長(zhǎng)波長(zhǎng)雷射二極體課件

1、化合物半導(dǎo)體報(bào)告雷射二極體教師： 王 俊 凱 班級(jí)： 微 電 四 甲組員： 任 啟 文 、 黃 冠 博第1頁，共18頁。前言目前雷射二極體已實(shí)用化，且廣泛的應(yīng)用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測(cè)量上，如雷射印表機(jī)、光碟機(jī)以及光纖通訊等用途。雷射二極體之所以應(yīng)用如此廣泛，主要是它除了有一般雷射特性（如單色光、聚焦性及干涉性等）還具備了低驅(qū)動(dòng)功率、高光電轉(zhuǎn)換效率、高調(diào)制頻率。雷射二極體有很多種類， 一般以“波長(zhǎng)”分類來區(qū)分它的應(yīng)用。第2頁，共18頁。雷射二極體特性半導(dǎo)體射具有極小的體積、極輕的重、低操作電壓、高效、低耗能、可直接由電輸入調(diào)整功大小、可供應(yīng)的射波長(zhǎng)多、品質(zhì)穩(wěn)定、操作壽命長(zhǎng)和可相容

2、於其他半導(dǎo)體元件等等優(yōu)點(diǎn)。第3頁，共18頁。雷射二極體之基本構(gòu)成要素主要有三個(gè)部分組成(1) 幫浦(pump)：以電流注入(current injection)方式，提供能量給增益介質(zhì)，電子與電洞將透過上、下電極傳輸?shù)皆鲆娼橘|(zhì)內(nèi)，使其能達(dá)到居量反轉(zhuǎn)(population inversion)的條件。第4頁，共18頁。(2)增益介質(zhì)(gain medium )：活性層(active layer)可作為增益介質(zhì)。原子受pumping 激發(fā)，躍遷至較低能階時(shí)所發(fā)出的光，即為我們將得到的雷射光。因此gain-medium 決定雷射光的波長(zhǎng)。(3)光學(xué)共振腔(optical resonant cavit

3、y)：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，讓增益介質(zhì)方出的光不斷反射而通過增益介質(zhì)放大能量，當(dāng)放大到可以穿透半反射鏡時(shí)，雷射便從半反射鏡發(fā)射出去。輸出耦合(output coupler)：此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對(duì)輸出的雷射波長(zhǎng)有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長(zhǎng)才能產(chǎn)生雷射。一般將GaAs 晶片由(110)面劈裂(cleaved)可形成自然反射鏡面(facet)。第5頁，共18頁。射發(fā)光機(jī)制發(fā)光可分成自發(fā)射和受激射。自發(fā)射指的是在傳導(dǎo)帶的電子在激發(fā)態(tài)的時(shí)間超過生命週期時(shí)後與在價(jià)電帶的電

4、洞輻射復(fù)合後，其所釋放出能量為光子(photo)，但這些光子間的相位皆不相同。 自發(fā)射的產(chǎn)品如發(fā)光二極體(LED) 。受激射指的是在導(dǎo)電帶的電子在激發(fā)態(tài)的時(shí)間尚未超過生命週期，即已受到光子的引誘，而發(fā)出與入射光子同調(diào)的光子，些光子又會(huì)引起更多的電子電洞結(jié)合放出更多的頻率相同且相位一致的光子。受激射的產(chǎn)品如射二極體(Laser Diode, LD)。自發(fā)輻射受激射第6頁，共18頁。雷射二極體之材料直接能隙半導(dǎo)體目前主要的半導(dǎo)體發(fā)光元件，不論是發(fā)光二極體或是雷射二極體皆屬於直接能隙(direct band gap)半導(dǎo)體。如GaAs及InP等化合物半導(dǎo)體材料。電子與電洞在這兩個(gè)允許能帶間的直接復(fù)合

5、並放出光子，整個(gè)過程不需要改變晶格動(dòng)量既可完成，發(fā)光效率高。第7頁，共18頁。載子與光場(chǎng)侷限目前的半導(dǎo)體雷射二極體操作皆是採(cǎi)用順向偏壓(forward biased)方式來驅(qū)動(dòng)並且採(cǎi)用p-i-n的雙異質(zhì)(DH)結(jié)構(gòu)或是量子井(QW)結(jié)構(gòu)。典型的應(yīng)用例子為AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs。位於中間的活性層為GaAs，其能隙比兩旁還小，如此之設(shè)計(jì)可以同時(shí)增加雷射二極體的載子侷限(carrier confinement)及光的侷限(optical confinement)能力，使雷射的性能大幅提升。第8頁，共18頁。雷射發(fā)光原理 雷射二極體與發(fā)光二極體均由PN半導(dǎo)體所構(gòu)成的，注入

6、電流後藉由電洞(帶正電荷)與電子(帶負(fù)電荷)的結(jié)合而產(chǎn)生光能。 圖為發(fā)光二極體 圖為雷射二極體 第9頁，共18頁。雷射二極體與發(fā)光二極體的不同處 因?yàn)長(zhǎng)ED為自然放射光，故光線並不集中。 另一方面，雷射二極體多了光回饋的機(jī)制，並增加受激輻射，同時(shí)也產(chǎn)生了頻寬很窄的光，故光線是集中的。它可藉由透鏡將光線平行送到遠(yuǎn)方，也可以將光線集中於一小點(diǎn)，且較一般的LED動(dòng)作速度快，故應(yīng)用於與LED不同的領(lǐng)域。第10頁，共18頁。雷射二極體波長(zhǎng)關(guān)係雷射二極體依波長(zhǎng)及應(yīng)用大致分為短波長(zhǎng)與長(zhǎng)波長(zhǎng)雷射兩大類。(一)短波長(zhǎng)雷射泛指發(fā)光波長(zhǎng)由390nm至950nm之雷射，主要使用於光碟機(jī)、雷射印表機(jī)、條碼機(jī)、掃描器及指

7、示器等光資訊及顯示應(yīng)用。(二)長(zhǎng)波長(zhǎng)雷射則是指發(fā)光波長(zhǎng)由980nm至1550nm之雷射，主要用於光纖通訊。 波長(zhǎng) (nm)及製作材料第11頁，共18頁。發(fā)光波長(zhǎng)與材料系統(tǒng) 元件的發(fā)光波長(zhǎng)與材料的能隙具有直接的關(guān)係，如780nm的雷射二極體的活性層必須選用AlxGa1-xAs(三元)材料，而紅光雷射二極體，波長(zhǎng)從635nm-660nm範(fàn)圍的活性層則必須選用InxGa1-xP(三元)材料。若發(fā)光波長(zhǎng)為980nm-1100nm間，則以InxGa1-xAs當(dāng)活性層居多。第12頁，共18頁。(一)短波長(zhǎng)雷射二極體運(yùn)用於資訊儲(chǔ)存系統(tǒng)(讀寫頭)，CD-R 或 CD-ROM 光碟機(jī)等光資訊用的短波長(zhǎng)雷射二極體

8、，主要是以AlGaAs材料為主，在資訊儲(chǔ)存上的應(yīng)用不同於目前的技術(shù)，在於藍(lán)光或更短波長(zhǎng)的技術(shù)突破而導(dǎo)致短波雷射的發(fā)展。光光碟機(jī)(片)早期又分為大系統(tǒng)，分別由SONY 主導(dǎo)光盟(Blue-ray Disc Association, BDA)為主的Blue-ray Disc 和TOSHIBA主導(dǎo)HD-DVD 盟(HD DVD-Promotion Group)。2008 3 月TOSHIBA 堪虧損結(jié)束所有HD-DVD 的業(yè)務(wù)，所以目前只剩下以SONY 為主的Blue-ray Disc。光射取頭是用405 nm 的射光源。第13頁，共18頁。(二)長(zhǎng)波長(zhǎng)雷射二極體元件乃以InP基板磊晶製造而成，幾乎

9、運(yùn)用於長(zhǎng)距離光纖通訊系統(tǒng)上，充當(dāng)光源之用。光纖通訊具有不受電磁波干擾、長(zhǎng)距離傳輸以及通訊容量遠(yuǎn)大於電纜線的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為通訊的主流，而其中光源主要是半導(dǎo)體雷射。目前，實(shí)用的光纖通訊光源是高穩(wěn)定度的砷化鎵及砷化鋁鎵等半導(dǎo)體雷射，波長(zhǎng)在0.8 1.5 微米之間。第14頁，共18頁。第15頁，共18頁。臺(tái) 灣 目前國(guó)內(nèi)只有工研院光電所有小量生產(chǎn)，1996年陸續(xù)有2家雷射二極體公司宣佈成立，一家是友嘉公司另外一家是嘉信光電公司，另有光寶電子默默的持續(xù)在開發(fā)中，以及交通部電信研究所從事光纖通訊用雷射二極體的開發(fā)，亦有不錯(cuò)的成果。這些進(jìn)展將使我國(guó)雷射二極體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更為扎實(shí)。 我國(guó)目前使用雷射二極體的產(chǎn)業(yè)

10、有 (1)雷射指示器 (2)雷射二極體模組 (3)雷射二極體 (4)光儲(chǔ)存裝置(CD，LD，VCD，CD-ROM) 第16頁，共18頁。參考文獻(xiàn)網(wǎng)路摘剪:.tw/jmhwang/newsfile/Laserintro.htm.tw/products/opto_device/laser_diode/ld-gaiyou.html工研院經(jīng)資中心維基百科臺(tái)灣碩博士論文:.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi?o=dnclcdr&s=id=%22097NCUE5614015%22.&searchmode=basic.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi?o=dnclcdr&s=id=%22097NCTU5686028%22.&searchmode=basic.tw/cgi-bings32gsweb.cgio=