條形雷射器

條形雷射器是在平行於pn結平面的方向上，製造出條形結構，使平行和垂直於pn結平面的兩個方向上都能限制載流子，並產生光增益，建立起穩定的光振盪的雷射器。條形雷射器在結平面側向具有光波限制和載流子限制機構，它是相對於寬接觸而言的。

基本介紹

• 中文名：條形雷射器
• 外文名：strip semiconductor laser
• 套用學科：光纖通信技術，材料科學技術

簡介

結平面側向具有光波限制和載流子限制機構的半導體雷射器（見半導體'雷射器），它是相對於寬接觸而言的。採用條形結構的目的是：①通過載流子限制而降低閾值電流和減小熱溫升；②通過光場限制以改善橫模特性。條形半導體雷射器分為兩類即增益波導條形雷射器和折射率波導條形雷射器。

增益波導雷射器的注入載流子集中在接觸面下寬度約20～30μm，長度為全腔長的條形區內，從而在該條形注入區內產生光增益，而在條形區外仍具有光損耗。儘管這種結構的接觸面積可做得很小，但由於限制層內的電流擴展和有源層內的載流子擴散加漂移而使注入載流子在有源區中的分布仍然較寬。此外，由於條形中心區的載流子濃度高，致使此處的折射率降低，形成反波導，使光波向兩側擴展。通常增益波導條形雷射器的輸出光功率電流關係曲線上出現扭折現象，其原因主要不是由於雷射器的內部缺陷和不均勻性，而是由於側向模式的不穩定性。使條形變窄可提高扭折出現點的功率，當條寬窄至3～4μm時，功率輸出呈線性。不過此時折射率反波導現象十分明顯，致使遠場圖樣出現雙峰，影響了雷射器與光纖的耦合效率。增益波導條形雷射器結構很多，圖1示出其部分結構。

折射率波導雷射器其內部沿結平面的折射率分布中間凸變充分大，以補償載流子注入引起的反波導效應和熱效應。但凸變也不能過大，以免造成工藝上的困難。經過精巧的器件設計，可使側面模式穩定，消除輸出光功率和注入電流曲線的扭折現象。通常的折射率波導雷射器又有兩種類型，一種是利用側向的異質結來提供光場和載流子的限制，這就屬於掩埋異質結構。另一種是採用溝道襯底上生長連續的有源層。常見的折射率波導雷射器結構示於圖2。倘有源區具有量子阱結構，當可進行雜質誘導無序的條形製作。此外，對條寬窄至量子尺寸的量子阱雷射器則成為量子線雷射器，其性能將有新的突破（見單頻雷射器）。

圖1 增益波導條形雷射器結構

圖2 折射率波導條形雷射器結構

條形雷射器的優點

條形結構已成為目前廣泛使用的半導體雷射器和光通信用的發光二極體的主要結構形式。

1. 由於有源層側向尺寸減少，光場對稱性增加，因而能提高光源與光纖的耦合效率。

2. 因為在側向對電子和光場有限制，有利於減少雷射器的閾值電流和工作電流。例如，目前掩埋條形雷射器的閾值電流可低達5mA以下，而輸出功率卻可達10mA以上。

3. 在這種機構中，由於工作時產生熱量的有源層被埋在導熱性能良好的無源晶體之中，因而減少了雷射器的熱阻，有利於提高雷射器的熱穩定性。

4. 由於有源區面積小，容易獲得缺陷儘可能少或無缺陷的有源層。同時，除用作諧振腔的解理面外，整個有源層與外界隔離，有利於提高器件的穩定性與可靠性。

5. 有利於改善側向模式。

LD與LED的區別及LED的優點

半導體發光二極體和半導體雷射器在工作原理上的根本區別在於前者是利用注入有源區的載流子自發輻射複合而發出光子，而後者則是受激輻射複合發光的。發光二極體從材料到器件的異質結構都與半導體雷射器沒有很大差別。半導體雷射器與發光二極體在結構上的主要差別是前者有光學諧振腔，使複合所產生的光子在腔內振盪和放大；而後者則沒有諧振腔。它們在主要性能上存在明顯差別。半導體發光二極體不像雷射器那樣存在閾值特性，輸出功率與注入電流之間呈線性關係；因為自發發射的隨機性，致使發光管的光譜寬度比雷射器高几個數量級；光束髮散角也很大，因而與光纖耦合效率要比半導體雷射器的情況低得多；輸出的光功率也要比半導體雷射器低得多。

儘管與半導體雷射器相比，半導體發光二極體有許多不足之處，但它卻在中、短距離光纖通信中得到了廣泛的套用。彌補了半導體雷射器的某些不足。這是由它的以下特點所決定的：

1. 不存在閾值特性，P-I線性好，因而有利於實現信號無畸變的調製，這在高速模擬調製中是特別重要的；

2. 雖然半導體發光二極體的光相干性很不好，但正是因為如此，避免了半導體雷射器容易產生模分配噪聲和對來自於光纖傳輸線路中反射光較靈敏的缺點；

3. 工作穩定，輸出功率隨溫度的變化較小，不需要精確的溫度控制，因而驅動電源很簡單；

4. 由於不存在像半導體雷射器那樣的腔面退化，工作壽命可達109小時；

5. 成品率高，價格便宜。