2014年05月21日

半导体激光器基础知识解析

  半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异,不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 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在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。

  半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长,并可采用简单的注入电流的方式来泵浦,其工作电压和电流与集成电兼容,因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点,半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。

  半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件……其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,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。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器,一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射。

  光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中,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。

  半导体激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激发,在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良,开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(Laser diode)等,广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光器(激光笔),是目前生产量最大的激光器。

  激光二极体的优点有:效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%,P-N型也达到数15%~25%,总而言之能量效率高是其最大特色。另外,它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围,而光脉冲输出达50W(脉宽100ns)等级的产品也已商业化,作为激光雷达或激发光源可说常容易使用的激光的例子。

  根据固体的能带理论,半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带,低能量的为价带,两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时,把的能量以发光形式辐射出去,这就是载流子的复合发光。

  一般所用的半导体材料有两大类,直接带隙材料和间接带隙材料,其中直接带隙半导体材料如GaAs(砷化镓)比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率,发光效率也高得多。

  半导体复合发光达到受激发射(即产生激光)的必要条件是:①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时,占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数,就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中,谐振腔由其两端的镜面组成,称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。

  (1)要产生足够的 粒子数反转分布,即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数;

  (2)有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用,使受激辐射光子增生,从而产生激光震荡;

  半导体激光器工作原理是激励方式,利用半导体物质(即利用电子)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,导带可以让电子,而价带下面可以让空穴,导带和价带之间隔着一条禁带,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扩展到更宽的范围。

  激光器的腔体可以有谐振腔和外腔之分。在谐振腔里,激光器的损耗有很多种类,比如偏折损耗,法布里珀罗谐振腔就有较大偏折损耗,而共焦腔的偏折损耗较小,适合于小功率连续输出激光,还比如反转粒子的无辐射跃迁损耗(这类损耗可以归为白噪声)等等之类的,都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不过就是能让激光器起振的电流,谐振腔长短的不同可以使得阈值电流有所不同,半导体激光器中,像边发射激光器腔长较长,阈值电流相对较大,而垂直腔面发射激光器腔长极短,阈值电流就非常低了。这些都不是一两句话可以说的清楚的,它们各自的速率方程也都不同,不是一两个式子能解释的。另外谐振腔长度不同也可以达到选模的作用,即输出激光的频率不同。

  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θ⊥、水平发散角θ∥、电流Im。

  (1)波长:即激光管工作波长,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较重要。

  (4)垂直发散角θ⊥:激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度,一般在15?~40?左右。

  (5)水平发散角θ∥:激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度,一般在6?~ 10?左右。

  (6)电流Im :即激光管在额定输出功率时,在PIN管上流过的电流。

  激光二极管在计算机上的光盘驱动器,激光打印机中的打印头,条形码扫描仪,激光测距、激光医疗,光通讯,激光等小功率光电设备中得到了广泛的应用,在舞台灯光、激光手术、激光焊接和激光武器等大功率设备中也得到了应用。

  laser diode是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。除了具有激光器的共同特点外,还具有以下优点:

  (6) 与半导体制造技术兼容;可大批量生产。由于这些特点,半导体激光器自问世以来得到了世界的广泛关注与研究。成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。经过40多年的发展,半导体激光器已经从最初的低温77K、脉冲运转发展到室温连续工作、工作波长从最开始的红外、扩展到蓝紫光;阈值电流由10^5 A/cm2量级降至10^2 A/cm2量级;工作电流最小到亚mA量级;输出功率从几mW到阵列器件输出功率达数kW;结构从同质结发展到单异质结、双异质结、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型、DFB、分布布拉格反射型、DBR等270多种形式。制作方法从扩散法发展到液相外延、LPE、气相外延、VPE、金属有机化合物淀积、MOCVD、束外延、MBE、化学束外延、CBE等多种制备工艺。