[科普中國]-半導(dǎo)體激光

半導(dǎo)體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在1970年實(shí)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(jī)、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。

半導(dǎo)體激光器構(gòu)造及材料半導(dǎo)體激光器在基本構(gòu)造上，它屬于半導(dǎo)體的P-N接面，但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層（有源層），是“雙異質(zhì)結(jié)接合構(gòu)造”。而且在激光二極管中，將界面作為發(fā)射鏡（諧振腔）使用。在使用材料方面，有鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多量子阱型中，也使用Ga·Al·As等。

由于具有條狀結(jié)構(gòu)，即使是微小電流也會(huì)增加活性區(qū)域的電子數(shù)反轉(zhuǎn)密度，

優(yōu)點(diǎn)是激發(fā)容易呈現(xiàn)單一形式，而且，其壽命可達(dá)10~100萬小時(shí)。1

條件半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件：

增益條件：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實(shí)現(xiàn)，將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對F-p腔(法布里一拍羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P一n結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F一P腔。

為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。可見在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程對于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。量子線和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GaInN量子點(diǎn)已用于半導(dǎo)體激光器。另外，科學(xué)家也已經(jīng)做出了另一類受激輻射過程的量子級(jí)聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導(dǎo)體導(dǎo)帶的一個(gè)次能級(jí)到同一能帶更低一級(jí)狀態(tài)的躍遷，由于只有導(dǎo)帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件。1

特點(diǎn)激光二極管的優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕且價(jià)格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，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(dá)50W（帶寬100ns）等級(jí)的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激光雷達(dá)或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。

通常激光器封裝形式主要包括單管、Bar條、陣列（Stack）、光纖耦合模塊四種形式，其中光纖耦合模塊主要用作光纖激光器的泵浦光源。1

應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)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(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于Gh局域網(wǎng)，1300nm -1550nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。半導(dǎo)體激光器在激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場。1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)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(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng)。由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途。半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動(dòng)了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信。雙異質(zhì)結(jié)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(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB一LD)，半導(dǎo)體激光器也廣泛地應(yīng)用于光盤技術(shù)中，光盤技術(shù)是集計(jì)算技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)。2

工作原理半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式。利用半導(dǎo)體物質(zhì)，即利用電子在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)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)體激光器優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護(hù)管芯和完成電氣互連。而半導(dǎo)體激光器封裝則是完成輸出電信號(hào)，保護(hù)管芯正常工作、輸出可見光的功能。既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于半導(dǎo)體激光器。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟(jì)大學(xué)