半導體雷射

半導體雷射（Semiconductor laser）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（Laser diode）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。

基本介紹

• 中文名：半導體雷射
• 外文名：Semiconductor laser
• 開發時間：1962
• 套用：光纖通信、光碟等

半導體雷射器

構造及材料

半導體雷射器在基本構造上，它屬於半導體的P-N接面，但雷射二極體是以金屬包層從兩邊夾住發光層（有源層），是“雙異質結接合構造”。而且在雷射二極體中，將界面作為發射鏡（諧振腔）使用。在使用材料方面，有鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多量子阱型中，也使用Ga·Al·As等。

半導體雷射模組

由於具有條狀結構，即使是微小電流也會增加活性區域的電子數反轉密度，

優點是激發容易呈現單一形式，而且，其壽命可達10~100萬小時。

條件

半導體雷射器是一種相干輻射光源，要使它能產生雷射，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)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於連續的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實現粒子數反轉，必須在兩個能帶區域之間，處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的空穴數大很多，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，將電子從能量較低的價帶激發到能量較高的導帶中去。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。
   
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雷射振盪，雷射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)半導體雷射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. 為了形成穩定振盪，雷射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雷射輸出等引起的損耗，不斷增加腔內的光場。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數反轉，粒子數反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當雷射器達到閥值，具有特定波長的光就能在腔內諧振並被放大，最後形成雷射而連續地輸出。可見在半導體雷射器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發射和光放大過程對於新型半導體雷射器而言，人們目前公認量子阱是半導體雷射器發展的根本動力。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製作量子點，而GaInN量子點已用於半導體雷射器。另外，科學家也已經做出了另一類受激輻射過程的量子級聯雷射器，這種受激輻射基於從半導體導帶的一個次能級到同一能帶更低一級狀態的躍遷，由於只有導帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件。
   

特點

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%，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。

通常雷射器封裝形式主要包括單管、Bar條、陣列（Stack）、光纖耦合模組四種形式，其中光纖耦合模組主要用作光纖雷射器的泵浦光源。

套用

半導體雷射器是成熟較早、進展較快的一類雷射器，由於它的波長範圍寬，製作簡單、成本低、易於大量生產，並且由於體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發展快，套用範圍廣，目前已超過300種，半導體雷射器的最主要套用領域是Gb區域網路，850nm波長的半導體雷射器適用於Gh區域網路，1300nm -1550nm波長的半導體雷射器適用於1OGb區域網路系統。半導體雷射器的套用範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。半導體雷射器在雷射測距、雷射雷達、雷射通信、雷射模擬武器、雷射警戒、雷射制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的套用，形成了廣闊的市場。1978年，半導體雷射器開始套用於光纖通信系統，半導體雷射器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規模積體電路平面工藝組成光電子系統。由於半導體雷射器有著超小型、高效率和高速工作的優異特點，所以這類器件的發展，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、並行光波系統、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。半導體雷射器的問世極大地推動了信息光電子技術的發展，到如今，它是當前光通信領域中發展最快、最為重要的雷射光纖通信的重要光源。半導體雷射器再加上低損耗光纖，對光纖通信產生了重大影響，並加速了它的發展。因此可以說，沒有半導體雷射器的出現，就沒有當今的光通信。雙異質結雷射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無不都採用分布反饋式半導體雷射器（DFB一LD)，半導體雷射器也廣泛地套用於光碟技術中，光碟技術是集計算技術、雷射技術和數字通信技術於一體的綜合性技術。

工作原理

半導體雷射器工作原理是激勵方式。利用半導體物質，即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。

半導體雷射器優點是體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等。

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。