什么是半導體激光器？

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。。其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現非平衡載流子的粒子數反轉，當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時，便產生受激發射作用。半導體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。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等材料制成的半導體面結型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區域產生受激發射。光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶（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激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶（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。

半導體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發，在1970年實現室溫下連續輸出。后來經過改良，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，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產量最大的激光器。

激光二極體的優點有：效率高、體積小、重量輕且價格低。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范圍，而光脈沖輸出達50W（脈寬100ns）等級的產品也已商業化，作為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歷了幾個典型階段。

當注入電流較小時，有源區里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，其工作狀態類似于一般的發光二極管。

隨著注入電流的加大，有源區里實現了粒子數反轉，受激輻射開始占主導地位，但當注入電流仍小于閾值電流時，諧振腔里的增益還不足以克服損耗，不能在腔內建立起一定模式的振蕩，LD發射的僅僅是較強的熒光，稱為“超輻射”狀態。

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

2．激光器線寬

半導體的激光器的線寬是多少？有的用nm表示，有的用Hz表示，計算公式是什么？經常會提到激光器的線寬《0.0001 nm 換算成“Hz”是多少赫茲??？

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

3. 邊模抑制比（SSR）

邊模抑制比是指在發射光譜中，在規定的輸出功率和規定的調制（或CW）時最高光譜峰值強度與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先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。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繼續前進，并經兩反射鏡的反射不斷往返運行產生振蕩，運行時不斷與受激粒子相遇而產生受激輻射，沿軸線運行的光子將不斷增殖，在腔內形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束，這就是激光。為把激光引出腔外，可把一面反射鏡做成部分透射的，透射部分成為可利用的激光，反射部分留在腔內繼續增殖光子。

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。

諧振腔內可能存在的頻率和方向稱為本征模。兩反射鏡的曲率半徑和間距（腔長）決定了諧振腔對本征模的限制情況。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

示為灰色，波長選擇機制為藍色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。

FP-QCL：最簡單的結構是F-P（法布里-珀羅）腔激光器（FP-QCL）。在F-P 結構中，切割面（天然理解面）為激光提供反饋，有時也使用介質膜以優化輸出。

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。通過最大范圍的溫度調諧，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的調諧范圍，或者通過快速注入電流加熱調諧獲得2~3cm-1的范圍）。

只有滿足下式的那些特定波長的光才會受到強烈反射，從而實現動態單縱模 工作。式也稱為分布反饋條件（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芯片整個增益帶寬上（數百cm-1）提供快調諧（速度超過10ms）。由于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/℃）， 因此不適用于高速和/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波段時很容易產生啁啾，因此通常需要外加調制器（在1300nm波段此局限并不重要）；其次，它沒有FP或VCSEL激光那樣容易產生，而且所需的閾值電流也比VCSEL激光大。

VCSEL激光的優點是線寬較窄（0.35nm）且波長對溫度漂移較?。?.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激光那樣容易產生啁啾。因而，即使速度為10Gbps的數據也可以直接采用VCSEL激光調制。最后，比起其它激光，制造和調整準直VCSEL都比較容易，這樣就能夠生產低成本基于VCSEL的收發器。這些特性看起來足以使VCSEL成為高性能通信應用的理想解決方案。其中850nm的VCSEL已經獲得大規模的應用，但是由于長波長（1310nm、1550nm）的VCSEL具有輸出功率不足以及制造工藝復雜等缺點，一直未能獲得大規模應用。