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半导体激光器的发展及应用

时间:2009-03-03 15:43来源: 作者: 点击:
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,60年代早期,很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面,以莫斯科列别捷
  

  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,60年代早期,很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面,以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。

    在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上,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,这引起通用电气研究实验室工程师哈尔(Hall)的极大兴趣,在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后,哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划,并与其他研究人员一道,经数周奋斗,他们的计划获得成功。

    像晶体二极管一样,半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础,且外观亦与前者类似,因此,半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。

    早期的激光二极管有很多实际限制,例如,只能在77K低温下以微秒脉冲工作,过了8年多时间,才由贝尔实验室和列宁格勒(现在的圣彼得堡)约飞(Ioffe)物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。

    半导体激光器体积非常小,最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料,一般为0.6~1.55微米,由于多种应用的需要,更短波长的器件在发展中。据报导,以Ⅱ~Ⅳ价元素的化合物,如ZnSe为工作物质的激光器,低温下已得到0.46微米的输出,而波长0.50~0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。

    光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域,一方面是世界范围的远距离海底光纤通信,另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言,激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示,及各种医疗应用等。

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G&As, 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,实现了激光波长为9000A.室温连续工作的双异质结GaA。一‘aA认。(砷化稼一稼铝砷)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. 2 Eam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,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人式G&A。二极管激光器.

随着异质结激光器的研究发展,人们想到如果将超薄膜(< 20nm)的半导体层作为激光器的激括层,以致于能够产生量子效应,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,具有阑值电流低、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.

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,由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长,产生了量子效应,连续的能带分裂为子能级.因此,特别有利于载流子的有效填充,所需要的激射阅值电流特别低.半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱,单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器,通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW ).量子阱激光器单个输出功率现已大于1w,承受的功率密度已达l OMW/cm3以上[c)而为了得到更大的输出功率,通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵。因此,量子阱激光器当采用阵列式集成结构时,输出功率则可达到l00w以上.近年来,高功率半导体激光器(特别是阵列器件)飞速发展,已经推出的产品有连续输出功率5 W ,1ow,20w和30W的激光器阵列.脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50w. 12OW和150OW的阵列也已经商品化.一个4. 5 cm x 9cm的二维阵列,其峰值输出功率已经超过45BW.峰值输出功率为350KW的二维阵列也已间世[3]

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