半導(dǎo)體激光源設(shè)計0前言半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器，又稱半導(dǎo)體激光二極管（LD）,是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種激光器。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)有幾十種，例如砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）等，激勵方式主要有電注入式、光泵式和高能電子束激勵式三種。半導(dǎo)體激光器從最初的低溫（77K）下運轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作；從同質(zhì)結(jié)發(fā)展成單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱（單、多量子阱）等多種形式。半導(dǎo)體激光器因其波長的擴(kuò)展、高功率激光陣列的出現(xiàn)以及可兼容的光纖導(dǎo)光和激光能量參數(shù)微機(jī)控制的出現(xiàn)而迅速發(fā)展。半導(dǎo)體激光器的體積小、重量輕、成本低、波長可選擇，其應(yīng)用遍布臨床、加工制造、軍事，其中尤以大功率半導(dǎo)體激光器方面取得的進(jìn)展最為突出。1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件：（1） 增益條件：建立起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實現(xiàn)。將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。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。（2） 要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對F—p腔（法布里一珀羅腔）半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P—n結(jié)平面相垂直的自然解理面一[110]面構(gòu)成F—P腔。（3） 為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。可見在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程。對于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動力。量子線和量子點能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點，而GainN量子點已用于半導(dǎo)體激光器。另外，科學(xué)家也已經(jīng)做出了另一類受激輻射過程的量子級聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導(dǎo)體導(dǎo)帶的一個次能級到同一能帶更低一級狀態(tài)的躍遷，由于只有導(dǎo)帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件。半導(dǎo)體激光器的工作特性1閾值電流。當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個因素：（1） 晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。（2） 諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。（3） 與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2。現(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。（4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。方向性。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20°-30°；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右。效率。量子效率n二每秒發(fā)射的光子數(shù)/每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù)77K時，GaAs激光器量子效率達(dá)70%—80%；300K時，降到30%左右。功率效率ni=輻射的光功率/加在激光器上的電功率由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的ni最高10%，只有在低溫下才能達(dá)到30％－40％。4光譜特性。由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶(導(dǎo)帶與價帶)之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K時為840nm；300K時為902nm。異質(zhì)結(jié)激光器的工作過程半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖1示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3“m的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。圖1雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形激光器的基本結(jié)構(gòu)(a)短波長;(b)長波長半導(dǎo)體激光器的應(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)，850hm波長的半導(dǎo)體激光器適用于＞lGh/s局域網(wǎng)，1300hm—1550nto波長的半導(dǎo)體激光器適用于10Gb局域網(wǎng)系統(tǒng)”1。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，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、光計算機(jī)外部設(shè)備的光耦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/GaAIAs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—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)。是大容量、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)生的光束將信息寫入和讀出。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、高可靠性和小型化的優(yōu)點，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GalnAsP/lnP實現(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NaKamura實現(xiàn)了GatnN/QaN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、光存貯的讀出和寫入，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—5郵，)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達(dá)、大氣窗121、自由空聞通信、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。【5】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用化，最子阱和應(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)射激光器的實現(xiàn)、單極性注入半導(dǎo)體激