长波长雷射二极体课件

1、化合物半導體報告雷射二極體教師： 王 俊 凱 班級： 微 電 四 甲組員： 任 啟 文 、 黃 冠 博第1页，共18页。前言目前雷射二極體已實用化，且廣泛的應用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測量上，如雷射印表機、光碟機以及光纖通訊等用途。雷射二極體之所以應用如此廣泛，主要是它除了有一般雷射特性（如單色光、聚焦性及干涉性等）還具備了低驅動功率、高光電轉換效率、高調制頻率。雷射二極體有很多種類， 一般以“波長”分類來區分它的應用。第2页，共18页。雷射二極體特性半導體射具有極小的體積、極輕的重、低操作電壓、高效、低耗能、可直接由電輸入調整功大小、可供應的射波長多、品質穩定、操作壽命長和可相容

2、於其他半導體元件等等優點。第3页，共18页。雷射二極體之基本構成要素主要有三個部分組成(1) 幫浦(pump)：以電流注入(current injection)方式，提供能量給增益介質，電子與電洞將透過上、下電極傳輸到增益介質內，使其能達到居量反轉(population inversion)的條件。第4页，共18页。(2)增益介質(gain medium )：活性層(active layer)可作為增益介質。原子受pumping 激發，躍遷至較低能階時所發出的光，即為我們將得到的雷射光。因此gain-medium 決定雷射光的波長。(3)光學共振腔(optical resonant cavit

3、y)：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，讓增益介質方出的光不斷反射而通過增益介質放大能量，當放大到可以穿透半反射鏡時，雷射便從半反射鏡發射出去。輸出耦合(output coupler)：此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對輸出的雷射波長有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產生共振的波長才能產生雷射。一般將GaAs 晶片由(110)面劈裂(cleaved)可形成自然反射鏡面(facet)。第5页，共18页。射發光機制發光可分成自發射和受激射。自發射指的是在傳導帶的電子在激發態的時間超過生命週期時後與在價電帶的電

4、洞輻射復合後，其所釋放出能量為光子(photo)，但這些光子間的相位皆不相同。 自發射的產品如發光二極體(LED) 。受激射指的是在導電帶的電子在激發態的時間尚未超過生命週期，即已受到光子的引誘，而發出與入射光子同調的光子，些光子又會引起更多的電子電洞結合放出更多的頻率相同且相位一致的光子。受激射的產品如射二極體(Laser Diode, LD)。自發輻射受激射第6页，共18页。雷射二極體之材料直接能隙半導體目前主要的半導體發光元件，不論是發光二極體或是雷射二極體皆屬於直接能隙(direct band gap)半導體。如GaAs及InP等化合物半導體材料。電子與電洞在這兩個允許能帶間的直接復合

5、並放出光子，整個過程不需要改變晶格動量既可完成，發光效率高。第7页，共18页。載子與光場侷限目前的半導體雷射二極體操作皆是採用順向偏壓(forward biased)方式來驅動並且採用p-i-n的雙異質(DH)結構或是量子井(QW)結構。典型的應用例子為AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs。位於中間的活性層為GaAs，其能隙比兩旁還小，如此之設計可以同時增加雷射二極體的載子侷限(carrier confinement)及光的侷限(optical confinement)能力，使雷射的性能大幅提升。第8页，共18页。雷射發光原理 雷射二極體與發光二極體均由PN半導體所構成的，注入

6、電流後藉由電洞(帶正電荷)與電子(帶負電荷)的結合而產生光能。 圖為發光二極體 圖為雷射二極體 第9页，共18页。雷射二極體與發光二極體的不同處 因為LED為自然放射光，故光線並不集中。 另一方面，雷射二極體多了光回饋的機制，並增加受激輻射，同時也產生了頻寬很窄的光，故光線是集中的。它可藉由透鏡將光線平行送到遠方，也可以將光線集中於一小點，且較一般的LED動作速度快，故應用於與LED不同的領域。第10页，共18页。雷射二極體波長關係雷射二極體依波長及應用大致分為短波長與長波長雷射兩大類。(一)短波長雷射泛指發光波長由390nm至950nm之雷射，主要使用於光碟機、雷射印表機、條碼機、掃描器及指

7、示器等光資訊及顯示應用。(二)長波長雷射則是指發光波長由980nm至1550nm之雷射，主要用於光纖通訊。 波長 (nm)及製作材料第11页，共18页。發光波長與材料系統 元件的發光波長與材料的能隙具有直接的關係，如780nm的雷射二極體的活性層必須選用AlxGa1-xAs(三元)材料，而紅光雷射二極體，波長從635nm-660nm範圍的活性層則必須選用InxGa1-xP(三元)材料。若發光波長為980nm-1100nm間，則以InxGa1-xAs當活性層居多。第12页，共18页。(一)短波長雷射二極體運用於資訊儲存系統(讀寫頭)，CD-R 或 CD-ROM 光碟機等光資訊用的短波長雷射二極體

8、，主要是以AlGaAs材料為主，在資訊儲存上的應用不同於目前的技術，在於藍光或更短波長的技術突破而導致短波雷射的發展。光光碟機(片)早期又分為大系統，分別由SONY 主導光盟(Blue-ray Disc Association, BDA)為主的Blue-ray Disc 和TOSHIBA主導HD-DVD 盟(HD DVD-Promotion Group)。2008 3 月TOSHIBA 堪虧損結束所有HD-DVD 的業務，所以目前只剩下以SONY 為主的Blue-ray Disc。光射取頭是用405 nm 的射光源。第13页，共18页。(二)長波長雷射二極體元件乃以InP基板磊晶製造而成，幾乎

9、運用於長距離光纖通訊系統上，充當光源之用。光纖通訊具有不受電磁波干擾、長距離傳輸以及通訊容量遠大於電纜線的優點，已逐漸成為通訊的主流，而其中光源主要是半導體雷射。目前，實用的光纖通訊光源是高穩定度的砷化鎵及砷化鋁鎵等半導體雷射，波長在0.8 1.5 微米之間。第14页，共18页。第15页，共18页。台 灣 目前國內只有工研院光電所有小量生產，1996年陸續有2家雷射二極體公司宣佈成立，一家是友嘉公司另外一家是嘉信光電公司，另有光寶電子默默的持續在開發中，以及交通部電信研究所從事光纖通訊用雷射二極體的開發，亦有不錯的成果。這些進展將使我國雷射二極體產業結構更為扎實。 我國目前使用雷射二極體的產業

10、有 (1)雷射指示器 (2)雷射二極體模組 (3)雷射二極體 (4)光儲存裝置(CD，LD，VCD，CD-ROM) 第16页，共18页。參考文獻網路摘剪:.tw/jmhwang/newsfile/Laserintro.htm.tw/products/opto_device/laser_diode/ld-gaiyou.html工研院經資中心維基百科台灣碩博士論文:.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi?o=dnclcdr&s=id=%22097NCUE5614015%22.&searchmode=basic.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi?o=dnclcdr&s=id=%22097NCTU5686028%22.&searchmode=basic.tw/cgi-bings32gsweb.cgio=