什么是半導(dǎo)體激光器？

半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(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)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵(lì)。高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶（如PbS，CdS，ZhO等）做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。

半導(dǎo)體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在1970年實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管（Laser diode）等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機(jī)、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器。

激光二極體的優(yōu)點(diǎn)有：效率高、體積小、重量輕且價(jià)格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達(dá)到數(shù)%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長(zhǎng)涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達(dá)50W（脈寬100ns）等級(jí)的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激光雷達(dá)或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。

半導(dǎo)體激光器主要性能參數(shù)定義

1．P-I 特性及閾值電流

P-I特性揭示了LD輸出光功率與注入電流之間的變化規(guī)律，因此是LD最重要的特性之一。

由P-I曲線可知，LD是閾值型器件，隨注入電流的不同而經(jīng)歷了幾個(gè)典型階段。

當(dāng)注入電流較小時(shí)，有源區(qū)里不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位，LD發(fā)射普通的熒光，光譜很寬，其工作狀態(tài)類似于一般的發(fā)光二極管。

隨著注入電流的加大，有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射開始占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流仍小于閾值電流時(shí)，諧振腔里的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nèi)建立起一定模式的振蕩，LD發(fā)射的僅僅是較強(qiáng)的熒光，稱為“超輻射”狀態(tài)。

只有當(dāng)注入電流達(dá)到閾值以后，才能發(fā)射譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄并出現(xiàn)單峰（或多峰）。

2．激光器線寬

半導(dǎo)體的激光器的線寬是多少？有的用nm表示，有的用Hz表示，計(jì)算公式是什么？經(jīng)常會(huì)提到激光器的線寬《0.0001 nm 換算成“Hz”是多少赫茲啊？

線寬即為激光某一單獨(dú)模式的光譜寬度，一般表達(dá)形式：nm，Hz，cm-1。該參數(shù)與激光本身的波長(zhǎng)由關(guān)系。

3. 邊模抑制比（SSR）

邊模抑制比是指在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出功率和規(guī)定的調(diào)制（或CW）時(shí)最高光譜峰值強(qiáng)度與次高光譜峰值強(qiáng)度之比。

4. 振蕩腔

諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。凡不沿諧振腔軸線運(yùn)動(dòng)的光子均很快逸出腔外; 沿軸線運(yùn)動(dòng)的光子將在腔內(nèi)繼續(xù)前進(jìn)，并經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運(yùn)行產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行時(shí)不斷與受激粒子相遇而產(chǎn)生受激輻射，沿軸線運(yùn)行的光子將不斷增殖，在腔內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強(qiáng)光束，這就是激光。為把激光引出腔外，可把一面反射鏡做成部分透射的，透射部分成為可利用的激光，反射部分留在腔內(nèi)繼續(xù)增殖光子。

光學(xué)諧振腔的作用有：

①提供反饋能量，

②選擇光波的方向和頻率。

諧振腔內(nèi)可能存在的頻率和方向稱為本征模。兩反射鏡的曲率半徑和間距（腔長(zhǎng)）決定了諧振腔對(duì)本征模的限制情況。不同類型的諧振腔有不同的模式結(jié)構(gòu)和限模特性。

5. 三種類型的QCL

按振蕩腔設(shè)計(jì)的差異，QCL可以分為三大類：

圖1：QC激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質(zhì)顯

示為灰色，波長(zhǎng)選擇機(jī)制為藍(lán)色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。

FP-QCL：最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是F-P（法布里-珀羅）腔激光器（FP-QCL）。在F-P 結(jié)構(gòu)中，切割面（天然理解面）為激光提供反饋，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以優(yōu)化輸出。

DFB-QCL：第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多。通過最大范圍的溫度調(diào)諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長(zhǎng)調(diào)諧（通過緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過快速注入電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）。

只有滿足下式的那些特定波長(zhǎng)的光才會(huì)受到強(qiáng)烈反射，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模 工作。式也稱為分布反饋條件（一般m取1）。

EcqcL： 將QC芯片和外腔結(jié)合起來，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過10ms）。由于ECqcL結(jié)構(gòu)使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作。

三種類型的光通信激光器

在常用的三種激光中，F(xiàn)P激光比DFB激光容易產(chǎn)生，但FP激光的光線較寬（》1nm），波長(zhǎng)的溫度漂移也較大（0.5nm/℃）， 因此不適用于高速和/或遠(yuǎn)程應(yīng)用。

DFB激光的光線則相對(duì)較窄（《0.04nm），波長(zhǎng)對(duì)溫度的漂移也較小（0.1nm/℃），因此就比較適合高性能的通信應(yīng)用。但DFB激光也有缺陷。首先，它工作在1500nm波段時(shí)很容易產(chǎn)生啁啾，因此通常需要外加調(diào)制器（在1300nm波段此局限并不重要）；其次，它沒有FP或VCSEL激光那樣容易產(chǎn)生，而且所需的閾值電流也比VCSEL激光大。

VCSEL激光的優(yōu)點(diǎn)是線寬較窄（0.35nm）且波長(zhǎng)對(duì)溫度漂移較小（0.06nm/℃）。另外，VCSEL激光的閾值電流也較小 （1mA），在相同的輸出功率下，它比DFB激光和FP激光的效率更高，而且不象DFB激光那樣容易產(chǎn)生啁啾。因而，即使速度為10Gbps的數(shù)據(jù)也可以直接采用VCSEL激光調(diào)制。最后，比起其它激光，制造和調(diào)整準(zhǔn)直VCSEL都比較容易，這樣就能夠生產(chǎn)低成本基于VCSEL的收發(fā)器。這些特性看起來足以使VCSEL成為高性能通信應(yīng)用的理想解決方案。其中850nm的VCSEL已經(jīng)獲得大規(guī)模的應(yīng)用，但是由于長(zhǎng)波長(zhǎng)（1310nm、1550nm）的VCSEL具有輸出功率不足以及制造工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，一直未能獲得大規(guī)模應(yīng)用。