1.6 半導(dǎo)體激光器及其使用

1.6.1 半導(dǎo)體激光器概述

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。它的工作物質(zhì)有二元化合物（如GaAs、CdS）、三元化合物（如 GaAlAs、PbSnTe）、四元化合物（如 GaInAsP）等。激勵方式有PN結(jié)注入電流激勵、電子束激勵、光激勵、碰撞電離激勵四種，其中，第一種激勵方式的半導(dǎo)體激光器即激光二極管（Laser Diode，LD），是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的器件。

LD通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。LD不僅能產(chǎn)生高功率（≥10mW）輻射，而且輸出光發(fā)散角窄，與單模光纖的耦合效率高（30%～50%），輻射光譜線窄（Δλ=0.1～1.0nm），適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速（＞20GHz）直接調(diào)制，非常適合用做高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。

在半導(dǎo)體激光器的增益介質(zhì)方面，由所謂體材料發(fā)展到量子阱（QW）和正在研究的量子線和量子點，并由晶格匹配材料發(fā)展到應(yīng)變材料；在激光器的諧振腔構(gòu)建方面，由最初的普通法布里-珀羅（F-P）腔，發(fā)展到具有波長選擇的分布反饋（DFB）、分布布拉格反射（DBR）、垂直腔、微腔以及光柵外腔。這些手段使得激光器的閾值電流密度不斷降低，激光線寬不斷減少、轉(zhuǎn)換效率等性能不斷提高。

1. 半導(dǎo)體激光器的特點

半導(dǎo)體激光器的特點如下：①體積最小，其產(chǎn)生激光的核心部分（芯片）各維的線度都在微米量級，封裝后的體積也僅有火柴盒大小。②質(zhì)量最輕，一般在數(shù)十克。③直接電注入產(chǎn)生激光，因此它是高效率的電子-光子轉(zhuǎn)換器。理論上，內(nèi)量子效率可達(dá)100%。實際上，由于增益介質(zhì)中不可避免地存在注入電子和產(chǎn)生光子的損耗，但其功率效率也能達(dá)30%以上，是激光器中效率最高的。④工作壽命最長，一般小功率半導(dǎo)體激光器的工作壽命能達(dá)數(shù)十萬乃至百萬小時，大功率半導(dǎo)體激光器也能連續(xù)工作數(shù)萬小時。⑤覆蓋的波長范圍最廣。目前已能從不同的半導(dǎo)體材料中獲得從紫外（約300nm）到中紅外（十幾微米）的一個很寬的激光頻譜范圍。⑥結(jié)構(gòu)最簡單，一般的F-P腔半導(dǎo)體激光器，其腔面由晶體的自然解理面構(gòu)成。分布反饋和分布布拉格反射結(jié)構(gòu)也可在材料生長過程中一氣呵成。驅(qū)動電流也直接加到芯片上。⑦價格最便宜，與其他激光器相比，半導(dǎo)體激光器的價格最低。以小功率（約10mW）的半導(dǎo)體激光器為例，每個僅數(shù)美元。⑧能方便地與光纖高效率耦合。由于其近場尺寸很小（微米量級），無需另加透鏡等聚焦系統(tǒng)就可以與經(jīng)微透鏡處理的光纖直接高效耦合，其耦合損耗在3dB以下。這對于包括光纖通信在內(nèi)的許多應(yīng)用均是重要的。⑨具有直接調(diào)制的能力，能直接將電信號加在半導(dǎo)體激光器上得到所需的不失真的光信號。這無疑對包括光通信工程、光信息存儲在內(nèi)的光電子信息領(lǐng)域是非常重要的，也是半導(dǎo)體激光器獨具優(yōu)點之一。⑩有與其他半導(dǎo)體光子器件或電子器件單片集成的能力。因此，它在各個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

2. 半導(dǎo)體激光器的閾值與模式

（1）LD的閾值

在激光器中，要維持激光振蕩，不僅需要使光子的產(chǎn)生速率超過吸收速率，而且還要超過光子在結(jié)區(qū)的損耗率，這種剛好抵償吸收與損耗的光子產(chǎn)生率處就叫閾值。也就是說，閾值是半導(dǎo)體激光器內(nèi)部增益與損耗（內(nèi)部損耗和輸出損耗）之間的平衡點。閾值之后的半導(dǎo)體激光器才開始有凈增益。半導(dǎo)體激光器是直接注入電流產(chǎn)生輻射躍遷，最終得到激光輸出的，故它的閾值是以電流密度J或電流I來表示的。

對所有應(yīng)用來說，總是希望閾值越小越好，而影響閾值的因素如圖1-14所示。

LD的P-I特性曲線如圖1-15所示。LD有一閾值電流Ith，當(dāng)I ＞Ith時才發(fā)出激光。在Ith以上，光功率P隨I線性增加。閾值電流是評定半導(dǎo)體激光器性能的一個主要參數(shù)，利用兩段直線擬合法可對其進(jìn)行測定。如圖1-16所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長并相交，其交點所對應(yīng)的電流即為閾值電流Ith。

（2）LD的模式

LD的模式可分為空間模和縱模（軸模）。空間模描述圍繞輸出光束軸線某處的光強(qiáng)分布，或者是空間幾何位置上的光強(qiáng)（或光功率）的分布，也稱為遠(yuǎn)場分布；縱模則表示一種頻譜，它反映所發(fā)射的光束功率在不同頻率（或波長）分量上的分布。二者都可能是單模或者出現(xiàn)多個模式（多模）。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有非圓對稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且在垂直于異質(zhì)結(jié)平面方向（稱為橫向）和平行于結(jié)平面方向（稱為側(cè)向）有不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光場限制情況。橫向上都是異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的折射率波導(dǎo)，而在側(cè)向目前多是折射率波導(dǎo)，但也可采取增益波導(dǎo)，因此半導(dǎo)體激光器的空間模式又有橫模與側(cè)模之分。圖1-17表示這兩種空間模式。

由于有源層厚度很薄（約為0.15 μm），因而能保證在單橫模工作。而在側(cè)向，則其寬度相對較寬，因而視其寬度可能出現(xiàn)多側(cè)模。如果在這兩個方向都能以單模（或稱為基模）工作，則為理想的 TEM00模，此時出現(xiàn)光強(qiáng)峰值在光束中心且呈“單瓣”。這種光束的光束發(fā)散角最小、亮度最高，能與光纖有效地耦合，也能通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到較小的斑點，這對激光器的應(yīng)用是非常有利的。相反，若有源區(qū)寬度較寬，則發(fā)光面上的光場（稱為近場）在側(cè)向表現(xiàn)出多光絲，類似一些并行的發(fā)光絲，在遠(yuǎn)場的側(cè)向則有對應(yīng)的光強(qiáng)分布，如圖1-18所示。這種多側(cè)模的出現(xiàn)以及它的不穩(wěn)定性，易使激光器的P-I特性曲線發(fā)生“扭折”（Kink），使P-I曲線線性變壞，這對信號的模擬調(diào)制是不利的。同時，多側(cè)模也影響與光纖高效率的耦合，側(cè)模的不穩(wěn)定性也影響出纖功率的穩(wěn)定性，不能將這種多側(cè)模的激光束聚焦成小的光斑。

（3）LD光斑的圓化處理

由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對稱，其遠(yuǎn)場呈橢圓狀，長、短軸分別對應(yīng)于橫向與側(cè)向。在許多應(yīng)用中需用光學(xué)系統(tǒng)對這種非圓對稱的遠(yuǎn)場光斑進(jìn)行圓化處理。通常，可通過外部光學(xué)系統(tǒng)來壓縮半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角，以實現(xiàn)相對準(zhǔn)直的光束，但這是以一定的光功率損耗為代價的。如果將從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光近似視為有高斯分布的點光源，可以采取圖1-19所示的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑應(yīng)大于半導(dǎo)體激光器的有效數(shù)值孔徑 ，經(jīng)準(zhǔn)直出來的激光束乃至聚焦后的焦斑仍是橢圓。如需得到小而圓的斑點，尚需對準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行圓化處理。用節(jié)距（Pitch）為1/4的自聚焦透鏡可方便地對半導(dǎo)體激光器出射光進(jìn)行準(zhǔn)直，如圖1-20所示。

半導(dǎo)體激光器存在像散，像散是像差的一種。當(dāng)用光學(xué)系統(tǒng)對半導(dǎo)體激光器解理面上的近場成像時，就會發(fā)現(xiàn)，由于像散的存在會在焦線上出現(xiàn)兩個像點。半導(dǎo)體激光器在橫向都是利用有源層兩邊折射率差所形成的光波導(dǎo)效應(yīng)，對有源區(qū)光子進(jìn)行限制的，而在側(cè)向有增益波導(dǎo)與折射率波導(dǎo)兩種光限制類型。早期的條形激光器是增益波導(dǎo)型的，都有非平面波前。對于目前大量采用的側(cè)向折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在垂直于結(jié)平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰處為平面波前，如圖1-21（a）所示。而當(dāng)側(cè)向的波導(dǎo)機(jī)構(gòu)是由復(fù)折射率的虛數(shù)部分起主要作用時（即增益波導(dǎo)），則在該方向的光場分布如圖1-21（b）所示，在腔內(nèi)距腔面為D（稱為像散量）的地方出現(xiàn)虛腰，這也是外部觀察者所能看到的最小近場寬度，真正的束腰在腔中心。因此，從傳播方向來看，兩個方向的合成波前呈圓柱面，如圖1-21（c）所示。這種輸出光是像散的，其影響是用球透鏡對解理腔面成像時，虛腰的像面與腔面的像面（即橫向光場束腰的像面）不對應(yīng)在同一處，其后果是遠(yuǎn)場分布出現(xiàn)“兔耳”狀。在早期的氧化條形激光器中就出現(xiàn)這種遠(yuǎn)場情況。同時，像差的存在使側(cè)向模式增多，光譜線寬加寬。這給應(yīng)用帶來很大的困難，除非采取消像差的措施，否則很難用一般的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到很小的光斑。焦斑上光場分布不均勻，也很難使激光器與單模光纖高效率地耦合，即使在側(cè)向有折射率波導(dǎo)限制的情況，由于載流子側(cè)向分布的影響，也很難使上述表征像散大小的D值為零，一般在2 μm以上。

（4）縱模模譜及其影響的因素

半導(dǎo)體激光器的激射波長是由禁帶寬度Eg決定的，然而這一波長也必須滿足諧振腔內(nèi)的駐波條件，諧振條件決定著激光激射波長的精細(xì)結(jié)構(gòu)或縱模模譜。因為不同振蕩波長間不存在損耗的差別，而它們的增益差又小，故除了由禁帶寬度Eg所決定的波長能在腔內(nèi)振蕩外，在它周圍還有一些滿足諧振腔駐波條件的波長，也可能在有源介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)獲得足夠的增益而起振。因而有可能存在一系列振蕩波長，每一波長構(gòu)成一個振蕩模式，稱為腔模或縱模，并由它構(gòu)成一個縱模譜，如圖1-22所示。這些縱模之間的間隔Δλ和Δν為

式中，λ為激射波長；c為光速；ng為有源材料的群折射率。

一般的半導(dǎo)體激光器的縱模間隔為0.5～1nm，而激光介質(zhì)的增益譜寬為數(shù)十納米，因而有可能出現(xiàn)多縱模振蕩。但傳輸速率高（如大于622Mbps）的光纖通信系統(tǒng)，要求半導(dǎo)體激光器是單縱模的。這一方面是為了避免由于光功率在各個縱模之間隨機(jī)分配所產(chǎn)生所謂的模分配噪聲；另一方面縱模的減少也是得到很窄的光譜線寬所必需的，而窄的線寬有利于減少在高數(shù)據(jù)傳輸速率光纖通信系統(tǒng)中光纖色散的影響。即使有些激光器連續(xù)工作時是單縱模的，但在高速調(diào)制下由于載流子的瞬態(tài)效應(yīng)，而使主模兩旁的邊模達(dá)到閾值增益而出現(xiàn)多縱模振蕩，因此必須考慮縱模的控制。為了得到單縱模，應(yīng)弄清縱模的模譜，影響單縱模存在的因素，才能設(shè)法得到所要求的單縱模激光器。

半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)材料特性和器件結(jié)構(gòu)都對縱模譜產(chǎn)生影響，其主要影響因素是：

① 自發(fā)發(fā)射因子對縱模譜的影響。自發(fā)發(fā)射對半導(dǎo)體激光器的主要影響是：

● 使P-I特性曲線“變軟”；

● 在穩(wěn)態(tài)條件下振蕩模的噪聲譜和光譜加寬；

● 閾值以上的邊模抑制比下降；

● 在直接調(diào)制下張弛振蕩頻率降低。

一般，半導(dǎo)體激光器有比氣體和固體激光器高約5個數(shù)量級的自發(fā)發(fā)射因子（10-4）。由圖1-23可以看出，縱模譜隨γ變化很大。當(dāng)γ=10-5時，幾乎所有的激光功率集中在一個縱模內(nèi)，即單縱模工作；當(dāng) γ=10-4時，只有約80%的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；當(dāng)γ=10-3時，則有更多的縱模參與功率分配。另一方面，若自發(fā)發(fā)射因子γ→1（如在微腔情況），則出現(xiàn)量變到質(zhì)變的情況，此時每一個自發(fā)發(fā)射光子引發(fā)出一個受激發(fā)射光子，卻能得到很好的單縱模。

② 電流密度對縱模譜的影響。若激光器具有標(biāo)準(zhǔn)腔長（250 μm）和典型的γ=10-4，實驗發(fā)現(xiàn)，在小于閾值的低注入電流時，模譜的包絡(luò)宛如自發(fā)發(fā)射譜；當(dāng)電流增加到閾值以上時，模譜包絡(luò)變窄，各縱模開始競爭，對應(yīng)于增益譜中心的主模（q=0）的增長速率比鄰近縱模快。隨著電流的增加，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，而且峰值波長發(fā)生紅移現(xiàn)象。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，這種紅移量約為0.1nm/mA。

③ 器件結(jié)構(gòu)對縱模譜的影響。側(cè)向有折射率波導(dǎo)的激光器比增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器表現(xiàn)出更好的縱模特性。如圖1-24所示的是波長為780nm的兩種側(cè)向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縱模譜。這說明對有源區(qū)內(nèi)載流子限制能力越強(qiáng)，腔內(nèi)的微分增益越高，不但橫模（包括側(cè)模）特性可得到改善，縱模特性同樣向單縱模方向轉(zhuǎn)化。

在一般的法布里-珀羅（FP）諧振腔中，各個縱模分量在腔內(nèi)得到反饋的量是相同的。在分布反饋（DFB）、分布布拉格反射（DBR）和有外部光柵諧振腔的結(jié)構(gòu)中，諧振腔具有對某一波長選擇反饋的作用，因而有好的縱模特性。圖1-25比較的是在1300nm波長、側(cè)向折射率波導(dǎo)的FP腔和DFB腔的縱模特性。若諧振腔長很短，則縱模間隔很大，其3dB增益帶寬內(nèi)允許振蕩的縱模數(shù)減少。當(dāng)主模兩邊的次模隨著腔長的縮短而移出3dB增益帶寬之外，則可出現(xiàn)單縱模振蕩。

④ 溫度對縱模譜的影響。由于有源層材料的禁帶寬度Eg隨溫度增加而變窄，使激射波長發(fā)生紅移，其紅移量為0.2～0.3nm/℃，與器件的結(jié)構(gòu)和有源區(qū)材料有關(guān)。據(jù)此特性，可以用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂苼砦⒄{(diào)激光的峰值激射波長，以滿足對波長要求嚴(yán)格的一些應(yīng)用。和穩(wěn)定輸出功率一樣，如需要有穩(wěn)定的工作波長，對半導(dǎo)體激光器需進(jìn)行恒溫控制。圖1-26表示溫度對峰值波長的影響。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展很快，種類很多，大家熟知的PN結(jié)二極管注入式激光器與異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器就不介紹了，下面只重點介紹幾個典型的新型半導(dǎo)體激光器。

1.6.2 量子阱半導(dǎo)體激光器

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，異質(zhì)結(jié)的厚度愈做愈薄，例如薄到5～10 μm。這樣薄的有源層厚度對電子的運動會產(chǎn)生什么影響呢？這里有一個量變到質(zhì)變的過程，也就是關(guān)于量子阱的概念。

大家知道，半導(dǎo)體中的電子和空穴參與導(dǎo)電，因為它們的運動是自由的。這里的自由并不是真空中的完全自由，而是有一定約束的，使電子或空穴的能量狀態(tài)只能處于導(dǎo)帶或價帶上。電子運動的自由程度用電子平均自由程描述，即在一個自由程內(nèi)電子運動是不受任何干擾（如碰撞）的。同質(zhì)結(jié)的有源區(qū)厚度基本上就由這個自由程決定（大約1 μm）。異質(zhì)結(jié)的激活區(qū)進(jìn)一步變窄（0.1～0.4 μm），電子在這個窄的激活區(qū)運動就已經(jīng)好像在一個井中運動一樣，但這個窄的激活區(qū)，對電子運動來說約束還不夠強(qiáng)烈，也就是說，電子作為粒子其波動性還不明顯，因為這時的激活底寬度與電子的量子波長相比還大得多。當(dāng)激活底寬度減小到1～10nm時，激活區(qū)寬度已經(jīng)與電子的量子波長相當(dāng)，甚至還要小，這時的激活區(qū)就更像陷阱（量子力學(xué)中稱為“阱”）一樣。這時電子的運動受到強(qiáng)烈的約束，電子和空穴在導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰顟B(tài)出現(xiàn)不連續(xù)分布，稱為量子阱（QW）。用這樣的量子阱結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體激光器就稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。從這個意義上說，量子阱激光器就是結(jié)區(qū)很薄的異質(zhì)結(jié)激光器。

量子阱半導(dǎo)體激光器與普通半導(dǎo)體激光器的主要區(qū)別在于它的激活區(qū)不是一層激活材料（如P-GaAs），而是由量子阱材料構(gòu)成的。所謂量子阱是由兩種禁帶不同的超薄層化合物半導(dǎo)體交替生長的周群結(jié)構(gòu)，如圖1-27所示。

圖1-27（a）是由兩種組分材料的許多薄層交替堆疊而成的結(jié)構(gòu)，稱為多量子阱（MQW）；圖1-27（b）是由兩種組分薄層構(gòu)成的，只有一層量子阱的結(jié)構(gòu)，稱為單量子阱（SQW）。圖1-28（a）中ta表示量子阱寬度，tb表示勢壘區(qū)寬度。這種量子阱材料的能帶在實空間中呈現(xiàn)不連續(xù)分布。圖1-28中EC、EV分別表示導(dǎo)帶和價帶能量，Ega和Egb分別為窄帶材料和寬帶材料的禁帶寬度，ΔEC和ΔEV分別表示兩種材料之內(nèi)導(dǎo)帶和價帶的能量躍遷。由于量子阱結(jié)構(gòu)中的超薄層厚度可達(dá)原子層厚度，僅為幾納米到十幾納米，使其呈現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致其吸收、發(fā)射和載流子輸運特性與常規(guī)半導(dǎo)體材料有很大的差別。正是由于這種差別，使得量子阱半導(dǎo)體激光器具有極低的閾值電流（小于1mA）、高的特征溫度（大于400K）、極好的動態(tài)單模特性、高飽和輸出功率等優(yōu)點。

到目前為止，人們已利用 MBE、MOCOCVD、CBE、ALE 等技術(shù)成功地制備出了從可見光到中紅外輻射的、性能優(yōu)異的量子阱半導(dǎo)體激光器的激光陣列器件，其激勵方式有光泵的，也有電注入的，反饋裝置有解理面F-P腔型，也有DFB結(jié)構(gòu)。

在量子阱半導(dǎo)體激光器的研究中，采用GaAlAs材料制備的量子阱激光器的研究較多，也較成熟，與普通GaAs/GaAlAs DH器件相比，GaAlAs QW激光器有較低的閾值電流，較高的微分量子效率，且閾值電流受溫度影響較小。

目前，有兩類高性能的GaAl/GaAlAs QW激光器：一類是具有梯度折射率隔離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)（GRIN-SCH）SQW激光器，其閾值電流可小于5mA，特征溫度達(dá)160K，微分量子效率為81%；另一類是掩埋式MQW激光器。一種Zn擴(kuò)散臺面掩埋型結(jié)構(gòu)的MQW激光器在室溫時，閾值電流為2.4mA，在77K時，閾值電流下降為0.88mA。采用InGaAlP材料系統(tǒng)的量子阱激光器是長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)的重要光源。一種利用改進(jìn)的液相外延（LPE）技術(shù)工藝制作的波長為1.3 μm的InGaAsP/InP MQW激光器，量子阱厚度為20nm，勢壘層厚度為40～60nm，其室溫閾值電流為15mA，特征溫度為130K，閾值電流和微分量子效率隨溫度變化不明顯，特別是在室溫附近變化更小。

除上述晶格匹配的長、短波量子阱激光器外，近幾年還采用量子阱材料研制了可見光半導(dǎo)體激光器、中間波段半導(dǎo)體激光器、大功率激光器、面發(fā)光激光器、應(yīng)變層超晶格量子結(jié)構(gòu)激光器等新型量子阱激光器。在630～650nm的紅光半導(dǎo)體激光器中，目前認(rèn)為最有前途的是InGaAlP量子阱可見光激光器，預(yù)計它可取代He-Ne激光器在信息處理中的應(yīng)用。在藍(lán)、綠光半導(dǎo)體激光器的研究中，美國3M公司研制的用CdxZn1-xSe作為應(yīng)變量子阱層的藍(lán)綠光激光器，在77K時，脈沖激勵，發(fā)射波長為490nm，微分量子效率為20%，輸出功率大于100mW。當(dāng)采用ZnMgSe作為限制層時，發(fā)射波長為511nm～515nm，閾值電流降為2.5mA。在光纖通信領(lǐng)域中，一種泵浦摻鉺（Er）光纖放大器的應(yīng)變層GRIN-SCH-SQW InGaAs/GaAs激光器，發(fā)射波長為980nm，可在室溫下連續(xù)工作，平均閾值電流約為15mA，峰值輸出功率為30mW以上，工作壽命達(dá)上萬小時。

應(yīng)當(dāng)特別指出的是，人們利用量子阱結(jié)構(gòu)，借助于量子阱激光器的低閾值、高特征溫度的特點，研制了高功率激光輸出的半導(dǎo)體鎖相激光陣列，它在室溫下連續(xù)輸出功率超過百瓦，脈沖輸出高達(dá)百瓦、千瓦級。這些量子阱半導(dǎo)體激光器的研制成功，使得半導(dǎo)體激光器成為光纖通信、光傳感、光盤、激光打印以及光計算技術(shù)的重要光源，也將成為未來能量光電子技術(shù)的重要器件，涉及材料加工、光泵系統(tǒng)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

因此，量子阱半導(dǎo)體激光器是伴隨著分子束外延（MBE）技術(shù)、有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積（MOCVD）技術(shù)和近期發(fā)展的化學(xué)束外延（CBE）技術(shù)、原子層外延（ALE）技術(shù)的發(fā)展，而迅速發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體激光器。這種激光器的突出優(yōu)點是，閾值電流密度大約是普通異質(zhì)結(jié)激光器的四分之一，如此低的閾值電流，很易于實現(xiàn)光集成化，同時也容易制作大功率半導(dǎo)體激光器，并且光束質(zhì)量好，有利于提高通信質(zhì)量。目前，量子阱激光器正在向超薄、量子級聯(lián)激光器的方向發(fā)展，進(jìn)一步降低閾值成為半導(dǎo)體激光器的一種發(fā)展方向。

1.6.3 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器

法布里-珀羅（F-P）腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，但難于實現(xiàn)單縱模工作，適用于調(diào)制速率小于622Mbps的光纖通信系統(tǒng)（1.3 μm的閾值為10mA以下，輸出功率為10mW左右）；分布反饋式（DFB）半導(dǎo)體激光器易于獲得單模、單頻輸出，并可在高速調(diào)制下保持單縱模工作，容易與光纜、光纖調(diào)制器耦合，但其波長調(diào)諧范圍比較小，一般在2nm左右，適用于高速調(diào)制（2.5～10 Gbps）的短距離光纖通信系統(tǒng)（閾值為5mA左右的在2.5 Gbps速率下傳輸上百千米）；分布布拉格反射（DBR）半導(dǎo)體激光器可通過改變光柵區(qū)的注入電流大小來實現(xiàn)調(diào)諧，從而導(dǎo)致了較大的譜線展寬，波長的調(diào)諧范圍至少為10nm，用超結(jié)構(gòu)光柵（SSG）可擴(kuò)大到103nm，但其縱模的模式穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)跳模的現(xiàn)象。

上述三種半導(dǎo)體激光器，由于激光的出射方向是與襯底平面（或者半導(dǎo)體材料的生長平面）相互平行，激光要從兩個解理端面出射，因此它們均屬于邊發(fā)射激光器。這類邊發(fā)射激光器具有的缺點是：①在芯片解理之后，才能進(jìn)行單個器件的性能測試，這無疑會增加成本；②發(fā)光截面不對稱，為橢圓光斑，不利于光聚焦，也不利于光耦合進(jìn)入光纖；③由于激光從側(cè)面輸出，只能進(jìn)行一維集成，而無法實現(xiàn)單片集成的二維陣列，而光數(shù)據(jù)傳輸和交換的多通道往往需要能二維集成，因而有了垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。

垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（Vertical Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laser， VCSEL）的激光出射方向與襯底平面相互垂直，激光無需從解理端面出射，而是朝襯底面出射（稱為底部發(fā)射的 VCSEL）或者從位于生長層頂端的表面出射的（稱為頂端發(fā)射的VCSEL），因此VCSEL屬于面發(fā)射激光器。VCSEL具有的優(yōu)點是：①VCSEL的腔長只有幾個μm，因而可以實現(xiàn)良好的動態(tài)單縱模；②由于是面發(fā)射，VCSEL的發(fā)光截面可做成圓形，得到無像散的圓形光斑，光束質(zhì)量好，發(fā)散角小，易于與光纖耦合；③VCSEL的閾值電流密度雖然與邊發(fā)射激光器的差不多，但是由于VCSEL的體積非常小（VCSEL體積約為F-P半導(dǎo)體激光器的1/1000），所以閾值電流很小（可以小于1 μA），工作電流可以工作在數(shù)倍甚至100倍閾值電流以上；④光垂直表面出射，無需解理面就可以實現(xiàn)在片檢測，而且在晶片上幾乎可以完成制造過程，這將極大地增加生產(chǎn)量和降低成本；⑤光垂直表面出射，很容易制作二維的激光器陣列，使處理二維圖像信息更方便，速度更快。因此，它在超大規(guī)模集成電路中的光互連、未來光計算機(jī)并行處理和空間交換中，具有光明的應(yīng)用前景。

垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）的結(jié)構(gòu)如圖1-29所示。由于VCSEL的腔長很小，會導(dǎo)致光在諧振腔中得到的增益很小，因而必須引入高反射率的反射鏡，以加強(qiáng)光反饋；同時，還采用具有高材料增益系數(shù)的半導(dǎo)體作為有源區(qū)（如量子阱、量子線、量子點）。在VCSEL中，高反射率的反射鏡通常采用金屬反射鏡、由半導(dǎo)體材料或者絕緣介質(zhì)材料形成的分布布拉格反射器（DBR）或者復(fù)合反射鏡（即上述反射鏡的混合形式）。而DBR反射器是由厚度為1/4波長厚的高折射率材料與低折射率材料交替形成的多層結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩種材料的折射率差別越大與周期數(shù)目（即DBR的對數(shù)）越多時，DBR所提供的反射率越大。然而，大的材料折射率差，將導(dǎo)致相應(yīng)的材料參數(shù)大的差異，從而很難形成穩(wěn)定的DBR和可靠的VCSEL。

如果分別采用P型和N型半導(dǎo)體材料作為VCSEL的頂部DBR和底部DBR，量子阱材料作為有源區(qū)。在有源區(qū)的上下分別生長了一層AlAs，再通過對AlAs層適當(dāng)區(qū)域選擇氧化層絕緣的AlyOx材料（其折射率也比AlAs低），以形成好的電流和光波通道，從而形成一個頂端發(fā)射的VCSEL，其性能比一般的VCSEL更優(yōu)越。

對于850nm、980nm的VCSEL，它們以GaAs為襯底，GaAs/AlAs之間有較好的晶格匹配，且折射率差較大，由它們所組成半導(dǎo)體DBR可以提供較強(qiáng)的光反饋。目前850nm、980nm的VCSEL已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。而對于1310nm、1550nm的VCSEL來說，它們通常以InP為襯底，有源區(qū)為InGsP（或InGaAlAs）。在InP系中，難以得到晶格匹配且折射率較大的DBR材料，故這些波段的VCSEL發(fā)展不如850nm、980nm的VCSEL那樣成熟。對此問題的解決辦法有：①采用復(fù)合發(fā)射鏡；②采用非 InP 系的半導(dǎo)體材料來制作半導(dǎo)體DBR；③有源區(qū)仍然采用InGaAsP（或InGaAlAs）等InP系材料。但是，DBR采用GaAs/AlAs材料分別生長兩者之后，再采用鍵合（Bonding）手段將兩者結(jié)合在一起，從而構(gòu)成一個完整的VCSEL。

1.6.4 微腔激光器

微腔激光器是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)的激光器，其諧振腔長為波長量級。由于微腔的引入，介質(zhì)中自發(fā)發(fā)射的性質(zhì)被根本性地改變，從而獲得低閾值、高效率和穩(wěn)定單模輸出，甚至可以實現(xiàn)無閾值激射。因此，微腔激光器被認(rèn)為是激光器的一次變革。

普通半導(dǎo)體激光器的諧振腔典型長度為幾百μm。在這種具有較大體積的諧振腔中，腔內(nèi)存在的自發(fā)發(fā)射模式非常多，而激光器振蕩模式只在其中的一個或幾個頻率；而且自發(fā)發(fā)射以均等的概率進(jìn)入所有的方向，而激光振蕩模式只在其中的一個方向。所以，進(jìn)入諧振模式的自發(fā)輻射與總自發(fā)輻射之比β（稱為自發(fā)輻射因子）很小，為10-4～10-5量級，這意味著在104～105個光子中，只有一個進(jìn)入了激射模式而成為受激發(fā)射的“種子”，而其他的自發(fā)發(fā)射光子則成為半導(dǎo)體激光器中能量損失、速度限制和噪聲的主要來源。因此，對通常的半導(dǎo)體激光器，為了得到單縱模輸出，總是希望β在10-6以下，以被動地限制這種自發(fā)發(fā)射進(jìn)入激光振蕩模式。

然而，自發(fā)輻射并非原子的本征屬性，微諧振腔的引入可以對自發(fā)發(fā)射進(jìn)行控制，從而根本性地改變自發(fā)發(fā)射的性質(zhì)。在微腔激光器中，諧振腔的尺寸很小，至少有一個維度的尺寸與光在半導(dǎo)體介質(zhì)中的波長量級相當(dāng)。在如此小的空間中，受激原子的自發(fā)輻射性質(zhì)發(fā)生了很大的改變，有的模式被加強(qiáng)，有的模式被抑制，使自發(fā)輻射由無限多個連續(xù)模式變成趨于量子化的少數(shù)幾個模式。這少數(shù)幾個模式與介質(zhì)的增益譜相耦合，其中某個模式直接由自發(fā)輻射的模式通過諧振增強(qiáng)變成激光振蕩模式，因而自發(fā)發(fā)射因子β將提高4到5個數(shù)量級，使得激光器的閾值大大降低。在理想的微腔激光器中，所有自發(fā)發(fā)射的光子均能夠進(jìn)入激射模式，β能夠達(dá)到理論極限值1，這意味著在增加泵浦時（即注入電流或者實施光泵浦），激射功率隨注入電流線性增長，從而實現(xiàn)無閾值（或者零閾值）的激光器。此外，微腔的存在還會縮短自發(fā)發(fā)射光子的壽命（即所謂的Purcell效應(yīng)），從而有望獲得超高速響應(yīng)的激光器（＞100 Gbps）。自發(fā)發(fā)射因子和光子壽命的改變也將改善輸出譜線的線寬和穩(wěn)定性，從而獲得低閾值、高效率和穩(wěn)定單模輸出的激光器。

微腔激光器及其光子集成的突破，可使光子學(xué)跨越固態(tài)光子學(xué)階段，直接進(jìn)入微光子時代的超大規(guī)模集成光路階段。由于微腔激光器的器件結(jié)構(gòu)是通過平面工藝實現(xiàn)的，有可能在1cm2的芯片上集成大量的激光器，使光子器件的集成度達(dá)到完全可以與當(dāng)今超大規(guī)模集成電路相比的程度。每個微腔激光器的閾值為亞毫安甚至可低達(dá)微安量級，即使100萬個激光器同時工作，其總的功率也只有幾瓦。因此，微腔激光器及其二維面陣是一種高效、高密度光源，適用于低功率的光互連、光計算、多頭存儲、二維掃描、多信道光纖通信、激光打印和信息顯示等領(lǐng)域。

1.6.5 半導(dǎo)體激光器的安全使用

在正常條件下使用的半導(dǎo)體激光器有很長的工作壽命，在光纖通信中使用的小功率半導(dǎo)體激光器的工作壽命可達(dá)數(shù)十萬小時乃至百萬小時；輸出功率在數(shù)十毫瓦以上乃至瓦級的所謂大功率半導(dǎo)體激光器列陣，只要合理使用，其工作壽命也在數(shù)萬小時。但是半導(dǎo)體激光器較為“嬌小”，抗惡劣工作環(huán)境與條件的能力相對較差，因此使用時必須要引起充分注意。

1. 必須注意防止正向浪涌

半導(dǎo)體激光器的制造商和其使用者都必須注意防止浪涌。造成半導(dǎo)體激光器浪涌損傷的原因和預(yù)防措施是：

① 驅(qū)動電源無慢啟動措施，以致造成瞬時過電壓（電流）沖擊。其預(yù)防措施是：在驅(qū)動電源中應(yīng)用防止過沖動的電感和電容元件的慢啟動電路，但與激光二極管并聯(lián)的電容量不能過大。

② 用管座與激光二極管引腳直接插入（接通）、拔出（斷開）所引起的過電壓驅(qū)動電源與含有高起輝電壓（如日光燈、He-Ne激光器等）的電源共線，這些用戶啟動時產(chǎn)生的浪涌竄入激光二極管。其預(yù)防措施是：保證二者接觸良好，防止無彈性管座的硬接觸；具有防浪涌措施的熱插拔；室內(nèi)電源有可靠的工作地線；或有防浪涌措施的單獨電源。

③ 調(diào)節(jié)激光二極管工作電流的電位器的活動導(dǎo)電件（如電刷）接觸不良。其預(yù)防措施是：注意檢查電位器，對頻繁調(diào)節(jié)的電位器更要注意。

④ 將激光二極管引腳直接焊接到外電路時，電烙鐵漏電造成浪涌竄入或電烙鐵功率過大對激光二極管造成過熱損傷。其預(yù)防措施是：盡量不用直接焊接方式連接；用小功率（＜8W），低電壓（＜24V）、外殼經(jīng)1MΩ接地的電烙鐵，或用蓄電池供電的釬焊烙鐵；烙鐵加熱到所需溫度后斷開電源快速焊接；烙鐵頭不要長時間（＜5s）與激光二極管引腳熱接觸；焊接時用鑷子夾住二極管引腳散熱，防止管芯過熱。

2. 必須注意防止靜電損傷

人體的靜電或高壓直流電場環(huán)境都可能對激光二極管造成損傷或毀壞。預(yù)防措施有：①直接接觸半導(dǎo)體激光器管芯（包括管芯測試、鍵合、裝配、檢驗等）的工作人員要穿戴防靜電服；②操作人員要戴符合要求的手腕接地環(huán)，必要時工作鞋也需要接地，如圖1-30所示；③控制室內(nèi)溫度，過于干燥的空氣易于產(chǎn)生和積累靜電，或以離子氣體中和靜電；④激光二極管儲存和運輸時要將其引腳插入導(dǎo)電泡沫塑料或其引腳正、負(fù)極短接；⑤在無以上設(shè)施的操作人員需偶然接觸激光二極管引腳時，至少事先將手觸摸導(dǎo)電工作臺或大的金屬體以釋放靜電。

3. 必須注意防止熱致破壞

半導(dǎo)體本身是一種溫度敏感材料，將半導(dǎo)體激光器恒溫放在額定的工作溫度（≈23°），對保證器件的穩(wěn)定運行、延長工作壽命均是必要的。對閾值電流小（Ith在10mA以下），功率效率高的半導(dǎo)體激光器，可通過其管殼的熱交換而能無致冷的工作，一般情況下則需要采用微型致冷器。對輸出功率為瓦量級的半導(dǎo)體激光器列陣，尚需采用微通道水冷來抽出其產(chǎn)生的熱量。

4. 需加熱插拔保護(hù)控制電路

在實際工作中，往往需要將包含有半導(dǎo)體激光器的模板或板卡從正在運行中的底板上的總線或電源插槽上進(jìn)行帶電插入或拔出（熱插拔），為了防止該過程中浪涌對激光器的沖擊損害，可選用合適的熱插拔控制器電源接口電路。能提供熱插拔控制芯片的廠商有凌特公司、美信公司、TI、AD等公司。

以美信公司的MAX4272控制器芯片為例，其應(yīng)用框圖如圖1-31所示。虛線左側(cè)為背板，右側(cè)為可進(jìn)行熱插拔的單盤或板卡（線卡）。當(dāng)板卡插入背板時，3～12V的直流電源從ON引腳接入而進(jìn)入高電平，同時熱插拔控制器也開始工作，其獨特的電流調(diào)整結(jié)構(gòu)使N溝道場效應(yīng)三極管（N-FET）的柵極（Gate）電壓UGATE小于閾值電壓UTH，此時N-FET關(guān)斷，在電源輸出端VOUT無輸出。隨著FET芯片內(nèi)部電荷積累使UGATE緩慢上升（慢啟動過程），當(dāng)UGATE＞UTH時，在FET的漏極得到所需的輸出電壓VOUT（2.7～6V）。采樣電阻RSENSE用來限定板卡的最大工作電流，電容CTIM用來設(shè)定啟動的時間常數(shù)及失效后重試的時間常數(shù)。板卡熱拔出時，亦有同樣的保護(hù)功能。

5. 注意激光對人身安全的影響和防護(hù)

眾所周知，可以利用激光束的高亮度來進(jìn)行材料加工、人體手術(shù)，但如果直接將激光束照射到人體上，也可給身體造成損傷，特別是近年來用做泵浦的高功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率不斷提高（連續(xù)輸出功率可達(dá)百瓦量級乃至千瓦量級、脈沖功率可達(dá)兆瓦量級），其安全使用不容忽視，即使是光纖通信用的信號光源為數(shù)毫瓦的激光束經(jīng)人眼聚焦到視網(wǎng)膜上，也可能造成視網(wǎng)膜的損傷。1993年美國食品與藥物組織（FDA）公布了對人眼和皮膚安全的激光輻射劑量標(biāo)準(zhǔn)。

我國也于1996年1月1日頒布實施了激光產(chǎn)品的輻射安全標(biāo)準(zhǔn)，這等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC825（1984）《激光產(chǎn)品的輻射安全、設(shè)備分類、要求和用戶指南》和1990年8月的第一次修訂文件。在這里將介紹一下使用所有激光的安全問題。

激光光源以及基于激光的設(shè)備依據(jù)它們的潛在威脅可以分為1～4個級別，危害主要包括對眼睛（視力）的損害和皮膚的破壞（燒傷）。

分類的一個主要差別是在CW激光器和脈沖激光器之間。主要分類參數(shù)是可獲得的光學(xué)功率（CW或峰值）。另外影響分類的主要參數(shù)還包括所有類型的激光器的波長、光束面積、光束發(fā)散角以及脈沖激光器的脈沖持續(xù)時間、脈沖功率和作用周期。

為了說明問題，根據(jù)IEC激光安全標(biāo)準(zhǔn)，作為波長的函數(shù)，對CW光源的激光安全分類，如圖1-32所示。在圖1-32中，給出了功率與波長關(guān)系的圖表以對CW激光光源的安全級別進(jìn)行定義。

級別1為那些本來就安全的光源。它的安全性是因為其發(fā)射功率低于傷害閾值或激光器上配備有發(fā)射自動斷路裝置以防止操作者處于危險之中。級別2為那些發(fā)射光在可見光范圍內(nèi)且因不斷地眨眼睛能允許的較大的CW功率（1mW）。對級別1和2的激光設(shè)備無需特殊的安全措施，僅需給出一個標(biāo)志指出輻射發(fā)出的孔徑位置并給出不要直視激光束的警告。所以，對功率≤1mW就足以達(dá)到技術(shù)要求的所有儀器，就應(yīng)絕對保持這一低值以避免發(fā)生安全問題。1級和2級產(chǎn)品的例子有：條碼激光掃描器、校準(zhǔn)和定位系統(tǒng)、激光干涉儀以及正弦波調(diào)制的遙測儀。

級別3A 的激光器及其設(shè)備是那些沒有輔助光學(xué)儀器（如顯微鏡或放大鏡）并對視覺安全的激光。在可見光范圍內(nèi)，級別3A和CW功率限制是5mW，但是在IR和UV可允許的功率要小，因為這時缺乏眨眼反應(yīng)。在級別3B，可見光的CW功率在5mW到500mW之間，且在注視這一類型的激光時，直視總是很危險的。級別3C 激光必須設(shè)置僅供專業(yè)人員操作的開關(guān)鍵，并在工作區(qū)內(nèi)給出警示。

級別4激光是最危險的，當(dāng)一個CW源功率僅≥0.5W就為級別4。級別4激光不經(jīng)意的反射（如由環(huán)狀物、金屬物體等）可能散射到眼睛上的功率，就會超過最大允許曝光量（MPE）。所以，級別4激光工作時，需對可進(jìn)入?yún)^(qū)域有嚴(yán)格的限制。設(shè)置警示并有聲音或紅燈報警，表示激光器開著。這種情況的典型例子，即為用于焊接和其他機(jī)械工作的CO2功率激光器，但對于像遙測儀這樣的測量儀器，滿足這個級別的安全要求肯定是一個很大的障礙。

脈沖式的遙測儀很容易超過級別3B 的極限，它們的操作必須遵從在室外條件下光線通過大氣傳輸?shù)幕诩す鈨x器的操作規(guī)則。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)定為用合適的柵欄將公眾能達(dá)到的范圍屏蔽在視覺危險帶（DOR）之外，視覺危險帶應(yīng)距光束所到達(dá)處有3～6m的安全距離。