4000W以上半导体激光器设计制造技术

1、第四项需求技术 1、需求技术的名称 4000W以上半导体激光器设计制造技术 2、本单位技术现状 半导体激光器又称激光二极管 （LD ）。我们吸收了半导体物理 发展的最新成果，采用了量子阱（ QW）和应变量子阱（ SL-QW）等 新颖性结构， 引进了折射率调制 Bragg 发射器以及增强调制 Bragg 发射器最新技术， 同时还发展了 MBE、MOCVD及 CBE等晶体生长技 术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达 到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。 于是， 制作出的 LD，其阈值电流显著下降， 转换效率大幅度提高， 输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长

2、3、技术需求详述 （1）驱动电流 一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度发生变化，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需要限制在一定范 围内 （ 2）决定波长的因素 半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料 的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以 让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带 之间隔着一条禁带，

3、当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中 去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价 带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光 电器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半 导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需 要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突 破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。 （ 3 ） 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

4、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。常规半导体激光器封装是将边正 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

5、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。 （

6、4 ） 通信方式 我们主要采用光纤通信的方式，这也是半导体激光可预见的 最重 要 的 应 用 领 域 ， 光 纤 通信技 术 （ optical fiber communications ）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要 支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为 一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕 见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的 主要传送工具。我们采用组成 PROFIBUS现场总线技术， PROFIBU，S 是一种国际化开放式不依赖于设备生产商的现场总线标准。 PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud12Mb

7、aud范围内选择且当总线系统 启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。 广泛适用 于制造业自动化、 流程工业自动化和楼宇、 交通电力等其他领域自动 化。 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据 通信与控制的现场总线技术。 可实现现场设备层到车间级监控的分散 式数字控制和现场通信网络， 从而为实现工厂综合自动化和现场设备 智能化提供了可行的解决方案。 4、经济技术指标： 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流 Ith 、工 作电流 Iop 、垂直发散角 、水平发散角 、监控电流 Im。 （ 1） 波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管 波长有 635nm、 650nm、 670nm、激光二极管 690nm、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm等。 （ 2） 阈值电流 Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一 般小功率激光管而言， 其值约在数十毫安， 具有应变多量子 阱结构的激光管阈值电流可低至 10mA以下。 （ 3） 工作电流 Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流， 此值对于设计调试激光驱动电流较重要。 （4） 垂直发散角 ：激光二极管的发光带在垂直 张开的角度，一般在 15?40?左右。 （5） 水平发散角