半导体激光器的工作原理及应用

半导体激光器的工作原理及应用

摘 要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器 The working principle of semiconductor

lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which

requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and

appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and

moving ing interesting the one hand,the specific process in

producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。As the reasons

above,we can easily found it all quartersof the homojunction to heterojunction,from

informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the

semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical

field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管 （LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。

1半导体激光器的工作原理 1.1 激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： (1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 (2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F—p腔(法布里一珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一[110]面构成F—P腔。 (3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。 可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃

迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。 1。2 半导体激光器的工作特性 1 阈值电流。 当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：

4 （1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。 （2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 （3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。 （4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。 2 方向性。 由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。 3 效率。 量子效率 η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数 77K时，GaAs激光器量子效率达70％－80％；300K时，降到30％左右。 功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率 由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。 4 光谱特性。 由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带） 之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。 2

同质结和异质结激光器 2．1 半导体激光器的发展历史 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管。在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向1"1区注入。于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧 光，在一定的条件下发生激光。这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。

半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层。如GaAs。GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP—N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

5 1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAs—GaAIAs(砷化镓一镓铝砷)激光器。双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0。2tt。m厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注A。00载流 子被限制在该区域内(有源区)，因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中。目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 随着异质结激光器的研究发展，加之由于MBE、MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD、MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100mw以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W【1】。如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670hm红光半导体激光器大量进人应用，接着，波长为650nm、635nm的问世，蓝绿

光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，l0mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中【2】。 同质结和异质结半导体激光器性能对照（表）

7 图2 DH激光器的工作原理 ) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 3 半导体激光器的应用 半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种。半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850hm波长的半导体激光器适用于>1Gh／s局域网，1300hm一1550nto波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统”1。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。 1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤

8 通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs／GaAIAs双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB—LD)。半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。 下面我们具体来看看几种常用的半导体激光器的应用： 量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新-在印刷业和医学领域，高功率半导体激光器也有应用。另外，如长波长激光器(1976年，人们用GaInAsP／lnP实现了长波长激光器)用于光通信，短波长激光器用于光盘读出。自从NaKamura实现了GatnN／QaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如cD播放器，DVD系统和高密度光存储器。可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写入，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途。量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域。另外，由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外(3—5邮，)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗121、自由空闻通信、大气监 视和化学光谱学等方面有广泛的应用。 绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密

9 度、光存储。近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段。垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工

和医疗等方面。【5】 如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，最子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注入半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础。 4 大功率激光器的最新进展 在过去几年内，以条(以下简称bar)为基础的大功率半导体激光器(LD)在光输出功率和寿命两方面都取得了很大进展。仅仅在5年内，单个市售LD的典型CW输出功率从20 W跃至50 w，典型的预期寿命由1000小时提高到10000小时。目前的最高记录是：在一个1 cmbar上，一个980nm单片LD阵列的CW输出功率达267 W。所以，实现大功率的关键是开发bar和最近的多条组件(multibar module)即叠式半导体激光器(stack)。一个bar是由多个单独的半导体激光器组成的一个单片式线阵；一个stack则是由几个bar组成的一个二维阵列。最近进展最显著的是后者。 Bar的现行行业标准是器件宽度1 cm，CW输出功率50 w，寿命5000小时以上。功率最大的多条组件总功率超过30kW,这种器件的主要设计目标是在不影响bar本身固有的长寿命的情况下尽量提高输出功率和亮度。器件失效和性能恶化的两个主要原因是输出面因过热而烧毁和半导体材料中所谓的暗线缺陷的传播。无 论是哪种半导体激光器，寿命都受工作温度的严重影响，这是因为降低工作温度使暗线缺陷的传播变慢。虽然半导体激光器是将电转变成激光的最有效的器件，但大功率不可避免地会产生大量的热。这要求bar须装有某种金属热沉，从而有效地用热电致冷器或凉水使器件致冷。在CW工作情况下，有效致冷一直是多条组件的主要设计考虑。迄今为止，致冷的方法是在bar之间用薄的铜热沉隔片，然后将此组件放在铜热沉上。于是冷却水就在bar的后面和周围流动，并通过主热沉。这种设计法形成”l。C／W”的拇指关系定律，即将一个bar的输出功率提高IW，使这个bar的温度相对于热沉温度升高1℃。由于对冷却水的最低温度有一个实际的限制(在干燥环境下约15℃)，所以对输出功率设置了一个极限。这对早期的半导体激光器来说，设计人员曾经面临工作寿命和输出功率之问的折衷问题。 1998年，美国光功率公司的工程技术人员采用微沟道致冷技术，突破了这个热

10 梯度壁垒。单个bar之间用厚约1 mm的铜致冷板分隔，冷却水通过该板流动，这些空心板内的空问通过薄的致冷叶片分隔成许多流动沟道，分隔距离为几百微 米。使与冷却水接触的金属的表面积达到最大。用这种方法，bar能以1。8mm的bar间间隔紧密堆叠，bar间温差仅为0。3℃例。这种结构设计能使1 cmbar构成的stack以每bar 50W CW工作，寿命仍为5,000～10,000小时。例如，一个2×10 阵列能在仅4 cm2的总发光面上产生1 kW的功率。准CW器件的市场也在增长，这种半导体激光器特别适用于军事应用，如目标测距和模拟器照明。这类应用通常要求低的占空因数(最多百分之几)，以大幅度降低致冷要求和简化产品结构及 降低成本。在这类应用中，有多达16个bar堆叠在单个水冷热沉上，在单个bar之间不增加其他致冷元件。这种方法能使bar以每bar 100 W的峰值功率工作，占空因数达2％，脉冲持续时间l ms或l ms以下。这种16个bar的stack的峰值输出功率为1。6 kW，典型工作寿命为10亿个以上脉冲。大功率半导体激光器的主要应用是用作Nd：YAG、Nd：YLF和Nd：YV04固体激光器的808 nm泵浦源，取代大部分输出功率在100 W以下的钕激光器的灯泵浦。最近的性能进展导致好几种其他波长的大功率半导体激光器的应用急剧扩展，在印刷图示行业，830 nm器件现在广泛用于彩色胶印和数字直接到版打印。915 rim半导体激光器用作光纤激光器的泵浦源。与此相似，940nm激光器用来泵浦镱激光器。【6】

当然，用作掺铒光纤放大器泵浦源的980 nm器件的市场也在继续迅速发展。此外，1。7岬半导体激光器用于一些新的医疗和军事领域，包括目标照明和测距。波长较短的激光器也正在用于材料处理，如焊接、塑料焊、涂料剥离和打标等。 5 结论 本文首先介绍了半导体

材料产生激光所需满足的条件和工作特性，接着由半导体激光器的发展历程来进一步深入阐述，由同质结和异质结激光器的工作原理，其中主要列举了双异质结激光器的工作过程，从而对半导体激光器所产生激光为何具有独特的优势提供了理论依据。 由此及彼，半导体激光器在生活的方方面面都发挥了巨大作用，改善了我们的生活，尤其以大功率半导体激光器为例，它所具有的独特魅力，也将使其在国际国内具有更为广阔的开发和应用前景。 由于知识水平的限制，对于半导体激光器的前景的发展还无法提出精确的理论依据，更多是从整体发展的思路来把握，今后要加强理论知识和实践水平的提升，从而为半导体激光器的使用和开发提供给为广阔的空间。

20 lit纪60年代初期的半泞体激光器是同质结型激光器，它是在一种树料上制作

的pn结一极竚在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n

区注人.于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁

移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一义的

条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式T作的半疗体激光器.半妤体激光器

发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，仑是由两种不冋带隙的半

守体衬料薄层，如G&As, GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969

年).单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在

GaAsP — N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比问质结激光器

降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续T.作.

1970年，实现了激光波长为9000A.室温连续工作的双异质结GaAu

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(砷化稼一稼铝砷)激光器.双舁质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线

宽和调谐性能逐步提髙，其结构的特点是在P型和n稍材料之间生长了仅有0. 2

Earn厚的，不掺杂的，具有较窄能隙树料的一个薄层，闵此注人的载流子被限

制在该区域内(有源区)，闵而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转.在半疔

体激光器件中，0前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注

人式G&A。一极笆激光器.随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄

膜(<20nm)的半圩体层作为激光器的激括层，以致于能够产生M子效应，结果会

是怎么样?再加之由于MBE，MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了 111界

上第一只半导•体萤子阱激光器(QWL)，它大幅度地提髙了半穿体激光器的外种性

能.后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出髙质贵超精细薄层树

料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的萤子阱激光器，量f阱半穿体激光

器5双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率髙，频率响应好，

光谱线窄和温度稳^性好和较髙的电光转换效率等许多优点.QWL在结构上的

特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100人的势阱所组成，由于势阱宽

度小于树料中电子的徳布罗意波的波长，产生了请子效应，连续的能带分裂为子

谢文件是由：h

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1 1前言 1.1激光技术及发展 激光技术最早于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。激光被广泛应用是因为它具有单色性好、方向性强、亮度高等特性。激光技术的原理是：当光或电流的能量撞击某些晶体或原子等易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接著，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生频率、方向和相位一样的光子，引发连锁反应，形成强烈而且集中朝向某个方向的光。这种光就叫做激光。

激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。激光因为拥有这种特性，所以拥有广泛的应用。

我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相分离形成多个应用技术范畴。在日常生活中我们就可以接触很多激光技术的现实应用，例如激光在加工技术中应用在金属和非金属材料的切割，打孔，刻槽，标记、焊接，表面处理，生产合金，切割等。在医学上科利用激光能产生高能量、聚焦精确，具有一定的穿透力，作用于人体组织时能在局部产生高热量等特点可以达到去除或破坏目标组织达到治疗的目的。主要应用有激光切割和激光换肤。另外走在时尚生活前沿的美容业业越来越多的应用到激光技术。激光在军事范畴也得到最充沛应用，例如激光致盲武器、激光防空武器、激光反卫星武器、激光等离子武器、激光制导子弹、激光窃听器、激光沙盘等现代高技术武器都展示了激光的效能。

激光技术的核心是激光器，世界上第一台激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的红宝石激光器。激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。但各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有泵浦源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。 半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器。在1962年7月美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，

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2 通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）与其他研究人员一道研制出世界上第一台半导体激光器。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。自1962年世界上第一只半导体激光器是问世以来，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高！半导体激光器具有体积小、效率高等优点，因此可广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。

2 半导体激光器的发展历程 2.1半导体激光器的发展简史 半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质,以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器。世界上的第一台半导体激光器是同质结的,即和普通的p—n结极管一样。这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米量级),阈值电流密度需达到105A/cm2,因此只能在液氮温度(77K)和脉冲状态下工作。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

1970年，双异质结激光器(DHL)利用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，在P型和n型材料之间生长了仅有0.2Eam厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注人的载流子被限制在该区域内(有源区)，因而注人较少的电

流就可以实现载流子数的反转.在半导体激光器件中，实现了激光波长为9000Å。室温连续工作的双异质结砷化稼一稼铝砷激光器。 1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器。 20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。20世纪90年代，连续输出功率在100以上，脉冲输出功率在5W以上的高功率半导体激光器取得了突破性进展。 20世纪90年代出现的面发射激光器(SEL)是一种在室温下可达到亚毫安的网电流8mW的输出功率和11%的转换效率的半导体激光器。 20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980mn,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。

2.2半导体激光器的原理及特性 2.2.1基本原理

半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级

有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。

半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为2～5×1018cm-1；p型为1～3×1019cm-1。

在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。 要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。 半导体激光器结构。如图为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。

夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。 半导体激光器的光学谐振腔是 利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。

2.2.2半导体激光器的工作特性 半导体激光器的工作特性中，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素有： ①晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。 ②谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 ③异质结阈值电流比同质结低得多。 ④温度愈高，阈值越高。 由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。 2.2.3半导体激光器的调制特性 激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。 把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器，由已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调。由于激光起到“携带”信息的作用，所以称其为载波。通常将欲传递的信息称为调制信号。被调制的激光称为已调波或调制光。 激光调制与无线电波调制相类似，激光振荡的瞬时电场也可表示为： e(t)=Acos(wt+ψ) 式中A为激光振荡的复振幅，w为调制的角频率，ψ为调制的相位角。模拟激光调制可分为调幅、调频和调相等类型。按载波

的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲编码调制等。脉冲调制主要分为脉冲调幅（PAM）、脉冲强度调制（PIM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）及脉冲调宽（PWM）等类型。脉冲编码调制（PCM）是先将连续的模拟信号通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无来表示，再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调制器上以控制激光的输出。这种调制形式也称为数字强度调制。 2.2.4半导体激光器的调制方式 半导体激光器的激光调制分为内调制和外调制两类。间接调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。 直接调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。 由于直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点，是低速光纤通信中最常采用的调制方式，但只适合用于半导体激光器和发光二极管，这是因为发光二极管和半导体激光器（对激光器来说，阈值以上部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。直接调制的带宽：因为半导体激光器的结电容特性，并不能理想工作，激光器对于不同的输入频率，响应并不相同，一般频率越高，输出的光强调制振幅越小。

2.3半导体激光器的特点 由于半导体激光器的体积小、重量轻、结构简单、光波长可调能量低、寿命较长、易于调制以及价格低廉等优点,使得它已在激光技术中占有显赫的地位,它的成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多重要领域。其中VCSEL型半导体激光器,由于单纵模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围广等特点,很适合各种气体的激光光谱学研究。垂直腔面发射激光器VCSEL有如下特点： (1)易于实现二维平面和光电集成:单个VC2SEL激光器仅几微米大小,有可能在1cm2的芯片上集成百万个这种微型激光器。

(2)圆形光束易于实现与光纤的有效耦合:VCSEL有径向对称的高斯近场分布。因而它们更容易耦合到光纤或光学器件上芯片生长后无须解理、封装即可进行“在片”实验,制作工艺简单,制作成本低。 (3)在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作。 (4)光束发散角较小,约为5°。 (5)有源区尺寸极小,因而可实现低阈值电流。 目前,高功率半导体激光器的主要市场是泵浦固体激光器、材料加工、印刷业和医学应用等领域。在需求牵引下,高功率半导体激光正在向高平均功率、高功率密度、高光束质量、高效率、低成本和长寿命方向发展。半导体激光器的研究和开发始终与军用和民用市场紧密相联,通过采用先进的工艺和技术,新型高功率半导体激光器将层出不穷。