半导体激光器件.pdf

阅读材料 半导体激光器 件 按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势 效应，即光—电变换。这里主要讨论前者。 半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。它是以半导体材料作为激光工作物质的一 类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD 。与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写 为 LED 。它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高 速工作等一系列优点。可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼 容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz) 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，LD 在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激 光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD 可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。 半导体激光器自1962 年问世以来，发展极为迅速。特别是进入20 世纪80 年代，借用 微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。以半导体LD 条和LD 堆 为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。 1 概 述 1）半导体激光器的分类 从半导体激光器的发射的激光看，可分为半导体结型二极管注入式激光器和垂直腔表面 发射半导体激光器两种类型；而从结型看，又可分为同质结和异质结两类；从制造工艺看， 又可为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器和量子阱半导体激光器激光器；另外， 为了提高半导体激光器的输出功率，增大有源区，将其做成列阵式，又可分为单元列阵、一 维线列阵、二维面阵等。 2 ）半导体激光器的工作原理 半导体激光器与其它激光器没有原则区别，只是因工作物质不同，而有其自身的特点。 图示给出了GaAs 激光器的外形及其管芯结构，在激光器的外壳上有一个输出激光的小窗口， 激光器的电极供外接电源用，外壳内是激光器管芯，管芯形状有长方形、台面形、电极条形 等多种。它的核心部分是PN 结。半导体激光器PN 结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切 开的，称为解理面，这两个表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成激光谐振腔。 激光可以从某一侧解理面输出，也可由两侧输出。 半导体材料是一种单晶体，各原子最外层的轨道互相重叠，导致半导体能级不再是分 立能级，而变成能带，如图所示。 在低温下，晶体中的电子都被原子紧紧束缚着，不能参与导电，价带以上的能带基本 上空的。当价带中的电子受到热或光的激发，获得足够的能量，即可跃迁到上面的导带。导 带与价带中的禁带宽度Eg 又取决于导带底的能量EC 和价带顶的能量E V，且有 E E E g C V 半导体材料很多，但目前常用的有两大类：一类是以砷化镓(GaAs)和镓铝砷(Ga Al As) ， l-x x 其中下标x 表示GaAs 中被Al 原子取代的Ga 原子的百分比数。x 值决定了波长，通常为850nm 左右。这种器件主要用于短距离光通信和固体激光器的泵浦源。另一类材料是以镓铟磷砷 (Ga In As P ，)和磷化铟(InP) ，其激活波长为920nm～1.65m 。特别是 1.3m 和 1.55m l-x x l-y y 广泛用于光纤通信中。 产生激光的机理与其它激光工作物质相似，半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自 发辐射过程。在电流或光的激励下，半导体价带上的电子获得能量，跃迁到导带上，在价带 中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。导带中的电子跃迁到价带上，与价带中的空穴 复合，同时把大约等于的能量以光子形式辐射出来，这相应于自发辐射或受激辐射。显然， 当半导体材料中实现粒子数反转，使得受激辐射为主，就可以实现光放大。如果构成谐振腔， 使光增益大于光损耗，就可以产生激光。 问题是，怎样才能在半导体中实现粒子数反转? 应当指出，半导体激光器的核心是PN 结，见图(a) ，它与一般的半导体PN 结的主要差 别是：半导体激光器是高掺杂的，即P 型半导体中的空穴极多，N 型半导体中的电子极多， 因此，半