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(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)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(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)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(zhǎng)，并可采用簡(jiǎn)單的注入電流的方式來(lái)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(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

簡(jiǎn)介

       工作原理是，通過(guò)一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶(導(dǎo)帶與價(jià)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(jí)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(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)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(lì)，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(lì)。高能電子束激勵(lì)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(guò)由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。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(shí)還發(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長(zhǎng)技術(shù)新工藝，使得新的外延生長(zhǎng)工藝能夠精確地控制晶體生長(zhǎng)，達(dá)到原子層厚度的精度，生長(zhǎng)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(zhǎng)，使用壽命也明顯加長(zhǎng)。

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(dòng)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(jiàn)光波長(zhǎng)(如波長(zhǎng)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：?jiǎn)晤l窄線寬、高速率、可調(diào)諧以及短波長(zhǎng)化和光電單片集成化等。

B 高功率LD

       1983年，波長(zhǎng)800nm的單個(gè)LD輸出功率已超過(guò)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(guó)人又把指標(biāo)提高到一個(gè)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(lái)，為適應(yīng)EDFA和EDFL等需要，波長(zhǎng)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(zhǎng)，并可采用簡(jiǎn)單的注入電流的方式來(lái)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(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)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(jiàn)光激光器

       （6）遠(yuǎn)紅外激光器

       （7）動(dòng)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(duì)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(jiàn)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(zhǎng)分類

       中遠(yuǎn)紅外激光器：發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)光激光器：發(fā)射波長(zhǎng)在可見(jiàn)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(zhǎng)在紫外區(qū)域，具有短波長(zhǎng)、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(shì)。

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(chǎng)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(zhǎng)距離傳輸。

       光存儲(chǔ)激光器：用于光盤讀寫等光存儲(chǔ)領(lǐng)域，如CD、DVD等光盤驅(qū)動(dòng)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(lái)的晶體管的發(fā)明，使科學(xué)家們?cè)缭?0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(jìng)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(kāi)的固體器件研究國(guó)際會(huì)議上，美國(guó)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(huì)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(guò)了8年多時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)的器件在發(fā)展中。據(jù)報(bào)導(dǎo)，以Ⅱ～Ⅳ價(jià)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(zhǎng)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(jiàn)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(chǎng)。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(lái)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(shì)壘把注入電子限制在GaAsP一N結(jié)的P區(qū)之內(nèi)，以此來(lái)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(zhǎng)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(zhǎng)了僅有0. 2 Eam厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個(gè)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(huì)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(lái)，又由于MOCVD,MBE生長(zhǎng)技術(shù)的成熟，能生長(zhǎng)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(gè)或單個(gè)阱寬約為100人的勢(shì)阱所組成，由于勢(shì)阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長(zhǎng)，產(chǎn)生了量子效應(yīng)，連續(xù)的能帶分裂為子能級(jí).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(shì)壘較厚以致于相鄰勢(shì)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(gè)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?？梢园言S多單個(gè)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(shí)，輸出功率則可達(dá)到l00w以上.近年來(lái)，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(gè)4. 5 cm x 9cm的二維陣列，其峰值輸出功率已經(jīng)超過(guò)45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已問(wèn)世。

       從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個(gè)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(dòng)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(guó)外千瓦級(jí)的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國(guó)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(lái)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(zhǎng)為650nm,635nm的問(wèn)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(jí)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(lái)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(lì)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(wú)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(zhǎng)壽命和更低造價(jià)的管子)、中紅外半導(dǎo)體激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器等等.其中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是通過(guò)外加的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長(zhǎng)，可以很方便地對(duì)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(kāi)辟了巨大的應(yīng)用前景它是一種無(wú)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(lái)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(jià)帶內(nèi))子能級(jí)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(jià)帶內(nèi)存在子能級(jí)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(duì)發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡(jiǎn)化了在中紅外到遠(yuǎn)紅外這樣寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生特定波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)的各種波長(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(gè)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(duì)偏振開(kāi)關(guān)和偏振雙穩(wěn)特性的研究也進(jìn)入到了一個(gè)新階段，人們可以通過(guò)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(duì)偏振態(tài)的控制，在光開(kāi)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(chǔ)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(shì)主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過(guò)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(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器適用于)1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm -1550nm波長(zhǎng)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(gè)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(cè)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(dòng)控制、檢測(cè)儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場(chǎng)。1978年，半導(dǎo)體激光器開(kāi)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(guò)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(kāi)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(wèn)世極大地推動(dòng)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(duì)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(shuō)，沒(méi)有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒(méi)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(zhǎng)距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無(wú)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(chǔ)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(lái)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(shí)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(zhǎng)波長(zhǎng)激光器(1976年，人們用Ga[nAsP/InP實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器)用于光通信，短波長(zhǎng)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(jiàn)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(chǔ)器可見(jiàn)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(cè)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(jiàn)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(chǔ)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(jí)聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)和醫(yī)檢領(lǐng)域.另外,由于半導(dǎo)體激光器可以通過(guò)改變磁場(chǎng)或調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(duì)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(chǔ).近場(chǎng)光學(xué)方案被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高密度光存儲(chǔ)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(hào)、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(lái)，由于取得了DFB動(dòng)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(jiàn)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(lái)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(guó)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(lái)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(hào)，保護(hù)管芯正常工作，輸出：可見(jiàn)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(wú)法簡(jiǎn)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(shí)，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)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(gè)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(lái)，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(zhǎng)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(guò)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(guò)反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(guò)多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹(shù)脂作過(guò)渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹(shù)脂須具有耐濕性，絕緣性，機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)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(duì)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(shù)脂透鏡，可使光集中到半導(dǎo)體激光器的軸線方向，相應(yīng)的視角較小；如果頂部的樹(shù)脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

驅(qū)動(dòng)電流

       一般情況下，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長(zhǎng)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(huì)相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱；時(shí)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(dòng)電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA左右。但是，半導(dǎo)體激光器的光輸出會(huì)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(dòng)電流可以達(dá)到70mA、100mA甚至1A級(jí)，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(cuò)來(lái)提高內(nèi)部效率，同時(shí)，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(dòng)功率和電流較低；

       (3) 效率高、工作壽命長(zhǎng)；

       (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(wèn)世以來(lái)得到了世界各國(guó)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(guò)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(zhǎng)從最開(kāi)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(jí)降至10^2 A/cm2量級(jí)；工作電流最小到亞mA量級(jí)；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(zhǎng)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(guò)程中存在的缺陷，在先進(jìn)光纖通信和感光化學(xué)探測(cè)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(lái)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(lái)制造高度敏感的萬(wàn)用探測(cè)器，以探測(cè)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。”

       ----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(zhǎng)發(fā)出單色光。相比之下，超寬帶激光器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)在更寬的光譜范圍內(nèi)選取波長(zhǎng)。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(zhǎng)久以來(lái)追求的一個(gè)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(gè)“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(zhǎng)范圍內(nèi)生成光，同時(shí)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(guò)程非常類似于一道電子瀑布。當(dāng)電流通過(guò)激光器時(shí)，電子瀑布將沿著能量階梯奔流而下；每當(dāng)其撞擊一級(jí)階梯時(shí)，就會(huì)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(guò)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(zhǎng)范圍產(chǎn)生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出：“從理論上講，波長(zhǎng)范圍可以更寬或更窄。選擇6~8微米范圍波長(zhǎng)發(fā)射激光，目的是更令人信服地演示我們的想法。未來(lái)，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>