半導體雷射
Q-Line纖綠半導體雷射器半導體雷射（Semiconductorlaser）在1962年被成功激發，在1970年實現室溫下連續輸出。後來經過改良，開發出雙異質接合型雷射及條紋型構造的雷射二極體（Laserdiode）等，廣泛使用於光纖通信、光碟、雷射印表機、雷射掃描器、雷射指示器（雷射筆），是目前生產量最大的雷射器。
雷射二極體的優點是效率高、體積小、重量輕且價格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達到數%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續輸出波長涵蓋了紅外線到可見光範圍，而光脈衝輸出達50W（頻寬100ns）等級的產品也已商業化，作為雷射雷達或激發光源可說是非常容易使用的雷射的例子。
儀器簡介
半導體雷射器是以一定的半導體材料做工作物質而產生受激發射作用的器件.其工作原理是,通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時,便產生受激發射作用.半導體雷射器的激勵方式主要有三種,即電注入式,光泵式和高能電子束激勵式.電注入式半導體雷射器,一般是由GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦),Insb(銻化銦)等材料製成的半導體面結型二極體,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結平面區域產生受激發射.光泵式半導體雷射器,一般用N型或P型半導體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質,以其他雷射器發出的雷射作光泵激勵.高能電子束激勵式半導體雷射器,一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質,通過由外部注入高能電子束進行激勵.在半導體雷射器件中,目前性能較好,套用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極體雷射器.
工作原理及特點
半導體雷射器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(既利用電子)在能帶間躍遷發光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振盪、反饋、產生光的輻射放大，輸出雷射。
半導體雷射器雷射器優點是體積小，重量輕，運轉可靠，耗電少，效率高等特點。
封裝技術
技術介紹
半導體雷射器封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而半導體雷射器封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數，又有光參數的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用於半導體雷射器。
發光部分
半導體雷射器的核心發光部分是由P型和N型半導體構成的pn結管芯，當注入pn結的少數載流子與多數載流子複合時，就會發出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的，即向各個方向發射有相同的幾率，因此，並不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決於半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，套用要求提高半導體雷射器的內、外部量子效率。常規Φ5mm型半導體雷射器封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然後其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射。頂部包封的環氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；採用不同的形狀和材料性質(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內部的全反射臨界角很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收，易發生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若採用尖形樹脂透鏡，可使光集中到半導體雷射器的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。
驅動電流
一般情況下，半導體雷射器的發光波長隨溫度變化為0．2-0．3nm／℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經pn結，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，半導體雷射器的發光強度會相應地減少1％左右，封裝散熱；時保持色純度與發光強度非常重要，以往多採用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數半導體雷射器的驅動電流限制在20mA左右。但是，半導體雷射器的光輸出會隨電流的增大而增加，目前，很多功率型半導體雷射器的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結構，全新的半導體雷射器封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。例如，採用大面積晶片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的矽載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在套用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。
進入21世紀後，半導體雷射器的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新，紅、橙半導體雷射器光效已達到100Im／W，綠半導體雷射器為501m／W，單只半導體雷射器的光通量也達到數十Im。半導體雷射器晶片和封裝不再沿龔傳統的設計理念與製造生產模式，在增加晶片的光輸出方面，研發不僅僅限於改變材料內雜質數量，晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強半導體雷射器內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉最佳化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。
發展概況
小功率LD
用於信息技術領域的小功率LD發展極快。例如用於光纖通信及光交換系統的分布反饋(DFB)和動態單模LD、窄線寬可調諧DFB-LD、用於光碟等信息處理技術領域的可見光波長(如波長為670nm、650nm、630nm的紅光到藍綠光)LD、量子阱面發射雷射器以及超短脈衝LD等都得到實質性發展。這些器件的發展特徵是：單頻窄線寬、高速率、可調諧以及短波長化和光電單片集成化等。
高功率LD
1983年，波長800nm的單個LD輸出功率已超過100mW，到了1989年，0.1mm條寬的LD則達到3.7W的連續輸出，而1cm線陣LD已達到76W輸出，轉換效率達39%。1992年，美國人又把指標提高到一個新水平：1cm線陣LD連續波輸出功率達121W，轉換效率為45%。現在，輸出功率為120W、1500W、3kW等諸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列陣的迅速發展也為全固化雷射器，亦即半導體雷射泵浦(LDP)的固體雷射器的迅猛發展提供了強有力的條件。
近年來，為適應EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發展。最近配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩定性，泵浦效率也得到有效提高。
發展過程
綜述
半導體物理學的迅速發展及隨之而來的電晶體的發明，使科學家們早在50年代就構想發明半導體雷射器，60年代早期，很多小組競相進行這方面的研究。在理論分析方面，以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最為傑出。早期研究
在1962年7月召開的固體器件研究國際會議上，美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光發射現象，這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾（Hall）的極大興趣，在會後回家的火車上他寫下了有關數據。回到家後，哈爾立即制定了研製半導體雷射器的計畫，並與其他研究人員一道，經數周奮鬥，他們的計畫獲得成功。像晶體二極體一樣，半導體雷射器也以材料的p-n結特性為基礎，且外觀亦與前者類似，因此，半導體雷射器常被稱為二極體雷射器或雷射二極體。
製造器件
早期的雷射二極體有很多實際限制，例如，只能在77K低溫下以微秒脈衝工作，過了8年多時間，才由貝爾實驗室和列寧格勒（現在的聖彼得堡）約飛（Ioffe）物理研究所製造出能在室溫下工作的連續器件。而足夠可靠的半導體雷射器則直到70年代中期才出現。半導體雷射器體積非常小，最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴於雷射材料，一般為0.6～1.55微米，由於多種套用的需要，更短波長的器件在發展中。據報導，以Ⅱ～Ⅳ價元素的化合物，如ZnSe為工作物質的雷射器，低溫下已得到0.46微米的輸出，而波長0.50～0.51微米的室溫連續器件輸出功率已達10毫瓦以上。但迄今尚未實現商品化。
光纖通信是半導體雷射可預見的最重要的套用領域，一方面是世界範圍的遠距離海底光纖通信，另一方面則是各種地區網。後者包括高速計算機網、航空電子系統、衛生通訊網、高清晰度閉路電視網等。但就目前而言，雷射唱機是這類器件的最大市場。其他套用包括高速列印、自由空間光通信、固體雷射泵浦源、雷射指示，及各種醫療套用等。
20世紀60年代初期的半導體雷射器是同質結型雷射器，它是在一種材料上製作的pn結二極體在正向大電流注人下，電子不斷地向p區注人，空穴不斷地向n區注人.於是，在原來的pn結耗盡區內實現了載流子分布的反轉，由於電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區發生輻射、複合，發射出螢光，在一定的條件下發生雷射，這是一種只能以脈衝形式工作的半導體雷射器.
第二階段
半導體雷射器發展的第二階段是異質結構半導體雷射器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如GaAs,GaAlAs所組成，最先出現的是單異質結構雷射器(1969年).單異質結注人型雷射器(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區之內，以此來降低閥值電流密度，其數值比同質結雷射器降低了一個數量級，但單異質結雷射器仍不能在室溫下連續工作.1970年，實現了雷射波長為9000Å.室溫連續工作的雙異質結GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)雷射器.雙異質結雷射器(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域內(有源區)，因而注人較少的電流就可以實現載流子數的反轉.在半導體雷射器件中，目前比較成熟、性能較好、套用較廣的是具有雙異質結構的電注人式GaAs二極體雷射器.
隨著異質結雷射器的研究發展，人們想到如果將超薄膜(<20nm)的半導體層作為雷射器的激括層，以致於能夠產生量子效應，結果會是怎么樣?再加之由於MBE,MOCVD技術的成就，於是，在1978年出現了世界上第一隻半導體量子阱雷射器(QWL)，它大幅度地提高了半導體雷射器的各種性能.後來，又由於MOCVD,MBE生長技術的成熟，能生長出高質量超精細薄層材料，之後，便成功地研製出了性能更加良好的量子阱雷射器，量子阱半導體雷射器與雙異質結(DH)雷射器相比，具有闌值電流低、輸出功率高，頻率回響好，光譜線窄和溫度穩定性好和較高的電光轉換效率等許多優點.
QWL在結構上的特點是它的有源區是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成，由於勢阱寬度小於材料中電子的德布羅意波的波長，產生了量子效應，連續的能帶分裂為子能級.因此，特別有利於載流子的有效填充，所需要的激射閱值電流特別低.半導體雷射器的結構中套用的主要是單、多量子阱，單量子阱(SQW)雷射器的結構基本上就是把普通雙異質結(DH)雷射器的有源層厚度做成數十nm以下的一種雷射器，通常把勢壘較厚以致於相鄰勢阱中電子波函式不發生交迭的周期結構稱為多量子阱(MQW).量子阱雷射器單個輸出功率現已大於1w，承受的功率密度已達lOMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率，通常可以把許多單個半導體雷射器組合在一起形成半導體雷射器列陣。因此，量子阱雷射器當採用陣列式集成結構時，輸出功率則可達到l00w以上.近年來，高功率半導體雷射器(特別是陣列器件)飛速發展，已經推出的產品有連續輸出功率5W,1ow,20w和30W的雷射器陣列.脈衝工作的半導體雷射器峰值輸出功率50w.120W和1500W的陣列也已經商品化.一個4.5cmx9cm的二維陣列，其峰值輸出功率已經超過45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已間世[3]
發展方向
從20世紀70年代末開始，半導體雷射器明顯向著兩個方向發展，一類是以傳遞信息為目的的信息型雷射器.另一類是以提高光功率為目的的功率型雷射器.在泵浦固體雷射器等套用的推動下，高功率半導體雷射器(連續輸出功率在100，以上，脈衝輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導體雷射器)在20世紀90年代取得了突破性進展，其標誌是半導體雷射器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體雷射器已經商品化，國內樣品器件輸出已達到600W[61.如果從雷射波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導體雷射器，接著是670nm紅光半導體雷射器大量進入套用，接著，波長為650nm,635nm的問世，藍綠光、藍光半導體雷射器也相繼研製成功，10mw量級的紫光乃至紫外光半導體雷射器，也在加緊研製中[a}為適應各種套用而發展起來的半導體雷射器還有可調諧半導體雷射器，‘’電子束激勵半導體雷射器以及作為“集成光路”的最好光源的分布反饋雷射器(DFB一LD)，分布布喇格反射式雷射器(DBR一LD)和集成雙波導雷射器.另外，還有高功率無鋁雷射器(從半導體雷射器中除去鋁，以獲得更高輸出功率，更長壽命和更低造價的管子)、中紅外半導體雷射器和量子級聯雷射器等等.其中，可調諧半導體雷射器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變雷射的波長，可以很方便地對輸出光束進行調製.分布反饋(DF式半導體雷射器是伴隨光纖通信和集成光學迴路的發展而出現的，它於1991年研製成功，分布反饋式半導體雷射器完全實現了單縱模運作，在相干技術領域中又開闢了巨大的套用前景它是一種無腔行波雷射器，雷射振盪是由周期結構(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，優點是易於獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調製器等輛合，特別適宜作集成光路的光源.單極性注人的半導體雷射器是利用在導帶內(或價帶內)子能級間的熱電子光躍遷以實現受雷射發射，自然要使導帶和價帶記憶體在子能級或子能帶，這就必須採用量子阱結構.單極性注人雷射器能獲得大的光功率輸出，是一種商效率和超商速回響的半導體雷射器，並對發展矽基雷射器及短波雷射器很有利.量子級聯雷射器的發明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長範圍內產生特定波長雷射的途徑.它只用同一種材料，根據層的厚度不同就能得到上述波長範圍內的各種波長的雷射.同傳統半導體雷射器相比，這種雷射器不需冷卻系統，可以在室溫下穩定操作.低維(量子線和量子點)雷射器的研究發展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(Qw+)雷射器已做到9OkCW工作條件下Im=6.A,l=37A/cm2並有很高的量子效率.眾多科研單位正在研製自組裝量子點(QD)雷射器，目前該QDLD已具有了高密度，高均勻性和高發射功率[U1.由於實際需要，半導體雷射器的發展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現室溫連續工作，以及獲得單模、單頻、窄線寬和發展各種不同激射波長的器件進行的.
