半导体激光器及发展.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.06M 资料格式：doc 举报版权申诉

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“电子科学与技术”系列讲座论文班姓学级：名：号：指导教师： 2011 年 12 月 31 日半导体激光器的发展及应用

摘要: 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。本文对半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍。关键词: 受激辐射; 光场; 单异质结; 双异质结; 量子阱一、半导体激光器的发展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。世界上第一支半导体激光器是 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，红外到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了和大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法（LEP），气象外延法（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，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）下运转发展到室温下连续工作，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。 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. 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) 。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP - 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9000A,室温连续工作的双异质结GaAs - GaAlAs (砷化镓- 镓铝砷) 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. 2μm 厚的,不掺杂的,具有较窄能隙材料的一个薄层,因此注入的载流子被限制在该区域内(有源区) ,因而注入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入式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活层,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,具有阈值电流低、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1QWL 在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100A。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,特别有利于戴流子的有效填充,所需要的激射阈值电流特别低。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10MW/ cm3 以上[8 ]。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1。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100W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5W、10W、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50W1120W和1500W 的阵列也已经商品化。一个4. 5cm ×9cm 的二维阵列,其峰值输出功率已经超过45 KW ,峰值输出功率为350 KW的二维阵列也已问世[3 ]。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100mw 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[6 ]。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[8 ]。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 - LD) ,分布布喇格反射式激光器(DBR - LD) 和集成双波导激光器1 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1 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、掺杂量等改变激光的波长,可以很方便地对输出光束进行调制，分布反馈(DFB) 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) 形成光耦合提供的,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、调制器等耦合,特别适宜作集成光路的光源1单极性注入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，单极性注入激光器能获得大的光功率输出,是一种高效率和超高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Ga InAsP/ Inp 长波长量子线(QWi) 激光器已做到90kCW工作条件下Im = 6mA ,J m = 37A/ cm2 并有很高的量子效率1 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[4 ]。由于实际需要,半导体激光器的发展主要是围绕着降低阈值电流密度、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。 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11998 年Ga InAIP/ GaAs 面发射激光器在室温下达到亚毫安的阈电流,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 - P (法布里—珀罗) 腔或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 - 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,它的激射阈值电流低,输出光的方向性好, 耦合效率高,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 ℃。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1980nm、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[2 ]。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LD、短波长LD、量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[7 ]。二、半导体激光器的工作原理半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：增益条件：建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间处在高能态导带底的电子数比在低能态价带顶的空穴数大得多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量低的价带激发到能量较高的导带中去。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。要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对 F-p 腔（法布里-珀罗腔）半导体激光器可以很方便的利用晶体的与 p-n 结平面相垂直的自然解理面—[110]面构成 F-p 腔。为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的输出引起的损耗，不断增加腔内的光场，这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中方制作量子点，而 GaInN 量子点已用于半导体激光器。另外，科学家也已经做出另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只是导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。三、半导体激光器的应用半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围广，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过 300 种。半导体激光器的最主要应用领域是 Gb 局域网，850nm 波长的半导体激光器适用于>1Gh/s 局域网，1300-1500nm 波长的半导体激光器适用于 10Gb 局域网系统 [2]。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。 1.在产业和技术方面的应用光纤通信半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化光源，光纤通信已成为当代通信技术的直流光盘存取半导体激光已经用于光盘存储器，其最大优点是存储的声音、文字和图象信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密度。

光谱分析远红外可调谐半导体激光器已经用于环境分析，检测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程[ ]。光信息处理半导体激光器已经用于光信息处理系统。表面发射半导体激光器二维阵列式光并行处理系统的理想光源，将用于计算机和光神经网络。激光为细加工借助于 Q 开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲，可对集成电路进行切割、打孔等。激光报警器半导体激光报警的用途甚广，包括防盗报警、水位报警、车距报警等等。激光打印机高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。激光条码扫描器半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售，以及图书和档案的管理。泵浦固体激光器这是高功率半导体激光器的一个重要应用，采用它来取代原来的氙灯，可以构成全固态激光系统。 2.在医疗和生命科学研究方面的应用激光手术治疗半导体激光已经用于软组织切除，组织结合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等，均广泛的采用了这项技术。激光动力学治疗将对肿瘤有亲和性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内，通过半导体激光照射，使癌组织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害。生命科学研究使用半导体激光的“光镊”，可以扑捉活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于促进细胞合成，细胞相互作用等研究，还可以作为法医取证的诊断技术。经过近三十年来的开发，我国高功率半导体激光器的研制和生产技术已有了一定的基础和实力，例如 MOCVD 和ＭＢＥ等许多制备半导体激光器的先进设备。但与国际撒谎能够迅猛发展的势头相比，我们还有一些差距。要开发实用化的高功率半导体激光器，赶上国际先进水平，仍需要作出很大的努力，主要有以下三个方面：在高功率激光二极管器件的研制上要有更大的突破。首先要大力发展量子阱半导体激光器，在短期内研制出连续 1~10W、准连续 25~100W 或更高的高功率量子阱半导体激光器。其次在提高功率的同时，开发 808nm 以外新波段的半导体激光器，满足新型固体激光工作物质的要求。提高工艺水平及降低半导体激光器件的成本。国际市场上高功率半导体激光气的价格下降的速度很快。因此，在国际竞争中我们必须提高工艺水平，尽快降低高功率器件的成本，满足国内市场的需求。增加强度更有效地为经济建设服务。目前，国内研制高功率半导体激光器的大部分单位存在经费不足，难以稳定技术队伍的局面。为发展半导体激光技术，满足经济建设应用的需要，必须有足够的投资规模，使之达到预期的效果。总之，以半导体激光器为基础的工业大功率全光纤激光器近年来也取得了很大发展，由于其光束质量好、效率高、体积和重量小等优点，大有取代其他激光器的趋势。同工业光纤激光器相比，工业大功率半导体激光器的效率略高（高 5%～10％），但是光束质量较差。未来，大功率半导体激光器和光纤激光器的发展是相互促进的，大功率半导体激光器的光束质量越好，光纤耦合的半导体激光泵浦源的功率就越高，从而促进光纤激光器功率的提高，而光纤激光器的不断发展反过来又会带动半导体激光器光束质量的提高和发展。未来很有可能在激光焊接领域形成交集，但是光束质量的差异会使得工业用大功率半导体激光器主要用于贴近式激光焊接，而光纤激光器主要应用于远程激光焊接。四、结束语未来激光技术发展的主流方向已经发生改变，工业用大功率半导体激光器和以半导体激光器为基础的全光纤激光器已经进入工业应用和产业化的高速发展期，这将带动激光业乃至整个制造业的高速发展。在不久的将来，以半导体激光技术为核心的激光材料加工技术将不

断推动激光先进制造向着高效率、低能耗、短流程、高性能、高智能、数字化方向发展。参考文献： [1 ]江剑平，半导体激光器[M]，北京:电子工业出版社,2000 [2 ]程东明，世纪的半导体激光器[J ]，光机电信息,2002 (1) [3 ]李学千，半导体激光器的最新进展及其应用[J ]，长春光学精密机械学院学报,1997 (12) [4 ]王莉,张以谟,吴荣汉等，半导体激光器的进展[J ]激光与红外,1999 (10) [5 ]中康，半导体激光器的应用市场[J ]，微电子技术,1999 (10) [6 ]曹三松，高功率半导体激光器评述[J ]，激光技术,2000 (8) [7 ]何兴仁，半导体激光器的发展现状与趋势[J ]，光电子技术与信息,1999 (8) [8 ]李庄，激光器的新进展[J ]，激光生物学报,1998 (6)

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