什么是半导体激光器

什么是半导体激光器？

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，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。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。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS，CdS，ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，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。

半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。

激光二极体的优点有：效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（脉宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。

半导体激光器主要性能参数定义

1．P-I 特性及阈值电流

P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。

由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。

当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。

随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。

只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。

2．激光器线宽

半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm表示，有的用Hz表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽《0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？

线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm，Hz，cm-1。该参数与激光本身的波长由关系。

3. 边模抑制比（SSR）

边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或CW）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。

4. 振荡腔

谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。

光学谐振腔的作用有：

①提供反馈能量，

②选择光波的方向和频率。

谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。

5. 三种类型的QCL

按振荡腔设计的差异，QCL可以分为三大类：

图1：QC激光器的基本结构包括FP-QCL（上图）、DFB-QCL（中图）和ECqcL（下图）。增益介质显

示为灰色，波长选择机制为蓝色，镀膜面为橙色，输出光束为红色。

FP-QCL：最简单的结构是F-P（法布里-珀罗）腔激光器（FP-QCL）。在F-P 结构中，切割面（天然理解面）为激光提供反馈，有时也使用介质膜以优化输出。

DFB-QCL：第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。这种结构（DFB-QCL）可以输出较窄的光谱，但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。通过最大范围的温度调谐，DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐（通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围，或者通过快速注入电流加热调谐获得2~3cm-1的范围）。

只有满足下式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模 工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。

EcqcL： 将QC芯片和外腔结合起来，形成ECqcL。这种结构既可以提供窄光谱输出，又可以在QC芯片整个增益带宽上（数百cm-1）提供快调谐（速度超过10ms）。由于ECqcL结构使用低损耗元件，因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。

三种类型的光通信激光器

在常用的三种激光中，FP激光比DFB激光容易产生，但FP激光的光线较宽（》1nm），波长的温度漂移也较大（0.5nm/℃）， 因此不适用于高速和/或远程应用。

DFB激光的光线则相对较窄（《0.04nm），波长对温度的漂移也较小（0.1nm/℃），因此就比较适合高性能的通信应用。但DFB激光也有缺陷。首先，它工作在1500nm波段时很容易产生啁啾，因此通常需要外加调制器（在1300nm波段此局限并不重要）；其次，它没有FP或VCSEL激光那样容易产生，而且所需的阈值电流也比VCSEL激光大。

VCSEL激光的优点是线宽较窄（0.35nm）且波长对温度漂移较小（0.06nm/℃）。另外，VCSEL激光的阈值电流也较小 （1mA），在相同的输出功率下，它比DFB激光和FP激光的效率更高，而且不象DFB激光那样容易产生啁啾。因而，即使速度为10Gbps的数据也可以直接采用VCSEL激光调制。最后，比起其它激光，制造和调整准直VCSEL都比较容易，这样就能够生产低成本基于VCSEL的收发器。这些特性看起来足以使VCSEL成为高性能通信应用的理想解决方案。其中850nm的VCSEL已经获得大规模的应用，但是由于长波长（1310nm、1550nm）的VCSEL具有输出功率不足以及制造工艺复杂等缺点，一直未能获得大规模应用。