半导体激光器

半导体激光器

摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。

1.引言

自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构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，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。

2.半导体激光器的基本理论原理

半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。

早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。

苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。

1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。

回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。

3.半导体激光器发展历程

在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏

联科学家加紧了对半导体激光器的研究。1962年后期，美国四个实验室几乎同时宣布研制成功GaAs同质结半导体激光器，1963年，巴索夫也报导成功研制GaAs 半导体激光器。这些同质结激光器，是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器，而且只能在液氮温度下工作，因而没有实用价值，但是他们的基本理论却是半导体激光器的理论基础。

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 所组成的激光器。单异质结注人型激光器(SHLD)，它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的激光器。1970年，人们又发明了激光波长为9000Å 在室温下连续工作的双异质结GaAsGaAlAs激光器。在半导体激光器件中，后来比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器。

由于半导体激光器的诸多优点，以及高锟博士提出可以用光纤来传递信息，而半导体激光器正好可以满足光纤通讯中的光源要求，从1970年后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展，其速度之快，应用范围之广，发展潜力之大是目前任何其他激光器所无法比拟的。

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。前者也是最早投入实用的半导体激光器，其波长在0.83~0.85um，这正好对应光纤损耗谱的第一个窗口，后来波长在1.3um的激光器被研制成功并投入实用光纤通讯系统，很快，波长为1.55um的半导体激光器也面世。在信息传输方面，为了进一步降低激光器阈值和提供良好的单纵模输出以及长期稳定工作，相继出现了结构不同，性能优良的半导体激光器，如掩埋式条形异质结激光器、分布反馈激光器、分布布拉格反射激光器、面发射激光器、量子阱激光器等等。对后者，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100W 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。另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。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。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。

4.半导体激光器研究现状

为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，现今半导体激光器的主要研究集中在高速宽带激光器、大功率激光器，短波长激光器，盆子线和量子点激光器、中红外激光器等方面。

对于高速宽带半导体激光器，主要是1.31um和1.55um波长半导体激光器, 用于高速数字光纤通信和微波模拟光信息传输、分配与处理。潜在市场是未来的信息高速公路和军事装备。高速宽带激光器，从80年代中期长波长光源商品化后便大量开发，主要通过改进管芯制作和封装技术。目前高速BH半导体激光器和MQW+DFB半导体激光器都已达到商品化，近几年来，更普遍地将应变层量子阱技术用于高速宽带半导体激光器[5]。有人预测，压应变InGaAs/InP MQW半导体