半导体激光器的原理及分类方式

摘要:本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信WDM激光技术;半导体激光一、半导体激光器1.什么叫激光激光的英文叫Laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation.就是通过受激发射实现光放大。光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。2、半导体激光器的工作原理2.1基本条件：（1）有源区载流子反转分布（2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡（3）满足阈值条件，使增益损耗，有足够的注入电流。2.2工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.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。理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德——杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分条件。它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗（激光器的输出对有源介质也是一种损耗），此后增益介质就具有净增益。与其它激光器不同的是，半导体激光器中电子是分布在不同能带的下同能量状态中，其它微光器中的粒子（原子、离子或分子）是分布在有源介质的不同能级上，日而粒子数反转条件的表示也有差别。2.3半导体激光器的特点半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。3、激光器的结构3.1半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。3.2掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。3.3p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。4.半导体激光器的分类和用途1.激光器的分类：（1）按材料分，Ⅲ-Ⅴ族材料激光器、Ⅲ-Ⅵ族材料激光器、硅基材料激光器。（2）按波长分，可见光激光器、红外长波激光器、远红外长波激光器。（3）按结构划分，同质结激光器、异质结激光器、大光腔激光器、分离限制SCH激光器、F-P激光器、VCSEL激光器。（4）按输出功率划分，大功率（1~10W、几百瓦，几千瓦乃至几万瓦）、小功率（1~10mW）（5）按应用领域划分，光纤传感、光盘存储、光纤通信、军事，打印，原子物理等。半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、锑化锢(InSb)、硫化锅(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe)、铝稼砷(A1xGa-As)、锢磷砷(In-PxAS)等.2激光器的用途：（1）应用于军事领域如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光测距、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警、激光通信和激光陀螺等。目前,世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光器的研制及其在军事上的应用。（2）应用于光纤通信系统半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。（3）应用于印刷业和医学领域如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛.蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。（4）光电子学中广泛的应用如超高密度、光存储.近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面