半導體激光器

半導體激光器實驗裝置是以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。.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，當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時，便產生受激發射作用。

半導體激光器儀器簡介

圖1 激光器

工作原理

根據固體的能帶理論，半導體材料中電子的能級形成能帶。高能量的為導帶，低能量的為價帶，兩帶被禁帶分開。引入半導體的非平衡電子-空穴對復合時，把釋放的能量以發光形式輻射出去，這就是載流子的復合發光。

一般所用的半導體材料有兩大類，直接帶隙材料和間接帶隙材料，其中直接帶隙半導體材料如GaAs（砷化鎵）比間接帶隙半導體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率，發光效率也高得多。

半導體復合發光達到受激發射（即產生激光）的必要條件是：①粒子數反轉分布分別從P型側和n型側注入到有源區的載流子密度十分高時，占據導帶電子態的電子數超過占據價帶電子態的電子數，就形成了粒子數反轉分布。②光的諧振腔在中，諧振腔由其兩端的鏡面組成，稱為法布里一珀羅腔。③高增益用以補償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發射的損耗和介質的光吸收。

是依靠注入載流子工作的，發射激光必須具備三個基本條件：

（1）要產生足夠的 粒子數反轉分布，即高能態粒子數足夠的大于處于低能態的粒子數；

（2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產生激光震蕩；

（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

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，使光振蕩、反饋，產生光的輻射放大，輸出激光。

優點：體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等。

封裝技術

5.1技術介紹

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于。

5.2發光部分

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復合時，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，并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，應用要求提高的內、外部量子效率。常規Φ5mm型封裝是將邊長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，然后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；采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。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到的軸線方向，相應的視角較??；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。

5.3驅動電流

圖6

一般情況下，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℃，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，以往多采用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數的驅動電流限制在20mA左右。但是，的光輸出會隨電流的增大而增加，很多功率型的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1*，需要改進封裝結構，全新的封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。

進入21世紀后，的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新，紅、橙光效已達到100Im/W，綠為501m/W，單只的光通量也達到數十Im。芯片和封裝不再沿龔傳統的設計理念與制造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發不僅僅限于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，增強內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優化設計，改進光學決定因素

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半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

損耗關系

激光器的腔體可以有諧振腔和外腔之分。在諧振腔里，激光器的損耗有很多種類，比如偏折損耗，法布里珀羅諧振腔就有較大偏折損耗，而共焦腔的偏折損耗較小，適合于小功率連續輸出激光，還比如反轉粒子的躍遷損耗（這類損耗可以歸為白噪聲）等等之類的，都是腔長長損耗大。激光器閾值電流不過就是能讓激光器起振的電流，諧振腔長短的不同可以使得閾值電流有所不同，中，像邊發射激光器腔長較長，閾值電流相對較大，而垂直腔面發射激光器腔長極短，閾值電流就非常低了。這些都不是一兩句話可以說的清楚的，它們各自的速率方程也都不同，不是一兩個式子能解釋的。另外諧振腔長度不同也可以達到選模的作用，即輸出激光的頻率不同。

發展概況

簡介

又稱激光二極管(LD）。進入八十年代，人們吸收了半導體物理發展的成果，采用了量子阱（QW）和應變量子阱（SL-QW）等新穎性結構，引進了折射率調制Bragg發射器以及增強調制Bragg發射器技術，同時還發展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出優質量子阱以及應變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

小功率

用于信息技術領域的小功率LD發展極快。例如用于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、用于光盤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、量子阱面發射激光器以及超短脈沖LD等都得到實質性發展。這些器件的發展特征是：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

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%。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激光器，亦即半導體激光泵浦（LDP）的固體激光器的迅猛發展提供了強有力的條件。

為適應EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發展。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。

產品分類

（1）異質結構激光器

（2）條形結構激光器

（3）GaAIAs/GaAs激光器

（4）InGaAsP/InP激光器

（5）可見光激光器

（6）遠紅外激光器

（7）動態單模激光器

（8）分布反饋激光器

（9）量子阱激光器

（10）表面發射激光器

（11）微腔激光器