半導體激光器基礎(chǔ)知識詳情

半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質(zhì)的激光器。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。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)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。

半導體二極管激光器是最實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GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面得到了廣泛的應用。

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件……其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質(zhì)的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導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。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等材料制成的半導體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。

光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶（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體激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶（如PbS,CdS,ZhO等）做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，性能較好，應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。

激光器

半導體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在1970年實現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管（Laser diode）等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器。

激光二極體的優(yōu)點有：效率高、體積小、重量輕且價格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達到數(shù)15%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達50W（脈寬100ns）等級的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激光雷達或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。

工作原理

根據(jù)固體的能帶理論，半導體材料中電子的能級形成能帶。高能量的為導帶，低能量的為價帶，兩帶被禁帶分開。引入半導體的非平衡電子-空穴對復合時，把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去，這就是載流子的復合發(fā)光。

一般所用的半導體材料有兩大類，直接帶隙材料和間接帶隙材料，其中直接帶隙半導體材料如GaAs（砷化鎵）比間接帶隙半導體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率，發(fā)光效率也高得多。

半導體復合發(fā)光達到受激發(fā)射（即產(chǎn)生激光）的必要條件是：①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布分別從P型側(cè)和n型側(cè)注入到有源區(qū)的載流子密度十分高時，占據(jù)導帶電子態(tài)的電子數(shù)超過占據(jù)價帶電子態(tài)的電子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。②光的諧振腔在半導體激光器中，諧振腔由其兩端的鏡面組成，稱為法布里一珀羅腔。③高增益用以補償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發(fā)射的損耗和介質(zhì)的光吸收。

半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件：

（1）要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；

（2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；

（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

半導體激光器優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

決定因素

半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關(guān)的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

損耗關(guān)系

激光器的腔體可以有諧振腔和外腔之分。在諧振腔里，激光器的損耗有很多種類，比如偏折損耗，法布里珀羅諧振腔就有較大偏折損耗，而共焦腔的偏折損耗較小，適合于小功率連續(xù)輸出激光，還比如反轉(zhuǎn)粒子的無輻射躍遷損耗（這類損耗可以歸為白噪聲）等等之類的，都是腔長長損耗大。激光器閾值電流不過就是能讓激光器起振的電流，諧振腔長短的不同可以使得閾值電流有所不同，半導體激光器中，像邊發(fā)射激光器腔長較長，閾值電流相對較大，而垂直腔面發(fā)射激光器腔長極短，閾值電流就非常低了。這些都不是一兩句話可以說的清楚的，它們各自的速率方程也都不同，不是一兩個式子能解釋的。另外諧振腔長度不同也可以達到選模的作用，即輸出激光的頻率不同。

常用參數(shù)

半導體激光器的常用參數(shù)可分為：波長、閾值電流Ith 、工作電流Iop 、垂直發(fā)散角θ⊥、水平發(fā)散角θ∥、監(jiān)控電流Im。

（1）波長：即激光管工作波長，可作光電開關(guān)用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、激光二極管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）閾值電流Ith ：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

（3）工作電流Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅(qū)動電流，此值對于設(shè)計調(diào)試激光驅(qū)動電路較重要。

（4）垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度，一般在15?~40?左右。

（5）水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在6?~ 10?左右。

（6）監(jiān)控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。

激光二極管在計算機上的光盤驅(qū)動器，激光打印機中的打印頭，條形碼掃描儀，激光測距、激光醫(yī)療，光通訊，激光指示等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應用，在舞臺燈光、激光手術(shù)、激光焊接和激光武器等大功率設(shè)備中也得到了應用。

半導體激光器特性

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

（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現(xiàn)光電子集成；

（6） 與半導體制造技術(shù)兼容；可大批量生產(chǎn)。由于這些特點，半導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、應用最廣泛、最早走出實驗室實現(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，半導體激光器已經(jīng)從最初的低溫77K、脈沖運轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫連續(xù)工作、工作波長從最開始的紅外、紅光擴展到藍紫光；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。制作方法從擴散法發(fā)展到液相外延、LPE、氣相外延、VPE、金屬有機化合物淀積、MOCVD、分子束外延、MBE、化學束外延、CBE等多種制備工藝。

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