料上制作的pn結(jié)二極管在正向大電流注人下，電子不斷地向p區(qū)注人，空穴不斷地向n區(qū)注人.于是，在原來的pn結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū)發(fā)生輻射、復(fù)合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光，這是一種只能以脈沖形式工作的半導(dǎo)體激光器。

       半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如GaAs, GaAlAs所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器(1969年).單異質(zhì)結(jié)注人型激光器(SHLD)是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結(jié)的P區(qū)之內(nèi)，以此來降低閥值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。

       1970年，實(shí)現(xiàn)了激光波長為9000Å.室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.雙異質(zhì)結(jié)激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬，線寬和調(diào)諧性能逐步提高，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在P型和n型材料之間生長了僅有0. 2 Eam厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注人的載流子被限制在該區(qū)域內(nèi)(有源區(qū))，因而注人較少的電流就可以實(shí)現(xiàn)載流子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在半導(dǎo)體激光器件中，目前比較成熟、性能較好、應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注人式GaAs二極管激光器。

       隨著異質(zhì)結(jié)激光器的研究發(fā)展，人們想到如果將超薄膜(< 20nm)的半導(dǎo)體層作為激光器的激括層，以致于能夠產(chǎn)生量子效應(yīng)，結(jié)果會是怎么樣?再加之由于MBE,MOCVD技術(shù)的成就，于是，在1978年出現(xiàn)了世界上第一只半導(dǎo)體量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半導(dǎo)體激光器的各種性能.后來，又由于MOCVD,MBE生長技術(shù)的成熟，能生長出高質(zhì)量超精細(xì)薄層材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光器相比，具有闌值電流低、輸出功率高，頻率響應(yīng)好，光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉(zhuǎn)換效率等許多優(yōu)點(diǎn)。

       QWL在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是它的有源區(qū)是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成，由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長，產(chǎn)生了量子效應(yīng)，連續(xù)的能帶分裂為子能級.因此，特別有利于載流子的有效填充，所需要的激射閱值電流特別低.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的主要是單、多量子阱，單量子阱(SQW)激光器的結(jié)構(gòu)基本上就是把普通雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光器的有源層厚度做成數(shù)十nm以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結(jié)構(gòu)稱為多量子阱(MQW ).量子阱激光器單個輸出功率現(xiàn)已大于1w，承受的功率密度已達(dá)l OMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率，通常可以把許多單個半導(dǎo)體激光器組合在一起形成半導(dǎo)體激光器列陣。因此，量子阱激光器當(dāng)采用陣列式集成結(jié)構(gòu)時，輸出功率則可達(dá)到l00w以上.近年來，高功率半導(dǎo)體激光器(特別是陣列器件)飛速發(fā)展，已經(jīng)推出的產(chǎn)品有連續(xù)輸出功率5 W ,1ow,20w和30W的激光器陣列.脈沖工作的半導(dǎo)體激光器峰值輸出功率50w. 120W和1500W的陣列也已經(jīng)商品化.一個4. 5 cm x 9cm的二維陣列，其峰值輸出功率已經(jīng)超過45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已問世。

       從20世紀(jì)70年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器.在泵浦固體激光器等應(yīng)用的推動下，高功率半導(dǎo)體激光器(連續(xù)輸出功率在100， 以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導(dǎo)體激光器)在20世紀(jì)90年代取得了突破性進(jìn)展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達(dá)到600W[61.如果從激光波段的被擴(kuò)展的角度來看，先是紅外半導(dǎo)體激光器，接著是670nm紅光半導(dǎo)體激光器大量進(jìn)人應(yīng)用，接著，波長為650nm,635nm的問世，藍(lán)綠光、藍(lán)光半導(dǎo)體激光器也相繼研制成功，10mw量級的紫光乃至紫外光半導(dǎo)體激光器，也在加緊研制中[a}為適應(yīng)各種應(yīng)用而發(fā)展起來的半導(dǎo)體激光器還有可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，電子束激勵半導(dǎo)體激光器以及作為“集成光路”的最好光源的分布反饋激光器(DFB一LD)，分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成雙波導(dǎo)激光器.另外，還有高功率無鋁激光器(從半導(dǎo)體激光器中除去鋁，以獲得更高輸出功率，更長壽命和更低造價的管子)、中紅外半導(dǎo)體激光器和量子級聯(lián)激光器等等.其中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長，可以很方便地對輸出光束進(jìn)行調(diào)制.分布反饋(DF 式半導(dǎo)體激光器是伴隨光纖通信和集成光學(xué)回路的發(fā)展而出現(xiàn)的，它于1991年研制成功，分布反饋式半導(dǎo)體激光器完全實(shí)現(xiàn)了單縱模運(yùn)作，在相干技術(shù)領(lǐng)域中又開辟了巨大的應(yīng)用前景它是一種無腔行波激光器，激光振蕩是由周期結(jié)構(gòu)(或衍射光柵)形成光藕合提供的，不再由解理面構(gòu)成的諧振腔來提供反饋，優(yōu)點(diǎn)是易于獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調(diào)制器等輛合，特別適宜作集成光路的光源。

       單極性注人的半導(dǎo)體激光器是利用在導(dǎo)帶內(nèi)(或價帶內(nèi))子能級間的熱電子光躍遷以實(shí)現(xiàn)受激光發(fā)射，自然要使導(dǎo)帶和價帶內(nèi)存在子能級或子能帶，這就必須采用量子阱結(jié)構(gòu).單極性注人激光器能獲得大的光功率輸出，是一種商效率和超商速響應(yīng)的半導(dǎo)體激光器，并對發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡化了在中紅外到遠(yuǎn)紅外這樣寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料，根據(jù)層的厚度不同就能得到上述波長范圍內(nèi)的各種波長的激光.同傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器相比，這種激光器不需冷卻系統(tǒng)，可以在室溫下穩(wěn)定操作.低維(量子線和量子點(diǎn))激光器的研究發(fā)展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(Qw+)激光器已做到9OkCW工作條件下Im =6.A,l =37A/cm2并有很高的量子效率.眾多科研單位正在研制自組裝量子點(diǎn)(QD)激光器，目前該QDLD已具有了高密度，高均勻性和高發(fā)射功率[U1.由于實(shí)際需要，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作，以及獲得單模、單頻、窄線寬和發(fā)展各種不同激射波長的器件進(jìn)行的。

       20世紀(jì)90年代出現(xiàn)并特別值得一提的是面發(fā)射激光器(SEL)，早在1977年，人們就提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年做出了第一個器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發(fā)射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面發(fā)射激光器在室溫下達(dá)到亞毫安的網(wǎng)電流,8mW的輸出功率和11%的轉(zhuǎn)換效率[2)前面談到的半導(dǎo)體激光器，從腔體結(jié)構(gòu)上來說，不論是F一P(法布里一泊羅)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光輸出都是在水平方向，統(tǒng)稱為水平腔結(jié)構(gòu).它們都是沿著襯底片的平行方向出光的.而面發(fā)射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構(gòu)成了垂直方向的F一p腔，光輸出沿著垂直于襯底片的方向發(fā)出，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSELS)是一種新型的量子阱激光器，它的激射闊值電流低，輸出光的方向性好，藕合效率高，通過陣列化分布能得到相當(dāng)強(qiáng)的光功率輸出，垂直腔面發(fā)射激光器已實(shí)現(xiàn)了工作溫度最高達(dá)71 `C。另外，垂直腔面發(fā)射激光器還具有兩個不穩(wěn)定的互相垂直的偏振橫模輸出，即x模和y模，目前對偏振開關(guān)和偏振雙穩(wěn)特性的研究也進(jìn)入到了一個新階段，人們可以通過改變光反饋、光電反饋、光注入、注入電流等等因素實(shí)現(xiàn)對偏振態(tài)的控制，在光開關(guān)和光邏輯器件領(lǐng)域獲得新的進(jìn)展。20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學(xué)中的多種應(yīng)用.980mn,850nm和780nm的器件在光學(xué)系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)用化.目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)[21為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長LD,盆子線和量子點(diǎn)激光器、中紅外LD等方面.目前，在這些方面取得了一系列重大的成果。
 

應(yīng)用

       半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于)1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm -1550nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)[i1.半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù).半導(dǎo)體激光器在激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場。1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途.半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源.半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展.因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB一LD).半導(dǎo)體激光器也廣泛地應(yīng)用于光盤技術(shù)中，光盤技術(shù)是集計(jì)算技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)于一體的綜合性技術(shù).是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段，它需要半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀出。

       下面我們具體來看看幾種常用的半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用:

       量子阱半導(dǎo)體大功率激光器在精密機(jī)械零件的激光加工方面有重要應(yīng)用，同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效率、高可*性和小型化的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致了固體激光器的不斷更新。

       在印刷業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高功率半導(dǎo)體激光器也有應(yīng)用.另外，如長波長激光器(1976年，人們用Ga[nAsP/InP實(shí)現(xiàn)了長波長激光器)用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出.自從NaKamuxa實(shí)現(xiàn)了GaInN/GaN藍(lán)光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如CD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機(jī)、顯示器中都有著很重要的應(yīng)用，特別是紅光、綠光和藍(lán)光面發(fā)射激光器的應(yīng)用更廣泛.藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機(jī)中.總之，可見光半導(dǎo)體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫人，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途.量子級聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測和醫(yī)檢領(lǐng)域.另外,由于半導(dǎo)體激光器可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導(dǎo)體激光器可以進(jìn)行高分辨光譜研究.可調(diào)諧激光器是深入研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)而迅速發(fā)展的激光光譜學(xué)的重要工具大功率中紅外(3.5lm)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達(dá)、大氣窗口、自由空間通信、大氣監(jiān)視和化學(xué)光譜學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。

       綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器在光電子學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，如超高密度、光存儲.近場光學(xué)方案被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高密度光存儲的重要手段.垂直腔面發(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)療等方面I2)、如前所述，半導(dǎo)體激光器自20世紀(jì)80年代初以來，由于取得了DFB動態(tài)單縱模激光器的研制成功和實(shí)用化，量子阱和應(yīng)變層量子阱激光器的出現(xiàn)，大功率激光器及其列陣的進(jìn)展，可見光激光器的研制成功，面發(fā)射激光器的實(shí)現(xiàn)、單極性注人半導(dǎo)體激光器的研制等等一系列的重大突破，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用越來越廣泛，半導(dǎo)體激光器已成為激光產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，目前已成為各國發(fā)展信息、通信、家電產(chǎn)業(yè)及軍事裝備不可缺少的重要基礎(chǔ)器件。

封裝技術(shù)

技術(shù)介紹

       半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護(hù)管芯和完成電氣互連。而半導(dǎo)體激光器封裝則是完成輸出電信號，保護(hù)管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于半導(dǎo)體激光器。

發(fā)光部分

       半導(dǎo)體激光器的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當(dāng)注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高半導(dǎo)體激光器的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型半導(dǎo)體激光器封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點(diǎn)與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負(fù)極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護(hù)管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導(dǎo)致過多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機(jī)械強(qiáng)度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到半導(dǎo)體激光器的軸線方向，相應(yīng)的視角較??；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

驅(qū)動電流

       一般情況下，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當(dāng)正向電流流經(jīng)pn結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光強(qiáng)度會相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱；時保持色純度與發(fā)光強(qiáng)度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流限制在20mA左右。但是，半導(dǎo)體激光器的光輸出會隨電流的增大而增加，很多功率型半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流可以達(dá)到70mA、100mA甚至1A級，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，全新的半導(dǎo)體激光器封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。

       進(jìn)入21世紀(jì)后，半導(dǎo)體激光器的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙半導(dǎo)體激光器光效已達(dá)到100Im/W，綠半導(dǎo)體激光器為50lm/W，單只半導(dǎo)體激光器的光通量也達(dá)到數(shù)十Im。半導(dǎo)體激光器芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯來提高內(nèi)部效率，同時，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)光學(xué)性能，加速表面貼裝化SMD進(jìn)程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。

特性

       laser diode是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器件。除了具有激光器的共同特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

       (1) 體積小，重量輕；

       (2) 驅(qū)動功率和電流較低；

       (3) 效率高、工作壽命長；

       (4) 可直接電調(diào)制；

       (5) 易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成；

       (6) 與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容；可大批量生產(chǎn)。

       由于這些特點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器自問世以來得到了世界各國的廣泛關(guān)注與研究。成為世界上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、最早走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商用化且產(chǎn)值最大的一類激光器。經(jīng)過40多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)從最初的低溫77K、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫連續(xù)工作、工作波長從最開始的紅外、紅光擴(kuò)展到藍(lán)紫光；閾值電流由10^5 A/cm2量級降至10^2 A/cm2量級；工作電流最小到亞mA量級；輸出功率從幾mW到陣列器件輸出功率達(dá)數(shù)kW；結(jié)構(gòu)從同質(zhì)結(jié)發(fā)展到單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子阱陣列、分布反饋型、DFB、分布布拉格反射型、DBR等270多種形式。制作方法從擴(kuò)散法發(fā)展到液相外延、LPE、氣相外延、VPE、金屬有機(jī)化合物淀積、MOCVD、分子束外延、MBE、化學(xué)束外延、CBE等多種制備工藝。

其他資料

       ----朗訊科技公司下屬研發(fā)機(jī)構(gòu)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們近日成功研制出世界上首款能夠在紅外波長光譜范圍內(nèi)持續(xù)可*地發(fā)射光的新型半導(dǎo)體激光器。新設(shè)備克服了原有寬帶激光發(fā)射過程中存在的缺陷，在先進(jìn)光纖通信和感光化學(xué)探測器等領(lǐng)域有著廣闊的潛在應(yīng)用。相關(guān)的制造技術(shù)可望成為未來用于光纖的高性能半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。

       ----有關(guān)新激光器性質(zhì)的論文刊登2002年2月21日出版的《自然》雜志上。文章主要作者、貝爾實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Claire Gmachl斷言：“超寬帶半導(dǎo)體激光器可用來制造高度敏感的萬用探測器，以探測大氣中的細(xì)微污染痕跡，還可用于制造諸如呼吸分析儀等新的醫(yī)療診斷工具?！?/p>

       ----半導(dǎo)體激光器是一種非常方便的光源，具備緊湊、耐用、便攜和強(qiáng)大等特點(diǎn)。然而，典型半導(dǎo)體激光器通常為窄帶設(shè)備，只能以特有波長發(fā)出單色光。相比之下，超寬帶激光器具有顯著的優(yōu)勢，可以同時在更寬的光譜范圍內(nèi)選取波長。制造出可在范圍廣泛的操作環(huán)境下可*運(yùn)行的超寬帶激光器正是科學(xué)家們長久以來追求的一個目標(biāo)。

       ----為了研制出新型的激光器，貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家們采用了650余種光子學(xué)中使用的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體材料，并將其疊放在一起組成一個“多層三明治”。這些層面共分為36組，其中不同層面組在感光屬性方面有著細(xì)微的差別，并在特有的短波長范圍內(nèi)生成光，同時與其他各組之間保持透明. 所有這些層面組結(jié)合在一起，就能發(fā)射出寬帶激光。

       ----新型激光器隸屬于一種稱為量子瀑布（QC）激光器的高性能半導(dǎo)體激光器。QC激光器由Federico Capasso和AlfredCho及其同事于1994年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，其操作過程非常類似于一道電子瀑布。當(dāng)電流通過激光器時，電子瀑布將沿著能量階梯奔流而下；每當(dāng)其撞擊一級階梯時，就會放射出紅外光子。這些紅外光子在包含電子瀑布的半導(dǎo)體共振器內(nèi)前后反射，從而激發(fā)出其他光子。這一放大過程將產(chǎn)生出很高的輸出能量。

       ----超寬帶激光器可在6~8微米紅外波長范圍產(chǎn)生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出：“從理論上講，波長范圍可以更寬或更窄。選擇6~8微米范圍波長發(fā)射激光，目的是更令人信服地演示我們的想法。未來，我們可以根據(jù)諸如光纖應(yīng)用等具體應(yīng)用的特定需求量身定制激光器?！?br>