什麽是半導體激光器？

半導體(ti) 激光器是以一定的半導體(ti) 材料做工作物質而產(chan) 生激光的器件。。其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體(ti) 物質的能帶（導帶與(yu) 價(jia) 帶）之間，或者半導體(ti) 物質的能帶與(yu) 雜質（受主或施主）能級之間，實現非平衡載流子的粒子數反轉，當處於(yu) 粒子數反轉狀態的大量電子與(yu) 空穴複合時，便產(chan) 生受激發射作用。半導體(ti) 激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體(ti) 激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等材料製成的半導體(ti) 麵結型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平麵區域產(chan) 生受激發射。光泵式半導體(ti) 激光器，一般用N型或P型半導體(ti) 單晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物質，以其他激光器發出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體(ti) 激光器，一般也是用N型或者P型半導體(ti) 單晶（如PbS，CdS，ZhO等）做工作物質，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體(ti) 激光器件中，性能較好，應用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極管激光器。

半導體(ti) 激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發，在1970年實現室溫下連續輸出。後來經過改良，開發出雙異質接合型激光及條紋型構造的激光二極管（Laser diode）等，廣泛使用於(yu) 光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chan) 量最大的激光器。

激光二極體(ti) 的優(you) 點有：效率高、體(ti) 積小、重量輕且價(jia) 格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達到數%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續輸出波長涵蓋了紅外線到可見光範圍，而光脈衝(chong) 輸出達50W（脈寬100ns）等級的產(chan) 品也已商業(ye) 化，作為(wei) 激光雷達或激發光源可說是非常容易使用的激光的例子。

半導體激光器主要性能參數定義

1．P-I 特性及閾值電流

P-I特性揭示了LD輸出光功率與(yu) 注入電流之間的變化規律，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曆了幾個(ge) 典型階段。

當注入電流較小時，有源區裏不能實現粒子數反轉，自發輻射占主導地位，LD發射普通的熒光，光譜很寬，其工作狀態類似於(yu) 一般的發光二極管。

隨著注入電流的加大，有源區裏實現了粒子數反轉，受激輻射開始占主導地位，但當注入電流仍小於(yu) 閾值電流時，諧振腔裏的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nei) 建立起一定模式的振蕩，LD發射的僅(jin) 僅(jin) 是較強的熒光，稱為(wei) “超輻射”狀態。

隻有當注入電流達到閾值以後，才能發射譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄並出現單峰（或多峰）。

2．激光器線寬

半導體(ti) 的激光器的線寬是多少？有的用nm表示，有的用Hz表示，計算公式是什麽(me) ？經常會(hui) 提到激光器的線寬《0.0001 nm 換算成“Hz”是多少赫茲(zi) 啊？

線寬即為(wei) 激光某一單獨模式的光譜寬度，一般表達形式：nm，Hz，cm-1。該參數與(yu) 激光本身的波長由關(guan) 係。

3. 邊模抑製比（SSR）

邊模抑製比是指在發射光譜中，在規定的輸出功率和規定的調製（或CW）時最高光譜峰值強度與(yu) 次高光譜峰值強度之比。

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(you) 先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑製。凡不沿諧振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外; 沿軸線運動的光子將在腔內(nei) 繼續前進，並經兩(liang) 反射鏡的反射不斷往返運行產(chan) 生振蕩，運行時不斷與(yu) 受激粒子相遇而產(chan) 生受激輻射，沿軸線運行的光子將不斷增殖，在腔內(nei) 形成傳(chuan) 播方向一致、頻率和相位相同的強光束，這就是激光。為(wei) 把激光引出腔外，可把一麵反射鏡做成部分透射的，透射部分成為(wei) 可利用的激光，反射部分留在腔內(nei) 繼續增殖光子。

光學諧振腔的作用有：

①提供反饋能量，

②選擇光波的方向和頻率。

諧振腔內(nei) 可能存在的頻率和方向稱為(wei) 本征模。兩(liang) 反射鏡的曲率半徑和間距（腔長）決(jue) 定了諧振腔對本征模的限製情況。不同類型的諧振腔有不同的模式結構和限模特性。

5. 三種類型的QCL

按振蕩腔設計的差異，QCL可以分為(wei) 三大類：

圖1：QC激光器的基本結構包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質顯

示為(wei) 灰色，波長選擇機製為(wei) 藍色，鍍膜麵為(wei) 橙色，輸出光束為(wei) 紅色。

FP-QCL：最簡單的結構是F-P（法布裏-珀羅）腔激光器（FP-QCL）。在F-P 結構中，切割麵（天然理解麵）為(wei) 激光提供反饋，有時也使用介質膜以優(you) 化輸出。

DFB-QCL：第二種結構是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結構（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結構低很多。通過最大範圍的溫度調諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長調諧（通過緩慢的溫度調諧獲得10~20cm-1的調諧範圍，或者通過快速注入電流加熱調諧獲得2~3cm-1的範圍）。

隻有滿足下式的那些特定波長的光才會(hui) 受到強烈反射，從(cong) 而實現動態單縱模 工作。式也稱為(wei) 分布反饋條件（一般m取1）。

EcqcL： 將QC芯片和外腔結合起來，形成ECqcL。這種結構既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(ge) 增益帶寬上（數百cm-1）提供快調諧（速度超過10ms）。由於(yu) ECqcL結構使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運作。

三種類型的光通信激光器

在常用的三種激光中，FP激光比DFB激光容易產(chan) 生，但FP激光的光線較寬（》1nm），波長的溫度漂移也較大（0.5nm/℃）， 因此不適用於(yu) 高速和/或遠程應用。

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

VCSEL激光的優(you) 點是線寬較窄（0.35nm）且波長對溫度漂移較小（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(chan) 生啁啾。因而，即使速度為(wei) 10Gbps的數據也可以直接采用VCSEL激光調製。最後，比起其它激光，製造和調整準直VCSEL都比較容易，這樣就能夠生產(chan) 低成本基於(yu) VCSEL的收發器。這些特性看起來足以使VCSEL成為(wei) 高性能通信應用的理想解決(jue) 方案。其中850nm的VCSEL已經獲得大規模的應用，但是由於(yu) 長波長（1310nm、1550nm）的VCSEL具有輸出功率不足以及製造工藝複雜等缺點，一直未能獲得大規模應用。