半導體激光模塊的應用　　半導體激光模塊是成熟較早、進展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應用范圍廣，目前已超過300種，半導體激光模塊的最主要應用領域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長的半導體激光模塊適用于)1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm-1550nm波長的半導體激光模塊適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)[i1.半導體激光模塊的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術.半導體激光模塊在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用，形成了廣闊的市場。1978年，半導體激光模塊開始應用于光纖通信系統(tǒng)，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(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導體激光模塊有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點，所以這類器件的發(fā)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、并行光波系統(tǒng)、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(fā)展，到如今，它是當前光通信領域中發(fā)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(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展.因此可以說，沒有半導體激光模塊的出現(xiàn)，就沒有當今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)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(tǒng)無不都采用分布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于光盤技術中，光盤技術是集計算技術、激光技術和數(shù)字通信技術于一體的綜合性技術.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(chǎn)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.由于它的高效率、高可*性和小型化的優(yōu)點，導致了固體激光器的不斷更新.　　在印刷業(yè)和醫(yī)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(xiàn)了長波長激光器)用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出.自從NaKamuxa實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導體激光模塊在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應用，如CD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著很重要的應用，特別是紅光、綠光和藍光面發(fā)射激光器的應用更廣泛.藍綠光半導體激光模塊用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用于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(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途.量子級聯(lián)激光的新型激光器應用于環(huán)境檢測和醫(yī)檢領域.另外,由于半導體激光模塊可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)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(diào)諧激光器是深入研究物質(zhì)結構而迅速發(fā)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(jiān)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(fā)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(xiàn)高密度光存儲的重要手段.垂直腔面發(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)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，由于取得了DFB動態(tài)單縱模激光器的研制成功和實用化，量子阱和應變層量子阱激光器的出現(xiàn)，大功率激光器及其列陣的進展，可見光激光器的研制成功，面發(fā)射激光器的實現(xiàn)、單極性注人半導體激光模塊的研制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(chǎn)業(yè)的主要組成部分，目前已成為各國發(fā)展信息、通信、家電產(chǎn)業(yè)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(yōu)勢而成為2010年熱賣產(chǎn)品，e網(wǎng)激光生產(chǎn)的國產(chǎn)半導體激光模塊的出現(xiàn)，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?！　“雽w激光模塊的發(fā)展　　半導體物理學的迅速發(fā)展及隨之而來的晶體管的發(fā)明，使科學家們早在50年代就設想發(fā)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 巴索夫的工作最為杰出。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(fā)射現(xiàn)象，這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾（Hall）的極大興趣，在會后回家的火車上他寫下了有關數(shù)據(jù)。回到家后，哈爾立即制定了研制半導體激光模塊的計劃，并與其他研究人員一道，經(jīng)數(shù)周奮斗，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低溫下以微秒脈沖工作，過了8年多時間，才由貝爾實驗室和列寧格勒（現(xiàn)在的圣彼得堡）約飛（Ioffe）物理研究所制造出能在室溫下工作的連續(xù)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(xiàn)。半導體激光模塊體積非常小，最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴于激光材料，一般為0.6～1.55微米，由于多種應用的需要，更短波長的器件在發(fā)展中。據(jù)報導，以Ⅱ～Ⅳ價元素的化合物，如ZnSe為工作物質(zhì)的激光器，低溫下已得到0.46微米的輸出，而波長0.50～0.51微米的室溫連續(xù)器件輸出功率已達10毫瓦以上。但迄今尚未實現(xiàn)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，一方面是世界范圍的遠距離海底光纖通信，另一方面則是各種地區(qū)網(wǎng)。后者包括高速計算機網(wǎng)、航空電子系統(tǒng)、衛(wèi)生通訊網(wǎng)、高清晰度閉路電視網(wǎng)等。但就目前而言，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(yī)療應用等。20世紀60年代初期的半導體激光模塊是同質(zhì)結型激光器，它是在一種材料上制作的pn結二極管在正向大電流注人下，電子不斷地向p區(qū)注人，空穴不斷地向n區(qū)注人.于是，在原來的pn結耗盡區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū)發(fā)生輻射、復合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光，這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光模塊.半導體激光模塊發(fā)展的第二階段是異質(zhì)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(xiàn)的是單異質(zhì)結構激光器(1969年).單異質(zhì)結注人型激光器(SHLD)是利用異質(zhì)結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區(qū)之內(nèi)，以此來降低閥值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質(zhì)結激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作.1970年，實現(xiàn)了激光波長為9000 Aring;.室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)結GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.雙異質(zhì)結激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬，線寬和調(diào)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0.2Eam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(qū)域內(nèi)(有源區(qū))，因而注人較少的電流就可以實現(xiàn)載流子數(shù)的反轉(zhuǎn).在半導體激光模塊件中，目前比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質(zhì)結構的電注人式GaAs二極管激光器.隨著異質(zhì)結激光器的研究發(fā)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，以致于能夠產(chǎn)生量子效應，結果會是怎么樣?再加之由于MBE,MOCVD技術的成就，于是，在1978年出現(xiàn)了世界上第一只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.后來，又由于MOCVD,MBE生長技術的成熟，能生長出高質(zhì)量超精細薄層材料，之后，便成功地研制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(zhì)結(DH)激光器相比，具有闌值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉(zhuǎn)換效率等許多優(yōu)點.QWL在結構上的特點是它的有源區(qū)是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成，由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長，產(chǎn)生了量子效應，連續(xù)的能帶分裂為子能級.因此，特別有利于載流子的有效填充，所需要的激射閱值電流特別低.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(zhì)結(DH)激光器的有源層厚度做成數(shù)十nm以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結構稱為多量子阱(MQW).量子阱激光器單個輸出功率現(xiàn)已大于1w，承受的功率密度已達lOMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率，通?？梢园言S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，量子阱激光器當采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(fā)展，已經(jīng)推出的產(chǎn)品有連續(xù)輸出功率5W,1ow,20w和30W的激光器陣列.脈沖工作的半導體激光模塊峰值輸出功率50w.120W和1500W的陣列也已經(jīng)商品化.一個4.5cmx9cm的二維陣列，其峰值輸出功率已經(jīng)超過45kW.峰值輸出功率為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著兩個方向發(fā)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(xù)輸出功率在100，以上，脈沖輸出功率在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，其標志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(jīng)商品化，國內(nèi)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，接著是670nm紅光半導體激光模塊大量進人應用，接著，波長為650nm,635nm的問世，藍綠光、藍光半導體激光模塊也相繼研制成功，10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光模塊，也在加緊研制中[a}為適應各種應用而發(fā)展起來的半導體激光模塊還有可調(diào)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 的最好光源的分布反饋激光器(DFB一LD)，分布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(lián)激光器等等.其中，可調(diào)諧半導體激光模塊是通過外加的電場、磁場、溫度、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(diào)制.分布反饋(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(fā)展而出現(xiàn)的，它于1991年研制成功，分布反饋式半導體激光模塊完全實現(xiàn)了單縱模運作，在相干技術領域中又開辟了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器，激光振蕩是由周期結構(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(yōu)點是易于獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調(diào)制器等輛合，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(nèi)(或價帶內(nèi))子能級間的熱電子光躍遷以實現(xiàn)受激光發(fā)射，自然要使導帶和價帶內(nèi)存在子能級或子能帶，這就必須采用量子阱結構.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，并對發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利.量子級聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料，根據(jù)層的厚度不同就能得到上述波長范圍內(nèi)的各種波長的激光.同傳統(tǒng)半導體激光模塊相比，這種激光器不需冷卻系統(tǒng)，可以在室溫下穩(wěn)定操作.低維(量子線和量子點)激光器的研究發(fā)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并有很高的量子效率.眾多科研單位正在研制自組裝量子點(QD)激光器，目前該QDLD已具有了高密度，高均勻性和高發(fā)射功率[U1.由于實際需要，半導體激光模塊的發(fā)展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現(xiàn)室溫連續(xù)工作，以及獲得單模、單頻、窄線寬和發(fā)展各種不同激射波長的器件進行的.20世紀90年代出現(xiàn)并特別值得一提的是面發(fā)射激光器(SEL)，早在1977年，人們就提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年做出了第一個器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發(fā)射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面發(fā)射激光器在室溫下達到亞毫安的網(wǎng)電流,8mW的輸出功率和11%的轉(zhuǎn)換效率[2)前面談到的半導體激光模塊，從腔體結構上來說，不論是F一P(法布里一泊羅)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光輸出都是在水平方向，統(tǒng)稱為水平腔結構.它們都是沿著襯底片的平行方向出光的.而面發(fā)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，光輸出沿著垂直于襯底片的方向發(fā)出，垂直腔面發(fā)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，通過陣列化分布能得到相當強的光功率輸出，垂直腔面發(fā)射激光器已實現(xiàn)了工作溫度最高達71`C。另外，垂直腔面發(fā)射激光器還具有兩個不穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)對偏振態(tài)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(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用.980mn,850nm和780nm的器件在光學系統(tǒng)中已經(jīng)實用化.目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)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(fā)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?！　“l(fā)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(fā)展的最新成果，采用了量子阱(QW)和應變量子阱(SL-QW)等新穎性結構，引進了折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器以及增強調(diào)制Bragg發(fā)射器最新技術，同時還發(fā)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(yōu)質(zhì)量子阱以及應變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉(zhuǎn)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?！　小功率LD　　用于信息技術領域的小功率LD發(fā)展極快。例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反饋(DFB)和動態(tài)單模LD、窄線寬可調(diào)諧DFB-LD、用于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(fā)射激光器以及超短脈沖LD等都得到實質(zhì)性發(fā)展。這些器件的發(fā)展特征是：單頻窄線寬、高速率、可調(diào)諧以及短波長化和光電單片集成化等?！　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(xù)輸出，而1cm線陣LD已達到76W輸出，轉(zhuǎn)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(xù)波輸出功率達121W，轉(zhuǎn)換效率為45%?，F(xiàn)在，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(fā)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(fā)展提供了強有力的條件?！　〗陙恚瑸檫m應EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發(fā)展。最近配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩(wěn)定性，泵浦效率也得到有效提高。　　特點及應用范圍　　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，并可采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。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)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。