半导体激光

半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。

激光二极体的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。

仪器简介

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物。

以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

工作原理及特点

半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。

封装技术

技术介绍

半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而半导体激光器封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。

发光部分

半导体激光器的核心发光部分是由P型和N型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。

顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。

用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

驱动电流

一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加。

目前，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。

进入21世纪后，半导体激光器的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙半导体激光器光效已达到100Im／W，绿半导体激光器为501m／W，单只半导体激光器的光通量也达到数十Im。半导体激光器芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强半导体激光器内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。

发展概况

小功率LD

用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。

高功率LD

1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。

近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。

发展过程

综述

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。

早期研究

在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。

像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。

制造器件

早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。

半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。

光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n区注人.于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器.

第二阶段

半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年).单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作.

1970年，实现了激光波长为9000Å.室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼铝砷)激光器.双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0.2Eam厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注人的载流子被限制在该区域内(有源区)，因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转.在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器.

随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄膜(<20nm)的半导体层作为激光器的激括层，以致于能够产生量子效应，结果会是怎么样?再加之由于MBE,MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能.后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点.

QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100人的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级.因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阅值电流特别低.半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器。

通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW).量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已达lOMW/cm3以上[c)而为了得到更大的输出功率，通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵。因此，量子阱激光器当采用阵列式集成结构时，输出功率则可达到l00w以上.近年来，高功率半导体激光器(特别是阵列器件)飞速发展，已经推出的产品有连续输出功率5,1ow,20w和30W的激光器阵列.脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50w.20W和1500W的阵列也已经商品化.一个4.5cmx9cm的二维阵列，其峰值输出功率已经超过45kW.峰值输出功率为350kW的二维阵列也已间世[3]

发展方向

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器.在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100，以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W[61.如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用。

接着，波长为650nm,635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，10mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中[a}为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光器，‘’电子束激励半导体激光器以及作为“集成光路”的最好光源的分布反馈激光器(DFB一LD)，分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成双波导激光器.另外，还有高功率无铝激光器(从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管子)、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等.其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制.分布反馈(DF式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功。

分布反馈式半导体激光器完全实现了单纵模运作，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景它是一种无腔行波激光器，激光振荡是由周期结构(或衍射光栅)形成光藕合提供的，不再由解理面构成的谐振腔来提供反馈，优点是易于获得单模单频输出，容易与纤维光缆、调制器等辆合，特别适宜作集成光路的光源.

单极性注人的半导体激光器是利用在导带内(或价带内)子能级间的热电子光跃迁以实现受激光发射，自然要使导带和价带内存在子能级或子能带，这就必须采用量子阱结构.单极性注人激光器能获得大的光功率输出，是一种商效率和超商速响应的半导体激光器，并对发展硅基激光器及短波激光器很有利.量子级联激光器的发明大大简化了在中红外到远红外这样宽波长范围内产生特定波长激光的途径.它只用同一种材料，根据层的厚度不同就能得到上述波长范围内的各种波长的激光。

同传统半导体激光器相比，这种激光器不需冷却系统，可以在室温下稳定操作.低维(量子线和量子点)激光器的研究发展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp长波长量子线(Qw+)激光器已做到9OkCW工作条件下Im=6.A,l=37A/cm2并有很高的量子效率.众多科研单位正在研制自组装量子点(QD)激光器，目前该QDLD已具有了高密度，高均匀性和高发射功率[U1.由于实际需要，半导体激光器的发展主要是围绕着降低阔值电流密度、延长工作寿命、实现室温连续工作，以及获得单模、单频、窄线宽和发展各种不同激射波长的器件进行的.

面发射器

20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器(SEL)，早在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面发射激光器在室温下达到亚毫安的网电流,8mW的输出功率和11%的转换效率[2)前面谈到的半导体激光器，从腔体结构上来说，不论是F一P(法布里一泊罗)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构。

它们都是沿着衬底片的平行方向出光的.而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F一p腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光器(VCSELS)是一种新型的量子阱激光器，它的激射阔值电流低，输出光的方向性好，藕合效率高，通过阵列化分布能得到相当强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71`C。

另外，垂直腔面发射激光器还具有两个不稳定的互相垂直的偏振横模输出，即x模和y模，目前对偏振开关和偏振双稳特性的研究也进入到了一个新阶段，人们可以通过改变光反馈、光电反馈、光注入、注入电流等等因素实现对偏振态的控制，在光开关和光逻辑器件领域获得新的进展。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用.980mn,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。

目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络[21为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID,短波长LD,盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面.目前，在这些方面取得了一系列重大的成果。