半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)裝置是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件。.其工作原理是通過(guò)一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

半導(dǎo)體激光器儀器簡(jiǎn)介

圖1 激光器

工作原理

根據(jù)固體的能帶理論，半導(dǎo)體材料中電子的能級(jí)形成能帶。高能量的為導(dǎo)帶，低能量的為價(jià)帶，兩帶被禁帶分開(kāi)。引入半導(dǎo)體的非平衡電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)，把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去，這就是載流子的復(fù)合發(fā)光。

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

半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光達(dá)到受激發(fā)射（即產(chǎn)生激光）的必要條件是：①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布分別從P型側(cè)和n型側(cè)注入到有源區(qū)的載流子密度十分高時(shí)，占據(jù)導(dǎo)帶電子態(tài)的電子數(shù)超過(guò)占據(jù)價(jià)帶電子態(tài)的電子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。②光的諧振腔在中，諧振腔由其兩端的鏡面組成，稱(chēng)為法布里一珀羅腔。③高增益用以補(bǔ)償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發(fā)射的損耗和介質(zhì)的光吸收。

是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個(gè)基本條件：

（1）要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；

（2）有一個(gè)合適的諧振腔能夠起到反饋?zhàn)饔?，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；

（3）要滿(mǎn)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(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

封裝技術(shù)

5.1技術(shù)介紹

封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來(lái)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(nèi)，封裝的作用主要是保護(hù)管芯和完成電氣互連。而封裝則是完成輸出電信號(hào)，保護(hù)管芯正常工作，輸出：可見(jiàn)光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，無(wú)法簡(jiǎn)單地將分立器件的封裝用于。

5.2發(fā)光部分

的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當(dāng)注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個(gè)方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來(lái)，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型封裝是將邊長(zhǎng)0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線(xiàn)架上，管芯的正極通過(guò)球形接觸點(diǎn)與金絲，鍵合為內(nèi)引線(xiàn)與一條管腳相連，負(fù)極通過(guò)反射杯和引線(xiàn)架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹(shù)脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹(shù)脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護(hù)管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導(dǎo)致過(guò)多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹(shù)脂作過(guò)渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹(shù)脂須具有耐濕性，絕緣性，機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)管芯發(fā)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(duì)光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹(shù)脂透鏡，可使光集中到的軸線(xiàn)方向，相應(yīng)的視角較?。蝗绻敳康臉?shù)脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

5.3驅(qū)動(dòng)電流

圖6

一般情況下，的發(fā)光波長(zhǎng)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(dāng)正向電流流經(jīng)pn結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱；時(shí)保持色純度與發(fā)光強(qiáng)度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA左右。但是，的光輸出會(huì)隨電流的增大而增加，很多功率型的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到70mA、100mA甚至1*，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，全新的封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線(xiàn)路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。

進(jìn)入21世紀(jì)后，的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙光效已達(dá)到100Im/W，綠為501m/W，單只的光通量也達(dá)到數(shù)十Im。芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯(cuò)來(lái)提高內(nèi)部效率，同時(shí)，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)光學(xué)決定因素

藍(lán)光DVD

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

損耗關(guān)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(lèi)，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(xù)輸出激光，還比如反轉(zhuǎn)粒子的躍遷損耗（這類(lèi)損耗可以歸為白噪聲）等等之類(lèi)的，都是腔長(zhǎng)長(zhǎng)損耗大。激光器閾值電流不過(guò)就是能讓激光器起振的電流，諧振腔長(zhǎng)短的不同可以使得閾值電流有所不同，中，像邊發(fā)射激光器腔長(zhǎng)較長(zhǎng)，閾值電流相對(duì)較大，而垂直腔面發(fā)射激光器腔長(zhǎng)極短，閾值電流就非常低了。這些都不是一兩句話(huà)可以說(shuō)的清楚的，它們各自的速率方程也都不同，不是一兩個(gè)式子能解釋的。另外諧振腔長(zhǎng)度不同也可以達(dá)到選模的作用，即輸出激光的頻率不同。

發(fā)展概況

簡(jiǎn)介

又稱(chēng)激光二極管(LD）。進(jìn)入八十年代，人們吸收了半導(dǎo)體物理發(fā)展的成果，采用了量子阱（QW）和應(yīng)變量子阱（SL-QW）等新穎性結(jié)構(gòu)，引進(jìn)了折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器以及增強(qiáng)調(diào)制Bragg發(fā)射器技術(shù)，同時(shí)還發(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長(zhǎng)技術(shù)新工藝，使得新的外延生長(zhǎng)工藝能夠精確地控制晶體生長(zhǎng)，達(dá)到原子層厚度的精度，生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應(yīng)變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長(zhǎng)，使用壽命也明顯加長(zhǎng)。

小功率

用于信息技術(shù)領(lǐng)域的小功率LD發(fā)展極快。例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反饋(DFB）和動(dòng)態(tài)單模LD、窄線(xiàn)寬可調(diào)諧DFB-LD、用于光盤(pán)等信息處理技術(shù)領(lǐng)域的可見(jiàn)光波長(zhǎng)（如波長(zhǎng)為670nm、650nm、630nm的紅光到藍(lán)綠光）LD、量子阱面發(fā)射激光器以及超短脈沖LD等都得到實(shí)質(zhì)性發(fā)展。這些器件的發(fā)展特征是：?jiǎn)晤l窄線(xiàn)寬、高速率、可調(diào)諧以及短波長(zhǎng)化和光電單片集成化等。

高功率

1983年，波長(zhǎng)800nm的單個(gè)LD輸出功率已超過(guò)100mW，到了1989年，0.1mm條寬的LD則達(dá)到3.7W的連續(xù)輸出，而1cm線(xiàn)陣LD已達(dá)到76W輸出，轉(zhuǎn)換效率達(dá)39%。1992年，美國(guó)人又把指標(biāo)提高到一個(gè)新水平：1cm線(xiàn)陣LD連續(xù)波輸出功率達(dá)121W，轉(zhuǎn)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(fā)展也為全固化激光器，亦即半導(dǎo)體激光泵浦（LDP）的固體激光器的迅猛發(fā)展提供了強(qiáng)有力的條件。

為適應(yīng)EDFA和EDFL等需要，波長(zhǎng)980nm的大功率LD也有很大發(fā)展。配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩(wěn)定性，泵浦效率也得到有效提高。

產(chǎn)品分類(lèi)

（1）異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器

（2）條形結(jié)構(gòu)激光器

（3）GaAIAs/GaAs激光器

（4）InGaAsP/InP激光器

（5）可見(jiàn)光激光器

（6）遠(yuǎn)紅外激光器

（7）動(dòng)態(tài)單模激光器

（8）分布反饋激光器

（9）量子阱激光器

（10）表面發(fā)射激光器

（11）微腔激光器