半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、锑化锢(InSb)、硫化锅(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe)、铝稼砷(A1xGa-As)、锢磷砷(In-PxAS)等. 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式. 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给Pn结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在3-34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750-890nm. 世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，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，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到宰la下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大.目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代. 半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用. 本文对半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍. 2 半导体激光器的工作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(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一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，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. 3 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人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n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(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0.2Eam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，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lOMW/cm3以上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5W,10W,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，120W和1500W 的阵列也已经商品化.一个4.5cm×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，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100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[61.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670nm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，也在加紧研制中为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光器，电子束激励半导体激光器以及作为“集成光路”的最好光源的分布反馈激光器(DFB一LD)，分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成双波导激光器.另外，还有高功率无铝激光器(从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管
子)、中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.分布反馈(DFB)式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，分布反馈式半导体激光器完全实现了单纵模运作，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景它是一种无腔行波激光器，激光振荡是由周期结构(或衍射光栅)形成光藕合提供的，不再由解理面构成的谐振腔来提供反馈，优点是易于获得单模单频输出，容易与纤维光缆、调制器等辆合，特别适宜作集成光路的光源. 单极性注入的半导体激光器是利用在导带内(或价带内)子能级间的热电子光跃迁以实现受激光发射，自然要使导带和价带内存在子能级或子能带，这就必须采用量子阱结构.单极性注人激光器能获得大的光功率输出，是一种商效率和超商速响应的半导体激光器，并对发展硅基激光器及短波激光器很有利.量子级联激光器的发明大大简化了在中红外到远红外这样宽波长范围内产生特定波长激光的途径.它只用同一种材料，根据层的厚度不同就能得到上述波长范围内的各种波长的激光.同传统半导体激光器相比，这种激光器不需冷却系统，可以在室温下稳定操作.低维(量子线和量子点)激光器的研究发展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp长波长量子线(Qw )激光器已做到90kCW工作条件下Im =6A,l=37A/cm2并有很高的量子效率.众多科研单位正在研制自组装量子点(QD)激光器，目前该QDLD已具有了高密度，高均匀性和高发射功率.由于实际需要，半导体激光器的发展主要是围绕着降低阔值电流密度、延长工作寿命、实现室温连续工作，以及获得单模、单频、窄线宽和发展各种不同激射波长的器件进行的. 20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器(SEL)，早在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面发射激光器在室温下达到亚毫安的网电流,8mW的输出功率和11%的转换效率。前面谈到的半导体激光器，从腔体结构上来说，不论是F一P(法布里一泊罗)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构.它们都是沿着衬底片的平行方向出光的.而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F一p腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEIS)是一种新型的量子阱激光器，它的激射阔值电流低，输出光的方向性好，藕合效率高，能得到相当强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71摄氏度. 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.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。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，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID,短波长LD,盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面.目前，在这些方面取得了一系列重大的成果. 4 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，850mn波长的半导体激光器适用于)1Gb/s。局域网，1300mn-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统.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祸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/GaAlA。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 一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t.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人和读出. 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/InP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NaKamuxa实现了GaInN/GaN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、光存贮的读出和写人，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.可调谐激光器是深人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(3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、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、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，量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、单极性注人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器件. ----朗讯科技公司下属研发机构贝尔实验室的科学家们近日成功研制出世界上首款能够在红外波长光谱范围内持续可靠地发射光的新型半导体激光器。新设备克服了原有宽带激光发射过程中存在的缺陷，在先进光纤通信和感光化学探测器等领域有着广阔的潜在应用。相关的制造技术可望成为未来用于光纤的高性能半导体激光器的基础。 ----有关新激光器性质的论文刊登2002年2月21日出版的《自然》杂志上。文章主要作者、贝尔实验室物理学家Claire Gmachl断言：“超宽带半导体激光器可用来制造高度敏感的万用探测器，以探测大气中的细微污染痕迹，还可用于制造诸如呼吸分析仪等新的医疗诊断工具。” ----半导体激光器是一种非常方便的光源，具备紧凑、耐用、便携和强大等特点。然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。相比之下，超宽带激光器具有显著的优势，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。制造出可在范围广泛的操作环境下可靠运行的超宽带激光器正是科学家们长久以来追求的一个目标。 ----为了研制出新型的激光器，贝尔实验室科学家们采用了650余种光子学中使用的标准半导体材料，并将其叠放在一起组成一个“多层三明治”。这些层面共分为36组，其中不同层面组在感光属性方面有着细微的差别，并在特有的短波长范围内生成光，同时与其他各组之间保持透明.所有这些层面组结合在一起，就能发射出宽带激光。 ----新型激
光器隶属于一种称为量子瀑布（QC）激光器的高性能半导体激光器。QC激光器由Federico Capasso和AlfredCho及其同事于1994年在贝尔实验室发明，其操作过程非常类似于一道电子瀑布。当电流通过激光器时，电子瀑布将沿着能量阶梯奔流而下；每当其撞击一级阶梯时，就会放射出红外光子。这些红外光子在包含电子瀑布的半导体共振器内前后反射，从而激发出其他光子。这一放大过程将产生出很高的输出能量。 ----超宽带激光器可在6"8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出：“从理论上讲，波长范围可以更宽或更窄。选择6"8微米范围波长发射激光，目的是更令人信服地演示我们的想法。未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。
DFB-LD
普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。
在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。利用内藏布拉格光栅选择工作波长的概念，早在20世纪70年代初就被提出来了，并得到广泛重视。但由于技术原因，有关DFB-LD 的研究曾一度进展缓慢。在制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤。为此，人们提出了分别限制结构，将光栅刻制在有源层附近的透明波导层上，这样能有效地降低DFB-LD的阈值电流，这种结构在后来被广泛应用。但是这种结构是典
型的折射率耦合结构，如何实现这类器件的单模工作就成为DFB-LD的重要研究课题。对于实际的DFB-LD来说，光栅两端的端面是存在反射的，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪个位置是不可控制的。对于纯折射率耦合DFB-LD来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通过这种方法实现单模激射的。但是由于反射相位具有随机性，这就导致了单模成品率问题。对于激光器端面无镀膜的情况，这一概率为20%～50%。另外，激光器端面镀膜对DFB-LD的单模成品率有较大的影响，在DFB-LD一个端面镀低反射膜，另一个端面镀高反射膜时，单模成品率可达50%。运用这种方法制作的DFB-LD，在静态工作时，其边模抑制比(SMSR)可大于40 dB，而在高速调制时，其SMSR小于20 dB，不能完全满足高速光通信的需要。在光栅的中心引入一个四分之一波长相移区，是消除双模简并，实现单模工作的有效方法。这种方法的最大优点在于它的模式的阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作。但是，它的制作工艺十分复杂且需要在两个端面蒸镀抗反射膜。对于增益耦合DFB-LD而言，是不存在模式简并问题的。1988年，本文作者罗毅与东京大学的多田邦雄教授等一起率先开始了增益耦合DFB-LD的实验研究，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术制作了内含增益光栅的DFB-LD，并引入了抑制折射率耦合的结构，从而有可能实现纯粹的增益耦合。此外，采用传统的分别限制异质结结构(SCH)将以往的透明光栅改为吸收损耗光栅的方法也成功地制作了增益耦合DFB-LD。通过研究发现，增益耦合DFB-LD与折射率耦合DFB-LD相比具有一系列优点：制作工艺简单，不需要镀端面抗反射膜；单模选择特性不易受端面反射率的影响，成品率可高达95%；外部反射光引起的噪声低；高速调制下频率展宽(啁啾)小。直接调制DFB-LD的最大优点是在高速调制(2.5 Gbit/s～10 Gbit/s)的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光纤通信系统，如城域网。目前商业应用的直接调制DFB-LD能够达到阈值电流5 mA左右，在2.5 Gbit/s调制速率下能传输上百公里。调制速率为10 Gbit/s的直接调制DFB-LD正成为新的研发热点。例如日本三菱公司2000年报道的应用于10 Gbit/s局域网传输的直接调制DFB-LD，工作波长为1.3 ?滋m，在P型衬底上采用掩埋结构，光栅为?姿/4相移结构。通过降低电极面积和激光器腔长(腔长为200 ?滋m)，来提高调制带宽。并且通过提高耦合系数来保证器件的高温特性。在25℃～70℃的范围内，调制带宽都在10 GHz以上，在标准单模光纤中传输距离超过20 km。
大功率半导体激光器件最新发展现状分析 1 引言 半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始一直是激光领域的关注焦点，广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差，阻碍了其应用领域的拓展。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。 2 大功率半导体激光器件最新进展 作为半导体激光系统集成的基本单元，不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展，其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。 2.1 大功率半导体激光器件远场发散角控制 根据光束质量的定义，以激光光束的光参数乘积（BPP）作为光束质量的衡量指标，激光光束的远场发散角与BPP成正比，因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看，半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出，光束质量好，但发散角大，快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出，光束质量差，该方向发散角的减小直接提高器件光束质量，是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。 在快轴发散角控制方面，如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点，尽管多家研究机构相续获得快轴发散角仅为3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光电效率及制备成本考虑，短期内难以推广实用。2010年初，德国费迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Inst itu te)的P. Crump等通过采用大光腔、低限制因子的方法获得了30o快轴发散角（95%能量范围），光电转换效率为55%，基本达到实用化器件标准。而目前商用高功率半导体激光器件的快轴发散角也由原来的80o左右（95%能量范围）降低到50o以下，大幅度降低了对快轴准直镜的数值孔径要求。 在慢轴发散角控制方面，最近研究表明，除器件自身结构外，驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小，即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制，而在阵列器件中，随着填充因子的增大，发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制备获得的5 mm腔长，9XX nm波段10 W商用器件，成功将慢轴发散角（95%能量范围）由原来的10o～12o降低到7o左右；同年，德国Osram公司、美国相干公司制备阵列器件慢轴发散角（95%能量范围）也达7o水平。 2.2 半导体激光标准厘米阵列发展现状 标准厘米阵列是为了获得高功率输出而在慢轴方向尺度为1 cm的衬底上横向并联集成多个半导体激光单元器件而获得的半导体激光器件，长期以来一直是大功率半导体激光器中最常用的高功率器件形式。伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的提高，现有CM Bar的腔长由原来的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar输出功率大幅度提高。2008年初，美国光谱物理公司Hanxuan Li等制备的5 mm腔长，填充因子为83%的半导体激光阵列，利用双面微通道热沉冷却，在中心波长分别为808 nm，940 nm，980 nm处获得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的当前实验室最高CM Bar连续功率输出水平。此外，德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半导体激光供应商也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明确指出，在现有技术
半导体存储器（解说） ——分类、结构和性能—— 作者：Xie M. X. (UESTC ，成都市) 计算机等许多系统中都离不开存储器。存储器就是能够存储数据、并且根据地址码还可以读出其中数据的一种器件。存储器有两大类：磁存储器和半导体存储器。 （1）半导体存储器的分类和基本结构： 半导体存储器是一种大规模集成电路，它的分类如图1所示。半导体存储器根据其在切断电源以后能否保存数据的特性，可区分为不挥发性存储器和易挥发性存储器两大类。磁存储器也都是不挥发性存储器。 半导体存储器也可根据其存储数据的方式不同，区分为随机存取存储器（RAM ）和只读存储器（ROM ）两大类。RAM 可以对任意一个存储单元、以任意的次序来存/取（即读出/写入）数据，并且存/取的时间都相等。ROM 则是在制造时即已经存储好了数据，一般不具备写入功能，只能读出数据（现在已经发展出了多种既可读出、又可写入的ROM ）。 半导体存储器还可以根据其所采用工艺技术的不同，区分为MOS 存储器和双极型存储器两种。采用MOS 工艺制造的称为MOS 存储器；MOS 存储器具有密度高、功耗低、输入阻抗高和价格便宜等优点，用得最多。采用双极型工艺制造的，称为双极型存储器；双极型存储器的优点就是工作速度高。 半导体存储器的基本结构就是存储器阵列及其它电路。存储器阵列（memory array ）是半导体存储器的主体，用以存储数据；其他就是输入端的地址码缓存器、行译码器、读出放大器、列译码器和输出缓冲器等组成。 各个存储单元处在字线（WL ，word line ）与位线（BL ，bit line ）的交点上。如果存储器有N 个地址码输入端，则该存储器就具有2N 比特的存储容量；若存储器阵列有2n 根字线，那么相应的就有2N n 条位线（相互交叉排列）。 在存储器读出其中的数据时，首先需通过地址码缓存器把地址码信号送入到行译码器、并进入到字线，再由行译码器选出一个WL ，然后把一个位线上得到的数据（微小信号）通过读出放大器进行放大，并由列译码器选出其中一个读出放大器，把放大了的信号通过多路输出缓冲器而输出。 在写入数据时，首先需要把数据送给由列译码器选出的位线，然后再存入到位线与字线相交的存储单元中。当然，对于不必写入数据的ROM （只读存储器）而言，就不需要写入电路。 图1 半导体存储器的分类
半导体材料研究的新进展* 王占国 (中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083 摘要:首先对作为现代信息社会的核心和基础的半导体材料在国民经济建设、社会可持续发展以及国家安全中的战略地位和作用进行了分析,进而介绍几种重要半导体材料如,硅材料、GaAs和InP单晶材料、半导体超晶格和量子阱材料、一维量子线、零维量子点半导体微结构材料、宽带隙半导体材料、光学微腔和光子晶体材料、量子比特构造和量子计算机用材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后,提出了发展我国半导体材料的建议。本文未涉及II-VI族宽禁带与II-VI族窄禁带红外半导体材料、高效太阳电池材料Cu(In,GaSe 2 、CuIn(Se,S等以及发展迅速的有机半导体材料等。 关键词:半导体材料;量子线;量子点材料;光子晶体 中图分类号:TN304.01文献标识码:A文章编 号:1003-353X(200203-0008-05 New progress of studies on semiconductor materials WANG Zhan-guo (Lab.of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences,Beijing100083,China Abstract:The strategic position and important role of semiconductor materials,as a core and foundation of the information society,for development of national economic,national safety and society progress
半导体激光器的发展与运用 0 引言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（LP日、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[5].半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点, 使它已经成为当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度 重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管（LD）。随着半导体物理的发展,人们早在20 世纪50 年代就设想发明半导体激光器。 20 世纪60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, 是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。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。 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 一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9 000? 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化稼一稼铝砷）激光器. 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GaAs 二极管激光器. 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,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,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD大功率LD短波长LD盆子线和量子点激光器、中红外LD
大功率半导体激光器的发展介绍 激光打标机、激光切割机、激光焊接机等等激光设备中激光器起着举足轻重的地位，在激光器的发展历程中，半导体激光器的发展尤为重要，材料加工用激光器主要要满足高功率和高光束质量，所以为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。
另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质
量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。 大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。 （1）半导体激光芯片外延生长技术 大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。 （2）半导体激光芯片的封装和光学准直 激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
紫外激光器研究进展及其关键技术 黄川 2120160620 摘要：本文详细介绍了利用LD泵浦的紫外激光器产生紫外激光的非线性原理，并在此基础上介绍了在全固态紫外激光器中用到的倍频晶体的种类和各自的应用场景；介绍了近年来高功率固体紫外激光器研制的国内外进展情况，最后展望了高功率全固体紫外激光器研制的未来。 关键词：紫外激光；非线性光学；相位匹配 1、引言 因为紫外激光具有的短波长和高光子的能量特点，所以紫外激光在工业领域内具有非常广泛的应用。在工业微加工领域内，相较于红外激光的热熔过程，紫外激光加工时的“冷蚀效应”可以使加工的尺寸更小，达到提高加工精度的目的。另外，紫外激光器在生物技术，医疗设备加工，大气探测等领域也有广泛的应用。 一般而言，可以将紫外激光器划分为三类：固体紫外激光器，气体紫外激光器，半导体紫外激光器。其中固体紫外激光器应用最为广泛的是激光二极管泵浦全固态激光器。而利用激光二极管抽运的固体UV激光器相较于其他类型的紫外激光器而言，具有效率高，性能可靠，硬件结构简单的特点，因此应用最为广泛，基于LD抽运的全固态UV激光器也得到了迅猛的发展。 在实际的应用当中，实现紫外连续激光输出的方法一般是利用晶体材料的非线性效应实现变频的方法来产生。产生全固态紫外激光的方法一般有两种：一是直接对全固体激光器进行3倍频或4倍频来得到紫外激光；另一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频技术得到紫外激光。相较于前一种方法，后者利用的是二次非线性极化率，其转换效率要高很多。最常见的是通过三倍频和四倍频技术产生355nm和266nm的紫外激光。下文将简单介绍紫外激光产生的非线性原理。 2、非线性频率转换原理 2.1 介质的非线性极化 激光作用在非线性介质上会引起介质的非线性极化，这是激光频率变换的非线性基础。在单色的电磁波作用下，介质的内部原子，离子等不会发生本征能级的跃迁，但是这些离子的电荷分布以及运动状态都会发生一些变化，引起光感应的电偶极矩，这个电偶极矩作为新的辐射源辐射电磁波。
题目：半导体激光器的发展与应用学院：理 专业：光 姓名：刘
半导体激光器的发展与应用 摘要：激光技术自1960年面世以来便得到了飞速发展，作为激光技术中最关键的器件激光器的种类层出不穷，这其中发展最为迅速，应用作为广泛的便是半导体激光器。半导体激光器的独特性能及优点，使其获得了广泛应用。本文就简要回顾半导体激光器的发展历程，着重介绍半导体激光器在日常生活与军用等各个领域中的应用。 关键词：激光技术、半导体激光器、军事应用、医学应用
引言 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；而接着，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光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进，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。 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.梅曼等人制成的第红宝石激光器，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激励（或抽运）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，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。
半导体激光器的研究进展 摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。 一、引言。 激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。 半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。 本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。 二、大功率半导体激光器的发展历程。 1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。在1968—1970 年期间，美国贝尔实验室的Panish，Hayashi 和Sμmski成功研究了AlGaAs /GaAs单异质结激光器，室温阈值电流密度为8.6 × 103 A /cm2，比同质结激光器降低了一个数量级。
浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 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。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。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。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、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 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,向有源层内注入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—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
半导体激光器的最新进展及应用现状 发表时间：2018-11-11T11:02:03.827Z 来源：《电力设备》2018年第18期作者：黄志焕[导读] 摘要：随着半导体技术的发展，半导体激光器所涉及的领域也在不断扩展，其应用领域的范围已覆盖光电子学的很多方面，半导体激光器已成为光电子学的核心器件之一。 (天津环鑫科技发展有限公司 300384) 摘要：随着半导体技术的发展，半导体激光器所涉及的领域也在不断扩展，其应用领域的范围已覆盖光电子学的很多方面，半导体激光器已成为光电子学的核心器件之一。由于半导体激光器具有体积小、寿命长、电光转换效率高、调制速度快、波长范围宽和易于集成等优点，在光互连、光通信、光存储等方面具有广泛的应用。 关键词：半导体激光器；最新进展；应用现状 1半导体激光器研究的意义半导体激光器的研究是我国光电技术研究的重要内容，是国家重点提出并且一直在努力寻求新的突破的领域。就当前半导体激光器研究的意义来看，对国家的发展具有重要的现实意义。与此同时，半导体激光器在各行各业的应用都十分广泛，并且呈现出以每年20％以上的增长速度，比如，军师领域的激光雷达、制导以及医疗、通讯、光盘等都开始应用半导体激光器。其涉及领域之广，扩展速度之快，应用价值之强，是被广泛认可的。近年来，随着信息科技的不断发展，人们对半导体激光器的性能要求越来越高，传统的半导体激光器在具体的实践应用当中已经表现出明显的不足之处。因此进行半导体激光器的研究，不短提升半导体激光器的现代化水平，具有重要的现实意义。 2半导体行业半导体器件是电子电路中必不可少的组成成分。半导体是人们为了生产生活需要,将两物质按照电学性质进行分类时确定的一个名称。它的导电性介于导体和绝缘体之间。半导体导电性能全是由其原子结构决定的。以元素半导体硅和锗为例,其原子序列分别是14和32,它们两个最外层电子数都是4。半导体具有自由电子和空穴两种载流子。而半导体的性质不同于导体和绝缘体,就是因为半导体拥有的载流子数目不同而载流子是能够运动的荷电粒子。电子和空穴都是载流子,它们相互运动即可产生电流。硅和锗是最为典型的元素半导体。 根据构成物质元素的不同,半导体可分为元素半导体和化合物导体,元素半导体由一种元素构成,化合物半导体由多种元素构成。而根据掺杂类型的不同,半导体可分为本征半导体、N型半导体和P型半导体;如果按照原子结构的排列规则不同,又可分为单晶半导体、多晶半导体和非晶态半导体。半导体行业具有技术密集、资金密集,高风险高回报和知识密集等特点。进入2010年以来,国家大力支持半导体行业的发展,2011年11月,国家税务总局和财政部联合发布了《关于退还集成电路企业采购设备增值税期末留纸税额》;2012年4月政府部门又发布了《关于进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展企业所得税政策的通知》;而于2014年,工信部又发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》。近几年,我国半导体行业发展速度超快,半导体产业逐渐呈现向大陆地区转移的新趋势,为我国各行业的发展带来设备国产化的发展机遇。而且政府政策大力支持半岛体行业的发展,大基金入场将会加速产业转型升级,成熟化发展。半导体具有掺杂特性、热敏性和光敏性三大特点。 3激光器顾名思义,激光器是一种能发射激光的装置。1954年,人们制成了第一台微波量子放大器;1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器的原理推广到光频范围;1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器;1961年A.贾文等人制成了第一台氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人制成了第一台半导体激光器;之后,激光器的种类就越来越多。一般而言,按工作介质分类,激光器可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器4大类。激光器的组成一般由3个重要部分构成,即工作物质、激励抽运系统、谐振腔。其中激光工作物质是一种激光增益的媒介,其原子或分子的能级差决定了激光的波长与频率。激光抽运系统是指为使激光器持续工作给予能量的源头,它实现并维持了工作物质的粒子数反转。光学谐振腔是激光生成的容器,有多种多样的设计方式是激光器设计的核心。 4激光器系统功能 4.1逻辑控制 系统通过操作面板实现逻辑控制,主要控制功能有3个。（1）内时钟工作:通过RS-422通信接口,向电源控制单元发射出光指令,工作频率可1-20Hz切换,同时通过LED反馈激光器工作状态。（2）外时钟工作:利用外部开关切换至外时钟,利用DSP外部中断接口检测外时钟。（3）自检功能:通过按压自检开关,触发激光器发射激光。 4.2高精度时序控制 激光器输出能量的大小和稳定性与激光电源的高精度时序是密不可分的,必须确保电源控制系统输出时钟的精度及稳定性。为实现μs级高精度控制逻辑,采用DSP控制芯片内置的PLL模块完成高精度时序控制,锁相环独有的负反馈和倍频技术可以提供高精度、稳定的频率,DSP 输入时钟30MHz,倍频到150MHz,时钟周期可达6.67ns。通过精确的技术方法,按照设计的延时产生所需的各路时钟,可以满足高精度的时序配置要求。 4.3恒流源驱动控制 激光器电源控制系统接收到激光发射的信号后,DSP输出12位数字信号,通过DAC1230芯片,将数字信号转换成相应的模拟参考电压信号。恒流源电路中的采样电阻R将通过泵浦模块的电流转换成相应的电压,经过F放大电路后,与参考电压进行比较,产生功率驱动信号,此信号控制功率管的开关。同时可通过DSP改变参考电压的大小,实现恒流源电流的调节。激光电源控制系统还可通RS-422通信接口,远程设置恒流源的电流和脉宽。 4.4温度控制系统 温度是影响激光器泵浦模块输出波长和泵浦效率的重要因素,故对泵浦模块进行控温是必不可少的。半导体激光器一般采用半导体热电致冷器进行控温,该制冷器具有无机械运动、无噪声、无污染、体积小、可靠性高、寿命长、制冷迅速、冷量调节范围宽及冷热转换快等特点。测温元件采用电流输出型温度传感器AD590,特点是工作直流电压较宽,一般为4-30V,输出电流为223μA(-50℃)-423μA(+150℃),灵敏度为1μA/℃。
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目半导体激光器原理及应用 专业、班级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 完成期限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 年月日
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 郑州轻工业学院 课程设计说明书题目：半导体激光器原理及应用 姓名：王森 院（系）：技术物理系 专业班级：电子科学与技术09-1 学号：540911010132 指导教师：运高谦 成绩： 时间：年月日至年月日 I
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 摘要 本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。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,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次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,光谱范围变宽,相干性增强,可以说是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射；光场 II
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 Abstract This article is mainly about the history of the development of semiconductor lasers, working principle and applications. Semiconductor lasers produce laser mechanism, which must be established between the specific laser energy state population inversion, and a suitable optical resonator. As the physical structure of the semiconductor material in which electron motion specificity and particularity, while the specific process of producing laser has many special features, the other produced by the laser beam has a unique advantage to make it widely used in all sectors of society . From homo-junction to the heterojunction, the power from the information type to type, is also becoming increasingly apparent superiority of the laser, spectral range, coherence enhanced semiconductor lasers opened a new era in the development of laser applications. Keywords: Laser technique；Semiconductor lasers；Stimulated emission；Optical field III
广西师范学院2017年本科毕业论文 论文题目 半导体激光器的发展历程 毕业生：吴伊琴 指导老师：王革 学科专业：物理学（师范） 目录 摘要 前言
一．理论基础及同质结半导体激光器（1917-1962） 1.1激光理念及激光技术的面世 1.2早期半导体激光器理念提出与探索（1953-1962）二．异质结半导体激光器（1963-1977） 2.1 单异质（SH）激光器 2.2 双异质（DH）激光器 三．半导体激光器实用领域的探索（1980-2005） 3.1 光纤通信与半导体激光器的相辅相成 3.2 量子阱能带工程技术的引入 4.1半导体激光器应用的多样化 4.2 半导体激光器的未来发展 结语 参考文献 摘要
双异质半导体激光器，量子阱技术，应变量子阱激光器，DFB激光器，面发射激光器，大功率激光器等等突破性研究成果的面世，使得半导体激光器已经占据了激光领域市场的大壁江山，以及成为了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域不可或缺的存在。本文梳理了1917年—2008年半导体激光器的发展历程，文中包括了半导体激光器大多研究成果，按照时间线对其进行整理。 总的说来，半导体激光器的发展历程可以分为4个阶段 第一．理论准备及起步阶段（1917-1962）。 1962年同质结半导体激光器研制成功。尽管同质结半导体激光器没有实用价值，但是它面世是半导体激光器发展历程中重要的标志，其基本理论是后来半导体激光器前进的基础。 第二．大发展期(1962--1979 长寿命，长波长双异质半导体激光器的面世使得半导体激光器能够满足光纤通信的需求。1978-1979年，国际上关于通过改进器件结构提高器件稳定性，降低损耗的研究成果非常多。由于对AlGaAs—GaAs激光器特性的不断进步的追求，使得这个时期出现了许多新的制造工艺，新的结构理念，为之后发展长波长半导体激光器留下了充足的技术支持。 第三．实用性的初步探索（1980--1990）在这期间半导体激光器的实用领域主要集中于光纤通信领域，由于光纤通信技术的不断发展，使得半导体激光器的发展也极其迅猛。 第四．实用的多样化(1990--2008 由于量子阱技术，应变量子阱激光器，DFB激光器，面发射激光器，大功率激光器等等突破性研究成果的面世，半导体激光器的实用领域覆盖了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域。 本文按照时间线将半导体激光器的发展历程梳理了一遍，使得半导体激光器的发展脉络更加清晰，时候其发展历程更加具体，明了。 关键词：激光半导体激光器应用多样化发展方向 前言 激光，英文名为“laser”是20世纪以来，目前在人类科技进步史上与原子能，计算机，半导体并驾齐驱的重大发明。其发展动向对于人类的科技，生活等等方面有着重要的影响。
半导体激光器的应用与分类 半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。 半导体激光器的分类有多种方法。按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。 LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。 半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。hymsm%ddz 半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。 半导体激光器的光场是发散的而且是不对称的。在垂直PN结平面方向（快轴方向），发散角较大，通常在20°～45°之间；在平行PN结平面方向（慢轴方向），发散角较小，通常在6°～12°之间。由此可以看出，半导体二极管激光器的光场在空间分布呈椭圆形。
摘要：本文介绍了有关异质结和半导体激光器的技术及其研究进展,首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程,第二部分介绍了半导体激光器发展过程与应用,最终以半导体激光器为例,展望激光器和异质结技术发展方向。 关键词：异质结，激光器 Abstract: The paper is a review of technique and recent progress about heterojunction and LD. Above all the history of development progress of heterojunction were introduced .Secondly it’s about the development and application of LD. Finally take LD for example, prospected the development direction of heterojunction and LD. Key words:heterojunction, laser 引言 半导体的核心是pn结,pn结是在一块半导体中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的,也称为“同质结”。如果结两边是用不同的材料制成,就称为“异质结”。异质结相对于同质结来说有许多优良的特性，特别是在半导体激光器方面有的得天独厚的优势。 第一章异质结的发展历程 pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。然而，随着无线移动通信、GPS、雷达及高速数据处理系统的飞速发展以及全球范围的军事及空间技术走向民用，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求[1]。在20 世纪60 年代初期，当pn结晶体管刚刚取得巨大成功的时候，人们就开始了对半导体异质结的研究。相对于同质结，异质结器件会有一些独特的功能：比如，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的注入比，因而可以获得较高的放大倍数。还有，如果在异质结中两种材料的过渡是渐变的，则禁带宽度的渐变就相当于存在一个等效的电场，使载流子的渡越时间减小，器件的响应速度增加等等。 但是实验上很难得到非常理想的异质结，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，当他们长成同一块单晶时，晶格的周期性在界面附近发生畸变，晶格畸变形成大量位错和缺陷，除了这种由材料本身固有性质决定的缺陷以外，生长工艺上的不完善还会引进更多的附加缺陷。这些界面上的位错缺陷将成为少子的复合中心。早期生长的异质结中因为界面缺陷太多，无法实现少子注入功能，因而不能做出性能良好的异质结。到了20世纪70年代,随着液相外延(LPE),汽相外延(VPE) ,金属有机化学气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现,使异质结的生长日趋完善，有利于异质结物理研究的深入开展，极大地促进了异质结器件和电路的快速发展[4]。自从1969年江崎和朱兆祥提出半导体超晶格的概念以来，“能带工程”愈来愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突变和具有纳米尺度低维系统(二维、一维或零维)的量子限制效应，可以制作出性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程”的重要内容[2]。 目前的研究主要集中在①电子器件：制备开关器件、整流器件、场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)和HEMT(High electron mobility transistor)②制备新型的发光设备取代传统光源如白光LED、制备异质结发光二极管③制备异质结激光器④制备太阳能电池⑤超晶格和多量子阱器件[3]。尤其是量子阱超晶格器件由于它优异的性能成为了目前半导体器件的研究热点。
半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管[1](LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。 A 小功率LD 用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。 B 高功率LD 1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1 mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。 近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。 【特点及应用范围】半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 【半导体激光器的发展及应用】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