简诉半导体激光器的构成及各部分作用

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（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。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

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。

半导体激光器的核心发光部分为激光二极管，是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂），起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

核心零件激光二极管：

而普通的激光笔，一般也就相当于是一种简易的半导体激光器而已：

参考结构：

半导体激光器最基本的结构就是：准直透镜组、激光二极管、散热外壳（激光二极管是半导体激光里发热最厉害的部分，而且对温度敏感，娇气，所以散热很重要）、恒流驱动电路、电源（包括电池、开关电源）；而工业上用的，为了能长时间工作，通常都有温控和散热冷却（风冷、水冷、TEC半导体制冷）。

工业上的一般是这种：

波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。DFB-LD虽然单模特性稳定，但是波长调谐的范围较小，一般在2 nm左右。目前技术比较成熟的波长可调谐激光器主要基于分布布拉格反射器半导体激光器(DBR-LD)。和DFB-LD相似，DBR-LD也是通过内含布拉格光栅来实现光的反馈的。不过在DBR-LD中，光栅区仅在激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图3。3个电极分别对DBR-LD的增益区、相移区和选模光栅注入电流，其中增益区提供增益，光栅区选择纵模，而相移区用来调节相位，使得激光器的谐振波长和光栅的布拉格波长一致。通过调节3个电极的注入电流，其调谐范围可以达到10 nm左右。另外采用特殊的光栅结构，如超结构光栅(SSG)，DBR-LD的波长调谐范围可以达到103 nm。

和DFB-LD一样，DBR-LD也需要使用外调制器才能满足长距离传输的需要。1999年，法国France Telecom公司报道了他们制作的DBR-LD/EA调制器集成光源[9]。它由一个两段DBR-LD与一个EA调制器构成，并采用相同的应变补偿InGaAsP多量子阱层作为DBR-LD的有源区和Bragg光栅区以及EA调制器的吸收层。通过改变Bragg光栅区的注入电流，其输出波长可以覆盖12个信道，共5.2 nm的波长调谐范围。同时，该集成器件的调制带宽达到15 GHz，可以应用于10 Gbit/s通信系统。

由于DBR-LD是通过改变光栅区的注入电流实现调谐的，这导致了较大的谱线展宽。另外DBR-LD需要调节至少两个以上电极的电流，才能将激射波长固定下来，不利于实际应用，而且DBR-LD纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，所以近年来有关波长可调谐DBR-LD的研究活动有所减弱。而由于DFB-LD的激射波长相对稳定，人们就将多个波长不同的DFB-LD集成起来，组成波长可选择光源。2000年，日本NEC公司报道了他们制作的波长可选择集成光源[10]。光源含有8个具有不同输出波长的DFB-LD，并采用一个EA调制器对输出光信号进行调制。光源中还集成有一个多模干涉型(MMI)耦合器与一个半导体光放大器(SOA)，用来对8个激光器的输出光进行耦合并对损耗进行补偿。该器件采用介质膜选择性区域外延进行制作，可以作为2.5 Gbit/s DWDM光纤网络的光源，能够有效地提高系统的灵活性与可靠性。但是这种光源需要在同一衬底上制作不同激射波长的DFB-LD，其无论对材料的外延生长工艺还是对器件的后加工工艺，都有非常高的要求。

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