半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構成的Pn結或Pin結為工作物質的一種小型化激光器.半導體激光工作物質有幾十種，目前已制成激光器的半導體材料有砷化稼(GaAs)、砷化錮(InAs)、銻化錮(InSb)、硫化鍋(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化鉛(PbSe)、啼化鉛(PhTe)、鋁稼砷(A1xGa-As)、錮磷砷(In-PxAS)等.

    半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵式.

    絕大多數(shù)半導體激光器的激勵方式是電注入，即給Pn結加正向電壓，以使在結平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導體激光器又稱為半導體激光二極管.對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上.它們所發(fā)出的波長在3-34pm之間.其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA:雙異質結激光器，其輸出波長為750-890nm.

    世界上第一只半導體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術經(jīng)歷了由擴散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金屬有機化合物汽相淀積)，化學束外延(CBE)以及它們的各種結合型等多種工藝.其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時從最初的低溫(77K)下運轉發(fā)展到宰la下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結構簡單、能將電能直接轉換為激光能、功率轉換效率高(已達10%以上、最大可達50%).便于直接調制、省電等優(yōu)點，因此應用領域日益擴大.目前，固定波長半導體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應用領域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導體激光器所取代.

    半導體激光器最大的缺點是:激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差.但隨著科學技術的迅速發(fā)展，半導體激光器的研究正向縱深方向推進，半導體激光器的性能在不斷地提高.目前半導體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質量也有了很大的提高.以半導體激光器為核心的半導體光電子技術在21世紀的信息社會中將取得更大的進展，發(fā)揮更大的作用.

    本文對半導體激光器的工作原理、發(fā)展歷史和應用前景作一簡略的介紹.

    2  半導體激光器的工作原理

    半導體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件:(1)增益條件:建立起激射媒質(有源區(qū))內載流子的反轉分布。在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質結或異質結加正向偏壓，向有源層內注人必要的載流子來實現(xiàn)，將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶中去.當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用.

    (2)要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導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膜，而出光面鍍上減反膜.對F-p腔(法布里一拍羅腔)半導體激光器可以很方便地利用晶體的與P一n結平面相垂直的自然解理面構成F一P腔.

    (3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內的光場.這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉，粒子數(shù)反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件.當激光器達到閥值，具有特定波長的光就能在腔內諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出.可見在半導體激光器中，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體激光器而言，人們目前公認量子阱是半導體激光器發(fā)展的根本動力.量子線和量子點能否充分利用量子效應的課題已延至本世紀，科學家們已嘗試用自組織結構在各種材料中制作量子點，而GaInN量子點已用于半導體激光器.另外，科學家也已經(jīng)做出了另一類受激輻射過程的量子級聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導體導帶的一個次能級到同一能帶更低一級狀態(tài)的躍遷，由于只有導帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件.

    3  半導體激光器的發(fā)展歷史

    20世紀60年代初期的半導體激光器是同質結型激光器，它是在一種材料上制作的pn結二極管在正向大電流注人下，電子不斷地向p區(qū)注人，空穴不斷地向n區(qū)注入.于是，在原來的pn結耗盡區(qū)內實現(xiàn)了載流子分布的反轉，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū)發(fā)生輻射、復合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光，這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器.

    半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質結構半導體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如G&As, GaAlAs所組成，最先出現(xiàn)的是單異質結構激光器(1969年).單異質結注人型激光器(SHLD)是利用異質結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區(qū)之內，以此來降低閥值電流密度，其數(shù)值比同質結激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質結激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作.

    1970年，實現(xiàn)了激光波長為9000A.室溫連續(xù)工作的雙異質結GaA(砷化稼一稼鋁砷)激光器.雙異質結激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬，線寬和調諧性能逐步提高，其結構的特點是在P型和n型材料之間生長了僅有0.2Eam厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注人的載流子被限制在該區(qū)域內(有源區(qū))，因而注人較少的電流就可以實現(xiàn)載流子數(shù)的反轉.在半導體激光器件中，目前比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質結構的電注人式G&A。二極管激光器.

    隨著異質結激光器的研究發(fā)展，人們想到如果將超薄膜(<20nm)的半導體層作為激光器的激括層，以致于能夠產(chǎn)生量子效應，結果會是怎么樣?再加之由于MBE,MOCVD技術的成就，于是，在1978年出現(xiàn)了世界上第一只半導體量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半導體激光器的各種性能.后來，又由于MOCVD,MBE生長技術的成熟，能生長出高質量超精細薄層材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導體激光器與雙異質結(DH)激光器相比，具有闌值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉換效率等許多優(yōu)點.

    QWL在結構上的特點是它的有源區(qū)是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成，由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長，產(chǎn)生了量子效應，連續(xù)的能帶分裂為子能級.因此，特別有利于載流子的有效填充，所需要的激射閱值電流特別低.半導體激光器的結構中應用的主要是單、多量子阱，單量子阱(SQW)激光器的結構基本上就是把普通雙異質結(DH)激光器的有源層厚度做成數(shù)十nm以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結構稱為多量子阱(MQW).量子阱激光器單個輸出功率現(xiàn)已大于1w，承受的功率密度已達lOMW/cm3以上而為了得到更大的輸出功率，通�？梢园言S多單個半導體激光器組合在一起形成半導體激光器列陣。

    因此，量子阱激光器當采用陣列式集成結構時，輸出功率則可達到l00w以上.近年來，高功率半導體激光器(特別是陣列器件)飛速發(fā)展，已經(jīng)推出的產(chǎn)品有連續(xù)輸出功率5W,10W,20W和30W的激光器陣列.脈沖工作的半導體激光器峰值輸出功率50w，120W和1500W的陣列也已經(jīng)商品化.一個4.5cm×9cm的二維陣列，其峰值輸出功率已經(jīng)超過45BW.峰值輸出功率為350KW的二維陣列也已間世，從20世紀70年代末開始，半導體激光器明顯向著兩個方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器.在泵浦固體激光器等應用的推動下，高功率半導體激光器(連續(xù)輸出功率在100以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導體激光器)在20世紀90年代取得了突破性進展，其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體激光器已經(jīng)商品化，國內樣品器件輸出已達到600W[61.如果從激光波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導體激光器，接著是670nm紅光半導體激光器大量進人應用，接著，波長為650nm,635nm的問世，藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功，l0mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光器，也在加緊研制中為適應各種應用而發(fā)展起來的半導體激光器還有可調諧半導體激光器，電子束激勵半導體激光器以及作為“集成光路”的最好光源的分布反饋激光器(DFB一LD)，分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成雙波導激光器.另外，還有高功率無鋁激光器(從半導體激光器中除去鋁，以獲得更高輸出功率，更長壽命和更低造價的管子)、中紅外半導體激光器和量子級聯(lián)激光器等等.其中，可調諧半導體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長，可以很方便地對輸出光束進行調制.分布反饋(DFB)式半導體激光器是伴隨光纖通信和集成光學回路的發(fā)展而出現(xiàn)的，它于1991年研制成功，分布反饋式半導體激光器完全實現(xiàn)了單縱模運作，在相干技術領域中又開辟了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器，激光振蕩是由周期結構(或衍射光柵)形成光藕合提供的，不再由解理面構成的諧振腔來提供反饋，優(yōu)點是易于獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調制器等輛合，特別適宜作集成光路的光源.

    單極性注入的半導體激光器是利用在導帶內(或價帶內)子能級間的熱電子光躍遷以實現(xiàn)受激光發(fā)射，自然要使導帶和價帶內存在子能級或子能帶，這就必須采用量子阱結構.單極性注人激光器能獲得大的光功率輸出，是一種商效率和超商速響應的半導體激光器，并對發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內產(chǎn)生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料，根據(jù)層的厚度不同就能得到上述波長范圍內的各種波長的激光.同傳統(tǒng)半導體激光器相比，這種激光器不需冷卻系統(tǒng)，可以在室溫下穩(wěn)定操作.低維(量子線和量子點)激光器的研究發(fā)展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(Qw+)激光器已做到90kCW工作條件下Im  =6A,l=37A/cm2并有很高的量子效率.眾多科研單位正在研制自組裝量子點(QD)激光器，目前該QDLD已具有了高密度，高均勻性和高發(fā)射功率.由于實際需要，半導體激光器的發(fā)展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現(xiàn)室溫連續(xù)工作，以及獲得單模、單頻、窄線寬和發(fā)展各種不同激射波長的器件進行的.

    20世紀90年代出現(xiàn)并特別值得一提的是面發(fā)射激光器(SEL)，早在1977年，人們就提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年做出了第一個器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發(fā)射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面發(fā)射激光器在室溫下達到亞毫安的網(wǎng)電流,8mW的輸出功率和11%的轉換效率。前面談到的半導體激光器，從腔體結構上來說，不論是F一P(法布里一泊羅)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光輸出都是在水平方向，統(tǒng)稱為水平腔結構.它們都是沿著襯底片的平行方向出光的.而面發(fā)射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構成了垂直方向的F一p腔，光輸出沿著垂直于襯底片的方向發(fā)出，垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSEIS)是一種新型的量子阱激光器，它的激射闊值電流低，輸出光的方向性好，藕合效率高，能得到相當強的光功率輸出，垂直腔面發(fā)射激光器已實現(xiàn)了工作溫度最高達71攝氏度. 20世紀90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用.980mn,850nm和780nm的器件在光學系統(tǒng)中已經(jīng)實用化.目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡。

    為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導體激光器的發(fā)展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長LD,盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面.目前，在這些方面取得了一系列重大的成果.

    4  半導體激光器的應用

    半導體激光器是成熟較早、進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，應用范圍廣，目前已超過300種，半導體激光器的最主要應用領域是Gb局域網(wǎng)，850mn波長的半導體激光器適用于)1Gb/s。局域網(wǎng)，1300mn-1550nm波長的半導體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng).半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術.半導體激光器在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用，形成了廣闊的市場。

    1978年，半導體激光器開始應用于光纖通信系統(tǒng)，半導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).由于半導體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術緊密結合在一起，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、光計算機外部設備的光禍合等方面有重要用途.半導體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術的發(fā)展，到如今，它是當前光通信領域中發(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，沒有半導體激光器的出現(xiàn)，就沒有當今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質結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體激光器(DFB一LD).半導體激光器也廣泛地應用于光盤技術中，光盤技術是集計算技術、激光技術和數(shù)字通信技術于一體的綜合性技術.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段，它需要半導體激光器產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀出.

    下面我們具體來看看幾種常用的半導體激光器的應用:

    量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應用，同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效率、高可靠性和小型化的優(yōu)點，導致了固體激光器的不斷更新.

    在印刷業(yè)和醫(yī)學領域，高功率半導體激光器也有應用.另外，如長波長激光器(1976年，人們用GaInAsP/InP實現(xiàn)了長波長激光器)用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出.自從NaKamuxa實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應用，如CD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著很重要的應用，特別是紅光、綠光和藍光面發(fā)射激光器的應用更廣泛.藍綠光半導體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中.總之，可見光半導體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫人，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途.量子級聯(lián)激光的新型激光器應用于環(huán)境檢測和醫(yī)檢領域.另外,由于半導體激光器可以通過改變磁場或調節(jié)電流實現(xiàn)波長調諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導體激光器可以進行高分辨光譜研究.可調諧激光器是深人研究物質結構而迅速發(fā)展的激光光譜學的重要工具大功率中紅外(3.5lm)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、大氣窗口、自由空間通信、大氣監(jiān)視和化學光譜學等方面有廣泛的應用.

    綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器在光電子學中得到了廣泛的應用，如超高密度、光存儲.近場光學方案被認為是實現(xiàn)高密度光存儲的重要手段.垂直腔面發(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)療等方面、如前所述，半導體激光器自20世紀80年代初以來，由于取得了DFB動態(tài)單縱模激光器的研制成功和實用化，量子阱和應變層量子阱激光器的出現(xiàn)，大功率激光器及其列陣的進展，可見光激光器的研制成功，面發(fā)射激光器的實現(xiàn)、單極性注人半導體激光器的研制等等一系列的重大突破，半導體激光器的應用越來越廣泛，半導體激光器已成為激光產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，目前已成為各國發(fā)展信息、通信、家電產(chǎn)業(yè)及軍事裝備不可缺少的重要基礎器件.

    ----朗訊科技公司下屬研發(fā)機構貝爾實驗室的科學家們近日成功研制出世界上首款能夠在紅外波長光譜范圍內持續(xù)可靠地發(fā)射光的新型半導體激光器。新設備克服了原有寬帶激光發(fā)射過程中存在的缺陷，在先進光纖通信和感光化學探測器等領域有著廣闊的潛在應用。相關的制造技術可望成為未來用于光纖的高性能半導體激光器的基礎。

    ----有關新激光器性質的論文刊登2002年2月21日出版的《自然》雜志上。文章主要作者、貝爾實驗室物理學家Claire  Gmachl斷言：“超寬帶半導體激光器可用來制造高度敏感的萬用探測器，以探測大氣中的細微污染痕跡，還可用于制造諸如呼吸分析儀等新的醫(yī)療診斷工具�！�

    ----半導體激光器是一

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