半導體激光模塊

1978年，半導體激光模塊開始應用於光纖通信系統，半導體激光模塊可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規模集成電路平面工藝組成光電子系統.由於半導體激光模塊有着超小型、高效率和高速工作的優異特點，所以這類器件的發展，一開始就和光通信技術緊密結合在一起，它在光通信、光變換、光互連、並行光波系統、光信息處理和光存貯、光計算機外部設備的光禍合等方面有重要用途.半導體激光模塊的問世極大地推動了信息光電子技術的發展，到如今，它是當前光通信領域中發展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源.半導體激光模塊再加上低損耗光纖，對光纖通信產生了重大影響，並加速了它的發展.因此可以説，沒有半導體激光模塊的出現，就沒有當今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質結激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統無不都採用分佈反饋式半導體激光模塊(DFB一LD).半導體激光模塊也廣泛地應用於光盤技術中，光盤技術是集計算技術、激光技術和數字通信技術於一體的綜合性技術.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段，它需要半導體激光模塊產生的光束將信息寫人和讀出.

下面我們具體來看看幾種常用的半導體激光模塊的應用:

量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應用，同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源.由於它的高效率、高可*性和小型化的優點，導致了固體激光器的不斷更新.

在印刷業和醫學領域，高功率半導體激光模塊也有應用.另外，如長波長激光器(1976年，人們用Ga[nAsP/InP實現了長波長激光器)用於光通信，短波長激光器用於光盤讀出.自從NaKamuxa實現了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導體激光模塊在光盤系統中得到了廣泛應用，如CD播放器，DVD系統和高密度光存儲器可見光面發射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有着很重要的應用，特別是紅光、綠光和藍光面發射激光器的應用更廣泛.藍綠光半導體激光模塊用於水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用於大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中.總之，可見光半導體激光模塊在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫人，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有着廣泛的用途.量子級聯激光的新型激光器應用於環境檢測和醫檢領域.另外,由於半導體激光模塊可以通過改變磁場或調節電流實現波長調諧，且已經可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導體激光模塊可以進行高分辨光譜研究.可調諧激光器是深入研究物質結構而迅速發展的激光光譜學的重要工具大功率中紅外(3.5lm)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、大氣窗口、自由空間通信、大氣監視和化學光譜學等方面有廣泛的應用.

綠光到紫外光的垂直腔面發射器在光電子學中得到了廣泛的應用，如超高密度、光存儲.近場光學方案被認為是實現高密度光存儲的重要手段.垂直腔面發射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫療等方面I2)、如前所述，半導體激光模塊自20世紀80年代初以來，由於取得了DFB動態單縱模激光器的研製成功和實用化，量子阱和應變層量子阱激光器的出現，大功率激光器及其列陣的進展，可見光激光器的研製成功，面發射激光器的實現、單極性注人半導體激光模塊的研製等等一系列的重大突破，半導體激光模塊的應用越來越廣泛，半導體激光模塊已成為激光產業的主要組成部分，已成為各國發展信息、通信、家電產業及軍事裝備不可缺少的重要基礎器件.

半導體激光模塊在半導體激光打標機中的應用：

半導體激光模塊因其使用壽命長、激光利用效率高、熱能量比YAG激光器小、體積小、性價比高、用電省等一系列優勢而成為2010年熱賣產品，e網激光生產的國產半導體激光模塊的出現，加速了以半導體激光模塊為主要耗材的半導體激光機取代YAG激光打標機市場份額的步伐。

半導體物理學的迅速發展及隨之而來的晶體管的發明，使科學家們早在50年代就設想發明半導體激光模塊，60年代早期，很多小組競相進行這方面的研究。在理論分析方面，以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最為傑出。 　在1962年7月召開的固體器件研究國際會議上，美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光發射現象，這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾（Hall）的極大興趣，在會後回家的火車上他寫下了有關數據。回到家後，哈爾立即制定了研製半導體激光模塊的計劃，並與其他研究人員一道，經數週奮鬥，他們的計劃獲得成功。 　像晶體二極管一樣，半導體激光模塊也以材料的p-n結特性為基礎，且外觀亦與前者類似，因此，半導體激光模塊常被稱為二極管激光器或激光二極管。 　早期的激光二極管有很多實際限制，例如，只能在77K低温下以微秒脈衝工作，過了8年多時間，才由貝爾實驗室和列寧格勒（聖彼得堡）約飛（Ioffe）物理研究所製造出能在室温下工作的連續器件。而足夠可靠的半導體激光模塊則直到70年代中期才出現。 　半導體激光模塊體積非常小，最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴於激光材料，一般為0.6～1.55微米，由於多種應用的需要，更短波長的器件在發展中。據報導，以Ⅱ～Ⅳ價元素的化合物，如ZnSe為工作物質的激光器，低温下已得到0.46微米的輸出，而波長0.50～0.51微米的室温連續器件輸出功率已達10毫瓦以上。但迄今尚未實現商品化。 　光纖通信是半導體激光可預見的最重要的應用領域，一方面是世界範圍的遠距離海底光纖通信，另一方面則是各種地區網。後者包括高速計算機網、航空電子系統、衞生通訊網、高清晰度閉路電視網等。但就而言，激光唱機是這類器件的最大市場。其他應用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示，及各種醫療應用等。 　20世紀60年代初期的半導體激光模塊是同質結型激光器，它是在一種材料上製作的pn結二極管在正向大電流注人下，電子不斷地向p區注人，空穴不斷地向n區注人.於是，在原來的pn結耗盡區內實現了載流子分佈的反轉，由於電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區發生輻射、複合，發射出熒光，在一定的條件下發生激光，這是一種只能以脈衝形式工作的半導體激光模塊. 　半導體激光模塊發展的第二階段是異質結構半導體激光模塊，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如GaAs, GaAlAs所組成，最先出現的是單異質結構激光器(1969年).單異質結注人型激光器(SHLD)是利用異質結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區之內，以此來降低閥值電流密度，其數值比同質結激光器降低了一個數量級，但單異質結激光器仍不能在室温下連續工作. 　1970年，實現了激光波長為9000&Aring;.室温連續工作的雙異質結GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.雙異質結激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬，線寬和調諧性能逐步提高，其結構的特點是在P型和n型材料之間生長了僅有0. 2 Eam厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注人的載流子被限制在該區域內(有源區)，因而注人較少的電流就可以實現載流子數的反轉.在半導體激光模塊件中，比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質結構的電注人式GaAs二極管激光器. 　隨着異質結激光器的研究發展，人們想到如果將超薄膜(< 20nm)的半導體層作為激光器的激括層，以致於能夠產生量子效應，結果會是怎麼樣?再加之由於MBE,MOCVD技術的成就，於是，在1978年出現了世界上第一隻半導體量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半導體激光模塊的各種性能.後來，又由於MOCVD,MBE生長技術的成熟，能生長出高質量超精細薄層材料，之後，便成功地研製出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導體激光模塊與雙異質結(DH)激光器相比，具有闌值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄和温度穩定性好和較高的電光轉換效率等許多優點. 　QWL在結構上的特點是它的有源區是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成，由於勢阱寬度小於材料中電子的德布羅意波的波長，產生了量子效應，連續的能帶分裂為子能級.因此，特別有利於載流子的有效填充，所需要的激射閲值電流特別低.半導體激光模塊的結構中應用的主要是單、多量子阱，單量子阱(SQW)激光器的結構基本上就是把普通雙異質結(DH)激光器的有源層厚度做成數十nm以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致於相鄰勢阱中電子波函數不發生交迭的週期結構稱為多量子阱(MQW ).量子阱激光器單個輸出功率現已大於1w，承受的功率密度已達l OMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率，通常可以把許多單個半導體激光模塊組合在一起形成半導體激光模塊列陣。因此，量子阱激光器當採用陣列式集成結構時，輸出功率則可達到l00w以上.近年來，高功率半導體激光模塊(特別是陣列器件)飛速發展，已經推出的產品有連續輸出功率5 W ,1ow,20w和30W的激光器陣列.脈衝工作的半導體激光模塊峯值輸出功率50w. 120W和1500W的陣列也已經商品化.一個4. 5 cm x 9cm的二維陣列，其峯值輸出功率已經超過45kW.峯值輸出功率為350kW的二維陣列也已間世[3] 　從20世紀70年代末開始，半導體激光模塊明顯向着兩個方向發展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器.在泵浦固體激光器等應用的推動下，高功率半導體激光模塊(連續輸出功率在100， 以上，脈衝輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導體激光模塊)在20世紀90年代取得了突破性進展，其標誌是半導體激光模塊的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體激光模塊已經商品化，國內樣品器件輸出已達到600W[61.如果從激光波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導體激光模塊，接着是670nm紅光半導體激光模塊大量進人應用，接着，波長為650nm,635nm的問世，藍綠光、藍光半導體激光模塊也相繼研製成功，10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光模塊，也在加緊研製中[a}為適應各種應用而發展起來的半導體激光模塊還有可調諧半導體激光模塊，‘’電子束激勵半導體激光模塊以及作為“集成光路”的最好光源的分佈反饋激光器(DFB一LD)，分佈布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成雙波導激光器.另外，還有高功率無鋁激光器(從半導體激光模塊中除去鋁，以獲得更高輸出功率，更長壽命和更低造價的管子)、中紅外半導體激光模塊和量子級聯激光器等等.其中，可調諧半導體激光模塊是通過外加的電場、磁場、温度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長，可以很方便地對輸出光束進行調製.分佈反饋(DF 式半導體激光模塊是伴隨光纖通信和集成光學回路的發展而出現的，它於1991年研製成功，分佈反饋式半導體激光模塊完全實現了單縱模運作，在相干技術領域中又開闢了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器，激光振盪是由週期結構(或衍射光柵)形成光藕合提供的，不再由解理面構成的諧振腔來提供反饋，優點是易於獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調製器等輛合，特別適宜作集成光路的光源. 　單極性注人的半導體激光模塊是利用在導帶內(或價帶內)子能級間的熱電子光躍遷以實現受激光發射，自然要使導帶和價帶內存在子能級或子能帶，這就必須採用量子阱結構.單極性注人激光器能獲得大的光功率輸出，是一種商效率和超商速響應的半導體激光模塊，並對發展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級聯激光器的發明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長範圍內產生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料，根據層的厚度不同就能得到上述波長範圍內的各種波長的激光.同傳統半導體激光模塊相比，這種激光器不需冷卻系統，可以在室温下穩定操作.低維(量子線和量子點)激光器的研究發展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(Qw+)激光器已做到9OkCW工作條件下Im =6.A,l =37A/cm2並有很高的量子效率.眾多科研單位正在研製自組裝量子點(QD)激光器，目前該QDLD已具有了高密度，高均勻性和高發射功率[U1.由於實際需要，半導體激光模塊的發展主要是圍繞着降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現室温連續工作，以及獲得單模、單頻、窄線寬和發展各種不同激射波長的器件進行的. 　20世紀90年代出現並特別值得一提的是面發射激光器(SEL)，早在1977年，人們就提出了所謂的面發射激光器，並於1979年做出了第一個器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面發射激光器在室温下達到亞毫安的網電流,8mW的輸出功率和11%的轉換效率[2)前面談到的半導體激光模塊，從腔體結構上來説，不論是F一P(法布里一泊羅)腔或是DBR(分佈布拉格反射式)腔，激光輸出都是在水平方向，統稱為水平腔結構.它們都是沿着襯底片的平行方向出光的.而面發射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構成了垂直方向的F一p腔，光輸出沿着垂直於襯底片的方向發出，垂直腔面發射半導體激光模塊(VCSELS)是一種新型的量子阱激光器，它的激射闊值電流低，輸出光的方向性好，藕合效率高，通過陣列化分佈能得到相當強的光功率輸出，垂直腔面發射激光器已實現了工作温度最高達71 `C。另外，垂直腔面發射激光器還具有兩個不穩定的互相垂直的偏振橫模輸出，即x模和y模，目前對偏振開關和偏振雙穩特性的研究也進入到了一個新階段，人們可以通過改變光反饋、光電反饋、光注入、注入電流等等因素實現對偏振態的控制，在光開關和光邏輯器件領域獲得新的進展。20世紀90年代末，面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展。目前，垂直腔面發射激光器已用於千兆位以太網的高速網絡[21為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導體激光模塊的發展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長LD,盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面.目前，在這些方面取得了一系列重大的成果。

發展概況

簡介

半導體激光模塊又稱激光二極管[1](LD)。進入八十年代，人們吸收了半導體物理發展的最新成果，採用了量子阱(QW)和應變量子阱(SL-QW)等新穎性結構，引進了折射率調製Bragg發射器以及增強調製Bragg發射器最新技術，同時還發展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出優質量子阱以及應變量子阱材料。於是，製作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

A 小功率LD

用於信息技術領域的小功率LD發展極快。例如用於光纖通信及光交換系統的分佈反饋(DFB)和動態單模LD、窄線寬可調諧DFB-LD、用於光盤等信息處理技術領域的可見光波長(如波長為670nm、650nm、630nm的紅光到藍綠光)LD、量子阱面發射激光器以及超短脈衝LD等都得到實質性發展。這些器件的發展特徵是：單頻窄線寬、高速率、可調諧以及短波長化和光電單片集成化等。

B 高功率LD

1983年，波長800nm的單個LD輸出功率已超過100mW，到了1989年，0.1mm條寬的LD則達到3.7W的連續輸出，而1cm線陣LD已達到76W輸出，轉換效率達39%。1992年，美國人又把指標提高到一個新水平：1cm線陣LD連續波輸出功率達121W，轉換效率為45%。輸出功率為120W、1500W、3kW等諸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列陣的迅速發展也為全固化激光器，亦即半導體激光泵浦(LDP)的固體激光器的迅猛發展提供了強有力的條件。

近年來，為適應EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發展。最近配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩定性，泵浦效率也得到有效提高。

特點及應用範圍

半導體二極管激光器是實用中最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，並可採用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。並且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調製以獲得高速調製的激光輸出。由於這些優點，半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應用。

標準和非標準封裝半導體激光模塊器。典型波長：635nm，65Onm，660nm，670nm，690nm，780nm，83Onm，860nm，915nm，940nm及1064nm，131Onm，1480nm.單管芯功率從50mw到7000mw；單Bar連續輸出功率>40w，百瓦級cw列陣，千瓦級Qcw列陣

激光打標機常用半導體激光模塊波長為1064nm、532nm、808nm等。一般而言1064nm半導體激光模塊都是採用水冷。而小功率的532nm以及808nm半導體激光模塊則一般採用風冷。