光电器件基础第三章半导体激光器(精).docx

光电器件基础第三章半导体激光器 §3.1半导体激光器的基础理论 §3.2半导体激光器的分类 §3.3半导体激光器的基本结构 §3.4几种常见的半导体激光器 §3.5半导体激光器的基本特性 §3.6量子阱激光器 激光是1964年钱学森首先倡议对LASER 一词的意译名。LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的首字母缩写，意思是 光的受激 发射放大”。激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器， 或理解为 激光振荡器”。1962年砷化傢同质结激光二极管实现了脉冲激射。 1963 年H. Kroeme首先提出了用AIGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射 的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。 1969年，前苏联 的Zh. I. Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了 AlGaAs/GaAs异质结激 光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代， H. Kroemer和Zh. I. Alferov因此 获得了 2000年诺贝尔物理学奖。本章着重介绍半导体激光器的基本原理、基本结 构和基本特性。 半导体激光器又称激光二极管（laser diode, LD ），是以半导体材料为工作物 质的一类激光器件。它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以 下优点：（1体积小，重量轻；（2驱动功率和电流较低；（3效率高，工作寿命长； （4可直接电调制；（5易于与各种光电子器件实现光电子集成；（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各国 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、红光扩展到 蓝紫光，阈值电流由105 A/cm2量级降至102 A/cm2量级，工作电流最小到亚 mA 量级，输出功率从最初的几 mW到现在的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 ）、分子束外延 （MBE ）、化学束外延（CBE ）等多种制备工艺。 §3.1半导体激光器的基础理论 3.1.1激光器的三大要素 广义而言，无论是固体激光器、气体激光器还是半导体激光器以及别的激光 器，若要发出激光，必须满足三个基本条件： （1能产生激光的物质。如镱铝石榴石（YAG ）、He-Ne气体、GaAs晶体等， 它们都具有一定的能级或能带结构和载流子复合速率等。对于半导体来说，直接带 隙半导体的发光效率比间接带隙半导体高 3个数量级，因此只有直接带隙半导体材 料才能制作激光器。 （2粒子数反转。在通常的情况下，高能态上的粒子数总是比低能态上的粒子 数少许多。这就像地球上的水总会向下流淌，高处的水总是比低处的水少许多，这 就是水的正常分布。可是人们可以通过某种方式，比如农田里的水泵，把江河湖海 中的水抽送（泵浦）到高处的田地里。我们同样可以采取某些措施，比如光照、高 压放电、电流注入、化学反应等不同方式把能量转换给能产生激光的物质，使其中 的粒子由低能态泵浦到高能态。如果泵浦能力足够强，使位于高能态上的粒子数目 远远大于该温度下平衡时低能态上的粒子数，从 而实现粒子数反转。假定在半导体材料中存在有两个能级 E 1和E 2，并且E 2 E1,分布于这两个能级上的电子数分别为 N 1和N 2。如果采用电注入或其他泵 浦方式使得N 2N 1 ,则实现了粒子数反转。 （3谐振腔。谐振腔对合适波长的光产生正反馈，使其获得足够大的增益，克 服内部和端面的损耗，从而发生谐振，产生激光振荡。谐振腔的作用犹如部队的连 长，它的口令使得全连战士的步伐整齐一致，非常有力。谐振腔起到了产生反馈、 选择波长、形成谐振、发出激光的作用。 在各种半导体材料中，凡是能带结构为直接带隙的半导体材料都适合于制作激 光器，也就是说，它们是合适的激光物质；半导体的泵浦方式有光照、电子束激发 和通过pn结注入载流子等许多种，前两种泵浦方式的效率不高，而 pn结注入是很 简便的方式。特别是异质结构具有高注入比和超注入等优异特性，可以非常方便有 效地在半导体结构中实现载流子数目的反转；半导体晶体的（ 110）面很容易解 理，这些解理面相互平行，又有一定的反射率，因而通过解理的方法很容易地就形 成了谐振腔。当然也可以通过周期性的光栅、布拉格反射器等方