半導體激光器

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生受激發射作用的器件。

簡介

工作原理是,通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時,便產生受激發射作用。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GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦),Insb(銻化銦)等材料制成的半導體面結型二極管,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結平面區域產生受激發射。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,以其他激光器發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,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,目前性能較好,應用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極管激光器。

發展概況

半導體激光器又稱激光二極管[1](LD)。進入八十年代,人們吸收了半導體物理發展的最新成果,采用了量子阱(QW)和應變量子阱(SL-QW)等新穎性結構,引進了折射率調制Bragg發射器以及增強調制Bragg發射器最新技術,同時還發展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術新工藝,使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長,達到原子層厚度的精度,生長出優質量子阱以及應變量子阱材料。于是,制作出的LD,其閾值電流顯著下降,轉換效率大幅度提高,輸出功率成倍增長,使用壽命也明顯加長。

A 小功率LD

用于信息技術領域的小功率LD發展極快。例如用于光纖通信光交換系統的分布反饋(DFB)和動態單模LD、窄線寬可調諧DFB-LD、用于光盤等信息處理技術領域的可見光波長(如波長為670nm、650nm、630nm的紅光到藍綠光)LD、量子阱面發射激光器以及超短脈沖LD等都得到實質性發展。這些器件的發展特征是:單頻窄線寬、高速率、可調諧以及短波長化和光電單片集成化等。

B 高功率LD

1983年,波長800nm的單個LD輸出功率已超過100mW,到了1989年,0.1mm條寬的LD則達到3.7W的連續輸出,而1cm線陣LD已達到76W輸出,轉換效率達39%。1992年,美國人又把指標提高到一個新水平:1cm線陣LD連續波輸出功率達121W,轉換效率為45%?,F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及其列陣的迅速發展也為全固化激光器,亦即半導體激光泵浦(LDP)的固體激光器的迅猛發展提供了強有力的條件。

近年來,為適應EDFA和EDFL等需要,波長980nm的大功率LD也有很大發展。最近配合光纖Bragg光柵作選頻濾波,大幅度改善其輸出穩定性,泵浦效率也得到有效提高。

半導體二極管激光器是實用中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制以獲得高速調制的激光輸出。由于這些優點,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以及獲得了廣泛的應用。

半導體激光器的發展

半導體物理學的迅速發展及隨之而來的晶體管的發明,使科學家們早在50年代就設想發明半導體激光器,60年代早期,很多小組競相進行這方面的研究。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月召開的固體器件研究國際會議上,美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯(Keyes)和奎斯特(Quist)報告了砷化鎵材料的光發射現象,這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾(Hall)的極大興趣,在會后回家的火車上他寫下了有關數據?;氐郊液?,哈爾立即制定了研制半導體激光器的計劃,并與其他研究人員一道,經數周奮斗,他們的計劃獲得成功。

像晶體二極管一樣,半導體激光器也以材料的p-n結特性為基礎,且外觀亦與前者類似,因此,半導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際限制,例如,只能在77K低溫下以微秒脈沖工作,過了8年多時間,才由貝爾實驗室和列寧格勒(現在的圣彼得堡)約飛(Ioffe)物理研究所制造出能在室溫下工作的連續器件。而足夠可靠的半導體激光器則直到70年代中期才出現。
 

半導體激光器體積非常小,最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴于激光材料,一般為0.6~1.55微米,由于多種應用的需要,更短波長的器件在發展中。據報導,以Ⅱ~Ⅳ價元素的化合物,如ZnSe為工作物質的激光器,低溫下已得到0.46微米的輸出,而波長0.50~0.51微米的室溫連續器件輸出功率已達10毫瓦以上。但迄今尚未實現商品化。

 光纖通信是半導體激光可預見的最重要的應用領域,一方面是世界范圍的遠距離海底光纖通信,另一方面則是各種地區網。后者包括高速計算機網、航空電子系統、衛生通訊網、高清晰度閉路電視網等。但就目前而言,激光唱機是這類器件的最大市場。其他應用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示,及各種醫療應用等。

20世紀60年代初期的半導體激光器是同質結型激光器,它是在一種材料上制作的pn結二極管在正向大電流注人下,電子不斷地向p區注人,空穴不斷地向n區注人.于是,在原來的pn結耗盡區內實現了載流子分布的反轉,由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快,在有源區發生輻射、復合,發射出熒光,在一定的條件下發生激光,這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器。

半導體激光器發展的第二階段是異質結構半導體激光器,它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層,如GaAs, GaAlAs所組成,最先出現的是單異質結構激光器(1969年).單異質結注人型激光器(SHLD)是利用異質結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區之內,以此來降低閥值電流密度,其數值比同質結激光器降低了一個數量級,但單異質結激光器仍不能在室溫下連續工作。

1970年,實現了激光波長為9000Å.室溫連續工作的雙異質結GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.雙異質結激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬,線寬和調諧性能逐步提高,其結構的特點是在P型和n型材料之間生長了僅有0. 2 Eam厚的,不摻雜的,具有較窄能隙材料的一個薄層,因此注人的載流子被限制在該區域內(有源區),因而注人較少的電流就可以實現載流子數的反轉。在半導體激光器件中,目前比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質結構的電注人式GaAs二極管激光器。

隨著異質結激光器的研究發展,人們想到如果將超薄膜(< 20nm)的半導體層作為激光器的激括層,以致于能夠產生量子效應,結果會是怎么樣?再加之由于MBE,MOCVD技術的成就,于是,在1978年出現了世界上第一只半導體量子阱激光器(QWL),它大幅度地提高了半導體激光器的各種性能.后來,又由于MOCVD,MBE生長技術的成熟,能生長出高質量超精細薄層材料,之后,便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器,量子阱半導體激光器與雙異質結(DH)激光器相比,具有闌值電流低、輸出功率高,頻率響應好,光譜線窄和溫度穩定性好和較高的電光轉換效率等許多優點。

QWL在結構上的特點是它的有源區是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成,由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長,產生了量子效應,連續的能帶分裂為子能級.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.半導體激光器的結構中應用的主要是單、多量子阱,單量子阱(SQW)激光器的結構基本上就是把普通雙異質結(DH)激光器的有源層厚度做成數十nm以下的一種激光器,通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數不發生交迭的周期結構稱為多量子阱(MQW ).量子阱激光器單個輸出功率現已大于1w,承受的功率密度已達l OMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率,通??梢园言S多單個半導體激光器組合在一起形成半導體激光器列陣。因此,量子阱激光器當采用陣列式集成結構時,輸出功率則可達到l00w以上.近年來,高功率半導體激光器(特別是陣列器件)飛速發展,已經推出的產品有連續輸出功率5 W ,1ow,20w和30W的激光器陣列.脈沖工作的半導體激光器峰值輸出功率50w. 120W和1500W的陣列也已經商品化.一個4. 5 cm x 9cm的二維陣列,其峰值輸出功率已經超過45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已問世。

從20世紀70年代末開始,半導體激光器明顯向著兩個方向發展,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用的推動下,高功率半導體激光器(連續輸出功率在100, 以上,脈沖輸出功率在5W以上,均可稱之謂高功率半導體激光器)在20世紀90年代取得了突破性進展,其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加,國外千瓦級的高功率半導體激光器已經商品化,國內樣品器件輸出已達到600W[61.如果從激光波段的被擴展的角度來看,先是紅外半導體激光器,接著是670nm紅光半導體激光器大量進人應用,接著,波長為650nm,635nm的問世,藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功,10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光器,也在加緊研制中[a}為適應各種應用而發展起來的半導體激光器還有可調諧半導體激光器,電子束激勵半導體激光器以及作為“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)和集成雙波導激光器.另外,還有高功率無鋁激光器(從半導體激光器中除去鋁,以獲得更高輸出功率,更長壽命和更低造價的管子)、中紅外半導體激光器和量子級聯激光器等等.其中,可調諧半導體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長,可以很方便地對輸出光束進行調制.分布反饋(DF 式半導體激光器是伴隨光纖通信和集成光學回路的發展而出現的,它于1991年研制成功,分布反饋式半導體激光器完全實現了單縱模運作,在相干技術領域中又開辟了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器,激光振蕩是由周期結構(或衍射光柵)形成光藕合提供的,不再由解理面構成的諧振腔來提供反饋,優點是易于獲得單模單頻輸出,容易與纖維光纜、調制器等輛合,特別適宜作集成光路的光源。

單極性注人的半導體激光器是利用在導帶內(或價帶內)子能級間的熱電子光躍遷以實現受激光發射,自然要使導帶和價帶內存在子能級或子能帶,這就必須采用量子阱結構.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的半導體激光器,并對發展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級聯激光器的發明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內產生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料,根據層的厚度不同就能得到上述波長范圍內的各種波長的激光.同傳統半導體激光器相比,這種激光器不需冷卻系統,可以在室溫下穩定操作.低維(量子線和量子點)激光器的研究發展也很快,日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(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(QD)激光器,目前該QDLD已具有了高密度,高均勻性和高發射功率[U1.由于實際需要,半導體激光器的發展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現室溫連續工作,以及獲得單模、單頻、窄線寬和發展各種不同激射波長的器件進行的。

20世紀90年代出現并特別值得一提的是面發射激光器(SEL),早在1977年,人們就提出了所謂的面發射激光器,并于1979年做出了第一個器件,1987年做出了用光泵浦的780nm的面發射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面發射激光器在室溫下達到亞毫安的網電流,8mW的輸出功率和11%的轉換效率[2)前面談到的半導體激光器,從腔體結構上來說,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,統稱為水平腔結構.它們都是沿著襯底片的平行方向出光的.而面發射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構成了垂直方向的F一p腔,光輸出沿著垂直于襯底片的方向發出,垂直腔面發射半導體激光器(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,通過陣列化分布能得到相當強的光功率輸出,垂直腔面發射激光器已實現了工作溫度最高達71 `C。另外,垂直腔面發射激光器還具有兩個不穩定的互相垂直的偏振橫模輸出,即x模和y模,目前對偏振開關和偏振雙穩特性的研究也進入到了一個新階段,人們可以通過改變光反饋、光電反饋、光注入、注入電流等等因素實現對偏振態的控制,在光開關和光邏輯器件領域獲得新的進展。20世紀90年代末,面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展,且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用.980mn,850nm和780nm的器件在光學系統中已經實用化.目前,垂直腔面發射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡[21為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要,半導體激光器的發展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長LD,盆子線和量子點激光器、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。
 

半導體激光器的應用

半導體激光器是成熟較早、進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,并且由于體積小、重量輕、壽命長,因此,品種發展快,應用范圍廣,目前已超過300種,半導體激光器的最主要應用領域是Gb局域網,850nm波長的半導體激光器適用于)1Gh/。局域網,1300nm -1550nm波長的半導體激光器適用于1OGb局域網系統[i1.半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域,已成為當今光電子科學的核心技術.半導體激光器在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用,形成了廣闊的市場。1978年,半導體激光器開始應用于光纖通信系統,半導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模集成電路平面工藝組成光電子系統.由于半導體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優異特點,所以這類器件的發展,一開始就和光通信技術緊密結合在一起,它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統、光信息處理和光存貯、光計算機外部設備的光禍合等方面有重要用途.半導體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術的發展,到如今,它是當前光通信領域中發展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源.半導體激光器再加上低損耗光纖,對光纖通信產生了重大影響,并加速了它的發展.因此可以說,沒有半導體激光器的出現,就沒有當今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質結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無不都采用分布反饋式半導體激光器(DFB一LD).半導體激光器也廣泛地應用于光盤技術中,光盤技術是集計算技術、激光技術和數字通信技術于一體的綜合性技術.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段,它需要半導體激光器產生的光束將信息寫人和讀出。

下面我們具體來看看幾種常用的半導體激光器的應用:

量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應用,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*性和小型化的優點,導致了固體激光器的不斷更新。

在印刷業和醫學領域,高功率半導體激光器也有應用.另外,如長波長激光器(1976年,人們用Ga[nAsP/InP實現了長波長激光器)用于光通信,短波長激光器用于光盤讀出.自從NaKamuxa實現了GaInN/GaN藍光激光器,可見光半導體激光器在光盤系統中得到了廣泛應用,如CD播放器,DVD系統和高密度光存儲器可見光面發射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著很重要的應用,特別是紅光、綠光和藍光面發射激光器的應用更廣泛.藍綠光半導體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中.總之,可見光半導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、高密度光盤存儲系統、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.量子級聯激光的新型激光器應用于環境檢測和醫檢領域.另外,由于半導體激光器可以通過改變磁場或調節電流實現波長調諧,且已經可以獲得線寬很窄的激光輸出,因此利用半導體激光器可以進行高分辨光譜研究.可調諧激光器是深入研究物質結構而迅速發展的激光光譜學的重要工具大功率中紅外(3.5lm)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、大氣窗口、自由空間通信、大氣監視和化學光譜學等方面有廣泛的應用。

綠光到紫外光的垂直腔面發射器在光電子學中得到了廣泛的應用,如超高密度、光存儲.近場光學方案被認為是實現高密度光存儲的重要手段.垂直腔面發射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫療等方面I2)、如前所述,半導體激光器自20世紀80年代初以來,由于取得了DFB動態單縱模激光器的研制成功和實用化,量子阱和應變層量子阱激光器的出現,大功率激光器及其列陣的進展,可見光激光器的研制成功,面發射激光器的實現、單極性注人半導體激光器的研制等等一系列的重大突破,半導體激光器的應用越來越廣泛,半導體激光器已成為激光產業的主要組成部分,目前已成為各國發展信息、通信、家電產業及軍事裝備不可缺少的重要基礎器件。

其他資料

----朗訊科技公司下屬研發機構貝爾實驗室的科學家們近日成功研制出世界上首款能夠在紅外波長光譜范圍內持續可*地發射光的新型半導體激光器。新設備克服了原有寬帶激光發射過程中存在的缺陷,在先進光纖通信和感光化學探測器等領域有著廣闊的潛在應用。相關的制造技術可望成為未來用于光纖的高性能半導體激光器的基礎。

 ----有關新激光器性質的論文刊登2002年2月21日出版的《自然》雜志上。文章主要作者、貝爾實驗室物理學家Claire Gmachl斷言:“超寬帶半導體激光器可用來制造高度敏感的萬用探測器,以探測大氣中的細微污染痕跡,還可用于制造諸如呼吸分析儀等新的醫療診斷工具。”

 ----半導體激光器是一種非常方便的光源,具備緊湊、耐用、便攜和強大等特點。然而,典型半導體激光器通常為窄帶設備,只能以特有波長發出單色光。相比之下,超寬帶激光器具有顯著的優勢,可以同時在更寬的光譜范圍內選取波長。制造出可在范圍廣泛的操作環境下可*運行的超寬帶激光器正是科學家們長久以來追求的一個目標。

----為了研制出新型的激光器,貝爾實驗室科學家們采用了650余種光子學中使用的標準半導體材料,并將其疊放在一起組成一個“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微的差別,并在特有的短波長范圍內生成光,同時與其他各組之間保持透明. 所有這些層面組結合在一起,就能發射出寬帶激光。

----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體激光器。QC激光器由Federico Capasso和AlfredCho及其同事于1994年在貝爾實驗室發明,其操作過程非常類似于一道電子瀑布。當電流通過激光器時,電子瀑布將沿著能量階梯奔流而下;每當其撞擊一級階梯時,就會放射出紅外光子。這些紅外光子在包含電子瀑布的半導體共振器內前后反射,從而激發出其他光子。這一放大過程將產生出很高的輸出能量。

----超寬帶激光器可在6~8微米紅外波長范圍產生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出:“從理論上講,波長范圍可以更寬或更窄。選擇6~8微米范圍波長發射激光,目的是更令人信服地演示我們的想法。未來,我們可以根據諸如光纖應用等具體應用的特定需求量身定制激光器。”
 

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