半导体激光器

§2.2半导体激光器

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2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件●

2.2.2半导体激光器的结构

●2.2.3半导体激光器特性●2.2.4LD的应用半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，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。半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（InAs）、氮化镓（GaN）、锑化铟（InSb）、硫化镉（Cds）、蹄化镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（PhTe）、铝镓砷（A1xGaAs）、铟磷砷（In-PxAs）等。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器的激励方式主要有电注人式、光泵浦式和高能电子束激励式三种。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3-34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaAs双异质结激光器，其输出波长为750-890nm。世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法（LPE），气相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD方法（金属有机化合物汽相淀积），化学束外延（CBE）以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器其激射阈值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时。从最初的低温（77K）下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级（阵列器件）。它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高（已达10%以上、最大可达50%）、便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大（一般在几度到20度之间），所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。§2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件激光器稳定工作的必要条件:（1）粒子数反转产生增益

粒子数反转（populationinversion）是产生激光的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。（2）提供光的反馈——解理面其中最简单的是法布里——珀罗腔图2.2.1-1激光二极管的谐振腔注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L（晶体中易于劈裂的平面称为“解理面”。凡显露在晶体外表的晶面往往是一些解理面。）在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。

粒子数反转分布的产生：增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光施加附加的限制——异质结的引入。异质结（DH：Double-Heterostructure）：就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。获得粒子数反转分布图2.2.1-2DH激光器工作原理（a）双异质结构；（b）能带；（c）折射率分布；（d）光功率分布（d）Pn～5%折射率（c）复合空穴异质势垒E电子能量（b）PGa1-xAl

xAsPN+（a）-GaAsGa1-yAl

yAs不同于常规激光出射波段单一，半导体激光的发光特点决定了出射波段非常丰富。

"fortheirresearchesonsemiconductorsandtheirdiscoveryofthetransistoreffect"WilliamShockley

JohnBardeen

WalterHouserBrattain

获奖评语：现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会，它的发展必须具备两个简单但又是基本先决条件：一是快速，二是体积小，而这项发明满足了这两个要求。A.爱因斯坦对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律1921诺贝尔物理学奖A.M.普洛霍罗夫在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作

1964诺贝尔物理学奖1964C.H.汤斯在量子电子学的基础研究导致根据微波激射器和激光器原理构成振荡器和放大器1964诺贝尔物理学奖N.G.巴索夫

用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作1964诺贝尔物理学奖半导体激光器研究前沿垂直于有源层方向上运动的载流子动能可量子化成分立的能级，这类似于一维势阱的量子力学问题，因而这类激光器叫做量子阱激光器。夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体（如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的半导体激光器其厚度约为100～200nm，但随着有源层厚度的减小，如5～10nm，载流子在垂直于有源层方向上出现量子效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器。这种激光器发光效率更高，电流阈值更小，出射光单色性更好。ΔECE3CE2CE1CΔEVE1VE2VE3V导带价带LxE1VE2VEg(GaAlAs)hvEg(GaAs)§2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。增益曲线损耗vI§2.2.2半导体激光器的结构§2.2.2半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如图2.2.2-1所示。图2.2.2-1

大面积半导体激光器电流金属接触P型N型有源层300μm200μm100μm解理面这样的激光器面积大，称为大面积激光器。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构。图2.2.2-2增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器，其结构如图2.2.2-2所示。将一绝缘层介质（SiO2）淀积在P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器。绝缘介质P-InGaAsPInGaAsPP-InPN-InPN+-InP衬底二、折射率导引型半导体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为折射率导引型半导体激光器。图2.2.2-3折射率导引型半导体激光器接点N-InPN+-InP衬底SiO2SiO2P-InPInGaAsP有源层§2.2.3半导体激光器的特性一、光谱特性图2.2.3-1GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图图2.2.3-1为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模。驱动电流增大→

→832830828826824832830828826824832830828826824当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态单纵模激光器。二、*激光束的空间分布近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。三、转换效率与输出光功率特性由此得到式中，P和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和Ith分别为对应的阈值，hf与e分别为光子能量与电子电荷。（2.2.3-1）（2.2.3-2）激光器的电——光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。

激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图2.2.3-3为典型LD的光功率特性曲线。当时，激光器发出的是自发辐射光，当时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。图2.2.3-3典型LD的光功率特性曲线543210050100I

/mA发射光功率P/mW

四、温度特性温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图2.2.3-4给出了LD的P-I曲线随温度变化的实例。图2.2.3-4LD的P-I曲线随温度的变化发射光功率P/mW543210050100I

/mA22℃50℃70℃§2.2.4LD的应用

一、光纤通信系统的光源二、光学测量系统的光源三、其他应用目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纤通讯领域。405nm-670nm为可见光波段，780nm-1550nm为红外光波段，390nm-370nm为紫外光波段。半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。舞台灯半导体激光刻字机脉冲激光打标机激光打印机激光切割雕刻机激光焊机（图）模具激光烧焊机激光打孔机激光灯激光表演激光金属焊接机激光角度测量仪激光拉曼光谱仪激光笔分辨瞄准仪激光投线仪激光指向仪激光定位准直仪条形码光驱CD机激光头医用半导体激光器激光外科半导体激光治疗机阿波罗登月探测激光雷达机载激光武器激光制导反舰巡航导弹战斧式陆射巡航导弹激光枪激光炮激光武器激光武器激光武器美国波音公司用于反导的机载激光武器系统。

脉冲激光测距利用了激光的方向性强、能量时空相对集中的优点。脉冲激光测距在有反射器的情况下(见下图，在2处