半導(dǎo)體激光器

§2.2半導(dǎo)體激光器

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2.2.1光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件●

2.2.2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)

●2.2.3半導(dǎo)體激光器特性●2.2.4LD的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)或PIN結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。其工作原理是受激輻射，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)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(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化稼（GaAs）、砷化銦（InAs）、氮化鎵（GaN）、銻化銦（InSb）、硫化鎘（Cds）、蹄化鎘（CdTe）、硒化鉛（PbSe）、啼化鉛（PhTe）、鋁鎵砷（A1xGaAs）、銦磷砷（In-PxAs）等。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(dǎo)體激光器的激勵方式主要有電注人式、光泵浦式和高能電子束激勵式三種。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注人，即給PN結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管。對半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長分布在一個很寬的范圍上。它們所發(fā)出的波長在0.3-34μm之間。其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長為750-890nm。世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法（LPE），氣相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD方法（金屬有機(jī)化合物汽相淀積），化學(xué)束外延（CBE）以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝。半導(dǎo)體激光器其激射閾值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時。從最初的低溫（77K）下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到在常溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級（陣列器件）。它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高（已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%）、便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，固定波長半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代。半導(dǎo)體激光器最大的缺點是：激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大（一般在幾度到20度之間），所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究正向縱深方向推進(jìn)，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高。目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達(dá)到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有了很大的提高。以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)在21世紀(jì)的信息社會中將取得更大的進(jìn)展，發(fā)揮更大的作用?！?.2.1光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件激光器穩(wěn)定工作的必要條件:（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（populationinversion）是產(chǎn)生激光的前提。一個原子可以在不同的能級之間躍遷。在通常情況下，因為熱力學(xué)的平衡態(tài)服從波爾茲曼分布律，使得處于基態(tài)（最低能級）的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于處于激發(fā)態(tài)（較高能級）的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了形成足夠的激發(fā)輻射，得到激光，就必須用一定的方法去激發(fā)原子群體，使亞穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。（2）提供光的反饋——解理面其中最簡單的是法布里——珀羅腔圖2.2.1-1激光二極管的諧振腔注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L（晶體中易于劈裂的平面稱為“解理面”。凡顯露在晶體外表的晶面往往是一些解理面。）在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的產(chǎn)生：增益區(qū)的導(dǎo)帶有大量的電子，價帶大量是空穴，在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。這種光發(fā)射的范圍寬、不集中、效率低。要真正實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以發(fā)射激光，必須對載流子及發(fā)射光施加附加的限制——異質(zhì)結(jié)的引入。異質(zhì)結(jié)（DH：Double-Heterostructure）：就是由帶隙寬度及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布圖2.2.1-2DH激光器工作原理（a）雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；（b）能帶；（c）折射率分布；（d）光功率分布（d）Pn～5%折射率（c）復(fù)合空穴異質(zhì)勢壘E電子能量（b）PGa1-xAl

xAsPN+（a）-GaAsGa1-yAl

yAs不同于常規(guī)激光出射波段單一，半導(dǎo)體激光的發(fā)光特點決定了出射波段非常豐富。

"fortheirresearchesonsemiconductorsandtheirdiscoveryofthetransistoreffect"WilliamShockley

JohnBardeen

WalterHouserBrattain

獲獎評語：現(xiàn)代信息技術(shù)近幾十年深刻改變了人類社會，它的發(fā)展必須具備兩個簡單但又是基本先決條件：一是快速，二是體積小，而這項發(fā)明滿足了這兩個要求。A.愛因斯坦對現(xiàn)物理方面的貢獻(xiàn)，特別是闡明光電效應(yīng)的定律1921諾貝爾物理學(xué)獎A.M.普洛霍羅夫在量子電子學(xué)中的研究工作導(dǎo)致微波激射器和激光器的制作

1964諾貝爾物理學(xué)獎1964C.H.湯斯在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究導(dǎo)致根據(jù)微波激射器和激光器原理構(gòu)成振蕩器和放大器1964諾貝爾物理學(xué)獎N.G.巴索夫

用于產(chǎn)生激光光束的振蕩器和放大器的研究工作1964諾貝爾物理學(xué)獎半導(dǎo)體激光器研究前沿垂直于有源層方向上運(yùn)動的載流子動能可量子化成分立的能級，這類似于一維勢阱的量子力學(xué)問題，因而這類激光器叫做量子阱激光器。夾于寬帶隙半導(dǎo)體（如GaAlAs）中間的窄帶隙半導(dǎo)體（如GaAs）起著載流子（電子和空穴）陷阱的作用，一般的半導(dǎo)體激光器其厚度約為100～200nm，但隨著有源層厚度的減小，如5～10nm，載流子在垂直于有源層方向上出現(xiàn)量子效應(yīng)，即出現(xiàn)量子化分立能級，稱之為量子阱激光器。這種激光器發(fā)光效率更高，電流閾值更小，出射光單色性更好。ΔECE3CE2CE1CΔEVE1VE2VE3V導(dǎo)帶價帶LxE1VE2VEg(GaAlAs)hvEg(GaAs)§2.2.1光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益。為達(dá)到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。一個縱模只有在其增益大于或等于損耗時，才能成為工作模式，即在該頻率上形成激光輸出。有2個以上縱模激振的激光器，稱為多縱模激光器。通過在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一個模式激振，這樣的激光器稱為單縱模激光器。增益曲線損耗vI§2.2.2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)§2.2.2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖2.2.2-1所示。圖2.2.2-1

大面積半導(dǎo)體激光器電流金屬接觸P型N型有源層300μm200μm100μm解理面這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實際的激光器采用了增益導(dǎo)引型和折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。圖2.2.2-2增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器一、增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流限制在一個窄條里，這樣的激光器稱為條形半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如圖2.2.2-2所示。將一絕緣層介質(zhì)（SiO2）淀積在P層上，中間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的增益來實現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。絕緣介質(zhì)P-InGaAsPInGaAsPP-InPN-InPN+-InP襯底二、折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器通過在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計而形成的波導(dǎo)，引入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問題，這種激光器稱為折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。圖2.2.2-3折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器接點N-InPN+-InP襯底SiO2SiO2P-InPInGaAsP有源層§2.2.3半導(dǎo)體激光器的特性一、光譜特性圖2.2.3-1GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖圖2.2.3-1為GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性。波長取決于激光器的光學(xué)腔長，稱為激光器的縱模。驅(qū)動電流增大→

→832830828826824832830828826824832830828826824當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為靜態(tài)單縱模激光器。二、*激光束的空間分布近場是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。由于激光腔為矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此近場分布表征其橫模特性，在平行于結(jié)平面的方向，光強(qiáng)呈現(xiàn)周期性的空間分布，稱為多橫模；在垂直于結(jié)平面的方向，由于諧振腔很薄，這個方向的場圖總是單橫模。三、轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流，Pth和Ith分別為對應(yīng)的閾值，hf與e分別為光子能量與電子電荷。（2.2.3-1）（2.2.3-2）激光器的電——光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義為在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)。

激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示，圖2.2.3-3為典型LD的光功率特性曲線。當(dāng)時，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng)時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。圖2.2.3-3典型LD的光功率特性曲線543210050100I

/mA發(fā)射光功率P/mW

四、溫度特性溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。圖2.2.3-4給出了LD的P-I曲線隨溫度變化的實例。圖2.2.3-4LD的P-I曲線隨溫度的變化發(fā)射光功率P/mW543210050100I

/mA22℃50℃70℃§2.2.4LD的應(yīng)用

一、光纖通信系統(tǒng)的光源二、光學(xué)測量系統(tǒng)的光源三、其他應(yīng)用目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纖通訊領(lǐng)域。405nm-670nm為可見光波段，780nm-1550nm為紅外光波段，390nm-370nm為紫外光波段。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業(yè)探測、測試測量儀器、激光顯示、醫(yī)療儀器、軍事、安防、野外探測、建筑類掃平及標(biāo)線類儀器、實驗室及教學(xué)演示、舞臺燈光及激光表演、激光水平尺及各種標(biāo)線定位等。半導(dǎo)體激光器的一些獨特優(yōu)點使之非常適合于軍事上的應(yīng)用，如野外測距、槍炮等的瞄準(zhǔn)、射擊模擬系統(tǒng)、致盲、對潛通信制導(dǎo)、引信、安防等。由于可用普通電池驅(qū)動，使一些便攜式武器設(shè)備配置成為可能。舞臺燈半導(dǎo)體激光刻字機(jī)脈沖激光打標(biāo)機(jī)激光打印機(jī)激光切割雕刻機(jī)激光焊機(jī)（圖）模具激光燒焊機(jī)激光打孔機(jī)激光燈激光表演激光金屬焊接機(jī)激光角度測量儀激光拉曼光譜儀激光筆分辨瞄準(zhǔn)儀激光投線儀激光指向儀激光定位準(zhǔn)直儀條形碼光驅(qū)CD機(jī)激光頭醫(yī)用半導(dǎo)體激光器激光外科半導(dǎo)體激光治療機(jī)阿波羅登月探測激光雷達(dá)機(jī)載激光武器激光制導(dǎo)反艦巡航導(dǎo)彈戰(zhàn)斧式陸射巡航導(dǎo)彈激光槍激光炮激光武器激光武器激光武器美國波音公司用于反導(dǎo)的機(jī)載激光武器系統(tǒng)。

脈沖激光測距利用了激光的方向性強(qiáng)、能量時空相對集中的優(yōu)點。脈沖激光測距在有反射器的情況下(見下圖，在2處