半导体激光器的历史和结构
激光器
激光的出现可以追溯到1958年，也就是schawlow和townes的开创性论文出现的那一年。随后于1960年5月成功地运行了固态红宝石激光器，并于1960年12月成功地操作了he-ne气体激光器。
在此期间，考虑了半导体激光器中激发发射的可行性，1962年，几个小组报告了半导体的激光作用。
该装置由一个前向偏置的gaas p-n结组成。p-n结耗尽区域的电子孔重组提供了光学增益，垂直于结平面的抛光面提供了光学反馈——这是任何激光的必要成分。
很快，其他直接带隙半导体材料（如inas、inp、gaasp、gainas和inpa）的p-n结被用于获得不同波长的半导体激光器。
然而，这些早期设备的实际用途是有限的，因为阈值电流密度很大抑制了它们在室温下的连续运行。
早在1963年，就有人建议，如果将一层半导体激光材料夹在另一个带间隙相对较宽的半导体的两个包层之间，半导体激光器可能会得到改进。这种由两个不同半导体组成的器件通常被称为异构激光器，而单半导体器件被标记为同构激光器。
图1-1图显示了这两种结构，图中还显示了它们的典型物理尺寸。
图1-1：（a）同质结构和（b）双异质结构半导体激光器及其典型物理尺寸的示意图。虚线区域代表同质结附近的耗尽区域。孵化区域显示了半导体材料的薄（约0.2微米）活性层，其带隙略低于周围包层。
异质结构激光器被进一步归类为单异质结构或双异质结构器件，这取决于发生激光的活性区域是否在一侧或两侧被较高带隙的包层包围。
然而，使用异构结构需要仔细匹配两种半导体的晶格常数。直到1969年，才使用液相表轴技术来生长gaa和alxga1-xas层证明了异质结构激光器在室温下的成功运行。
然而，这些激光器在脉冲模式下运行。进一步的工作导致了1970年异构激光器在室温下连续运行。
(ga,al)as或algaas/gaas等符号通常用于强调这些gaas激光器的异质结构性质。然而，由于不再使用同构激光器，我们将简化教程中的符号，只要不会产生混淆，就只用其活性层的组成来表示异构结构激光。
使用异质结构设备降低阈值电流密度的物理原因是双重的。与有源层相比，有源层周围的包层具有更高的带隙，同时具有更低的折射率。（见图1-2）。
带隙差异有助于将电子和孔限制在有源层，在那里它们重新组合以产生光学增益。
同时，折射率差将光学模式限制在靠近有源层的地方，有源层充当介电波导。光学模式约束大大减少了由于光学模式在有损区域的传播而没有索引引导时会发生的内部损失。
图1-2：电荷载流子和光学模式同时限制在双异构结构半导体激光器中发生的活动区域的示意图。与包层相比，有源激光器的带隙更低，折射率更高。
如图1-1所示的双异构结构半导体激光器有时被称为广域激光器，因为它不包含注入电流或光学模式的横向（平行于结平面）限制的任何机制。
早在1967年，就提出了条纹几何同调结构激光器，以限制注射载体在活性层内的横向扩散。在这些激光器中，电流通过条纹接触注入狭窄（~10微米）的中心区域。1971年，异质结构激光器采用了条纹几何。
这种激光器也被称为增益引导，因为正是光学增益的横向变化将光学模式限制在条纹附近。相比之下，光学模式约束主要通过折射率的横向变化发生的异构结构激光器被称为指数引导。
gaas激光器仍然令人感兴趣。利用气相外延和分子束外延的生长技术，开发了多量子井激光结构。
在这些设备中，活性区域不是单一的gaas层，而是由几个由gaas和algaas材料组成的超薄（~0.01微米）层组成。
为开发大功率gaas激光器和相位阵列半导体激光器做出了相当大的努力。
在一种方法中，使用多条条纹在结平面上产生不同的光学增益区域，近场由几个点组成。然而，由于条纹没有广泛分离，每个发射器的增益区域的光场与相邻发射器的光场重叠。这种耦合导致一个锁相的发射器阵列，提供良好的高功率输出。
虽然传统gaas激光器的输出功率通常低于50毫瓦，但从单片激光阵列中获得了超过100瓦的功率。
到目前为止，我们关注了通常在0.8-0.9微米波长范围内运行的gaas激光器的发展。1.1-1.6微米范围内的长波长半导体激光器对光纤通信具有相当大的兴趣。
虽然考虑了几种材料系统，但鉴于其近乎完美的晶格匹配，ingaasp-inp的组合被证明是最合适的。
活性层由in1-xgaxasyp1-y四元合金组成。通过改变摩尔分数x和y，几乎可以选择1.1-1.6微米范围内的任何波长。
这种异质结构激光中的包层（见图1-1）由inp或ingaasp本身组成，具有不同的摩尔分数x和y。
1975年报道了1.1微米ingaasp激光器在脉冲模式下的室温运行。1976年，条纹几何的采用导致了此类激光的连续运行。
1977年，波长扩展到1.3微米。由于已经存在1.3微米的低损无色散纤维，因此相当多的注意力都集中在开发这种波长的实用ingaasp激光器上。
在实现1.55微米波长的超低损耗（~0.2db/km）光纤的激励下，1979年，几个小组报告了在1.55微米附近运行的ingaasp激光器。
在那之后，在1.3-1.6微米波长范围内运行的ingaasp激光器的开发工作以巨大的速度进行。主要动机是它们在光纤通信中的应用，到1984年，在长途光通信系统中使用ingaasp激光器已达到商业阶段。
半导体材料
在上述讨论中，我们关注了基于两种半导体材料algaas和ingaasp的异构结构激光器的发展。
然而，鉴于它们在光纤通信、光学数据记录、高速打印和分子光谱学等不同领域的潜在应用，表现出激光作用的半导体材料清单继续增加。
图1-3显示了各种半导体激光器的发射波长范围。总而言之，这些材料涵盖了从近紫外线到远红外的光谱。
最近开发了运行在0.46微米附近的cdznse半导体激光器
图1-3：不同材料系统覆盖的半导体激光器的波长范围。半导体激光发射在λ>3微米通常需要低温操作。
为特定异质结构激光器选择半导体材料的最重要标准与不同带隙的两种半导体之间的异质结界面的质量有关。
为了减少晶格缺陷的形成，两种材料的晶格常数通常应匹配超过0.1%。
图1-4显示了带隙之间的相互关系eg和晶格常数a用于几种三元和四元化合物。
实心点代表二进制化合物，实线对应于三元化合物。
以多边形为界的清晰区域（其边缘代表三元化合物）表示可能的值eg和a通过改变摩尔分数获得的in1-xgaxas1-ypy的四元固体溶液x和y。
虚线显示了通过改变成分可以实现的带隙值的范围x和y获得与二进制inp晶格匹配的季后材料。
图1-4：通过不同成分获得的in1-xgaxas1-ypy（清晰区域）和（alxga1-x）yin1-yp（阴影区域）的带隙和晶格常数x和y。虚线分隔间接带隙区域）。虚线显示了半导体激光器的波长范围（最高比例），其四元有源层与二元化合物晶格匹配。
图1-5显示了恒定带隙轮廓（固体曲线）x-y组成平面。虚线对应于晶格常数的固定值。
对于给定的值egeg和a，实线和虚线曲线的交集提供了组合值x和y用于获得活性层四元材料。
因为光子能量e=hv大约等于带隙能量，激光波长λ是用
获得的eg=h字母c/λ，在这里h是普朗克常数和c是真空中的光速。
如果eg以电子伏特表示，激光波长λ由
图1-5:恒定带隙（实线）和恒定格间距（虚线）的轮廓x-yin1-xgaxasyp1-y的成分平面。成分值x和y可以选择获得给定晶格常数的特定带隙（或激光波长）。带隙在阴影区域是间接的。
对于in1-xgaxasyp1-y激光器，可以通过选择覆盖1.1-1.65微米的波长范围英语字母中的x和y根据图1-5，活性层与inp晶格匹配（a=0.587nm）。
4月向印度出口音圈马达呼吸机、制氧机等2.6万余台
探讨一下UPS电源的常见故障及处理方法
2021年节能减排补助资金预算（第一批）详细情况
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半导体激光器的历史和结构
真菌毒素快速检测仪的技术特点
晶圆键合的种类和应用
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MiniLED电视站稳家庭C位，集画质与智慧功能于一身
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在此期间，考虑了半导体激光器中激发发射的可行性，1962年，几个小组报告了半导体的激光作用。
该装置由一个前向偏置的gaas p-n结组成。p-n结耗尽区域的电子孔重组提供了光学增益，垂直于结平面的抛光面提供了光学反馈——这是任何激光的必要成分。
很快，其他直接带隙半导体材料（如inas、inp、gaasp、gainas和inpa）的p-n结被用于获得不同波长的半导体激光器。
然而，这些早期设备的实际用途是有限的，因为阈值电流密度很大抑制了它们在室温下的连续运行。
早在1963年，就有人建议，如果将一层半导体激光材料夹在另一个带间隙相对较宽的半导体的两个包层之间，半导体激光器可能会得到改进。这种由两个不同半导体组成的器件通常被称为异构激光器，而单半导体器件被标记为同构激光器。
图1-1图显示了这两种结构，图中还显示了它们的典型物理尺寸。
图1-1：（a）同质结构和（b）双异质结构半导体激光器及其典型物理尺寸的示意图。虚线区域代表同质结附近的耗尽区域。孵化区域显示了半导体材料的薄（约0.2微米）活性层，其带隙略低于周围包层。
异质结构激光器被进一步归类为单异质结构或双异质结构器件，这取决于发生激光的活性区域是否在一侧或两侧被较高带隙的包层包围。
然而，使用异构结构需要仔细匹配两种半导体的晶格常数。直到1969年，才使用液相表轴技术来生长gaa和alxga1-xas层证明了异质结构激光器在室温下的成功运行。
然而，这些激光器在脉冲模式下运行。进一步的工作导致了1970年异构激光器在室温下连续运行。
(ga,al)as或algaas/gaas等符号通常用于强调这些gaas激光器的异质结构性质。然而，由于不再使用同构激光器，我们将简化教程中的符号，只要不会产生混淆，就只用其活性层的组成来表示异构结构激光。
使用异质结构设备降低阈值电流密度的物理原因是双重的。与有源层相比，有源层周围的包层具有更高的带隙，同时具有更低的折射率。（见图1-2）。
带隙差异有助于将电子和孔限制在有源层，在那里它们重新组合以产生光学增益。
同时，折射率差将光学模式限制在靠近有源层的地方，有源层充当介电波导。光学模式约束大大减少了由于光学模式在有损区域的传播而没有索引引导时会发生的内部损失。
图1-2：电荷载流子和光学模式同时限制在双异构结构半导体激光器中发生的活动区域的示意图。与包层相比，有源激光器的带隙更低，折射率更高。
如图1-1所示的双异构结构半导体激光器有时被称为广域激光器，因为它不包含注入电流或光学模式的横向（平行于结平面）限制的任何机制。
早在1967年，就提出了条纹几何同调结构激光器，以限制注射载体在活性层内的横向扩散。在这些激光器中，电流通过条纹接触注入狭窄（~10微米）的中心区域。1971年，异质结构激光器采用了条纹几何。
这种激光器也被称为增益引导，因为正是光学增益的横向变化将光学模式限制在条纹附近。相比之下，光学模式约束主要通过折射率的横向变化发生的异构结构激光器被称为指数引导。
gaas激光器仍然令人感兴趣。利用气相外延和分子束外延的生长技术，开发了多量子井激光结构。
在这些设备中，活性区域不是单一的gaas层，而是由几个由gaas和algaas材料组成的超薄（~0.01微米）层组成。
为开发大功率gaas激光器和相位阵列半导体激光器做出了相当大的努力。
在一种方法中，使用多条条纹在结平面上产生不同的光学增益区域，近场由几个点组成。然而，由于条纹没有广泛分离，每个发射器的增益区域的光场与相邻发射器的光场重叠。这种耦合导致一个锁相的发射器阵列，提供良好的高功率输出。
虽然传统gaas激光器的输出功率通常低于50毫瓦，但从单片激光阵列中获得了超过100瓦的功率。
到目前为止，我们关注了通常在0.8-0.9微米波长范围内运行的gaas激光器的发展。1.1-1.6微米范围内的长波长半导体激光器对光纤通信具有相当大的兴趣。
虽然考虑了几种材料系统，但鉴于其近乎完美的晶格匹配，ingaasp-inp的组合被证明是最合适的。
活性层由in1-xgaxasyp1-y四元合金组成。通过改变摩尔分数x和y，几乎可以选择1.1-1.6微米范围内的任何波长。
这种异质结构激光中的包层（见图1-1）由inp或ingaasp本身组成，具有不同的摩尔分数x和y。
1975年报道了1.1微米ingaasp激光器在脉冲模式下的室温运行。1976年，条纹几何的采用导致了此类激光的连续运行。
1977年，波长扩展到1.3微米。由于已经存在1.3微米的低损无色散纤维，因此相当多的注意力都集中在开发这种波长的实用ingaasp激光器上。
在实现1.55微米波长的超低损耗（~0.2db/km）光纤的激励下，1979年，几个小组报告了在1.55微米附近运行的ingaasp激光器。
在那之后，在1.3-1.6微米波长范围内运行的ingaasp激光器的开发工作以巨大的速度进行。主要动机是它们在光纤通信中的应用，到1984年，在长途光通信系统中使用ingaasp激光器已达到商业阶段。
半导体材料
在上述讨论中，我们关注了基于两种半导体材料algaas和ingaasp的异构结构激光器的发展。
然而，鉴于它们在光纤通信、光学数据记录、高速打印和分子光谱学等不同领域的潜在应用，表现出激光作用的半导体材料清单继续增加。
图1-3显示了各种半导体激光器的发射波长范围。总而言之，这些材料涵盖了从近紫外线到远红外的光谱。
最近开发了运行在0.46微米附近的cdznse半导体激光器
图1-3：不同材料系统覆盖的半导体激光器的波长范围。半导体激光发射在λ>3微米通常需要低温操作。
为特定异质结构激光器选择半导体材料的最重要标准与不同带隙的两种半导体之间的异质结界面的质量有关。
为了减少晶格缺陷的形成，两种材料的晶格常数通常应匹配超过0.1%。
图1-4显示了带隙之间的相互关系eg和晶格常数a用于几种三元和四元化合物。
实心点代表二进制化合物，实线对应于三元化合物。
以多边形为界的清晰区域（其边缘代表三元化合物）表示可能的值eg和a通过改变摩尔分数获得的in1-xgaxas1-ypy的四元固体溶液x和y。
虚线显示了通过改变成分可以实现的带隙值的范围x和y获得与二进制inp晶格匹配的季后材料。
图1-4：通过不同成分获得的in1-xgaxas1-ypy（清晰区域）和（alxga1-x）yin1-yp（阴影区域）的带隙和晶格常数x和y。虚线分隔间接带隙区域）。虚线显示了半导体激光器的波长范围（最高比例），其四元有源层与二元化合物晶格匹配。
图1-5显示了恒定带隙轮廓（固体曲线）x-y组成平面。虚线对应于晶格常数的固定值。
对于给定的值egeg和a，实线和虚线曲线的交集提供了组合值x和y用于获得活性层四元材料。
因为光子能量e=hv大约等于带隙能量，激光波长λ是用
获得的eg=h字母c/λ，在这里h是普朗克常数和c是真空中的光速。
如果eg以电子伏特表示，激光波长λ由
图1-5:恒定带隙（实线）和恒定格间距（虚线）的轮廓x-yin1-xgaxasyp1-y的成分平面。成分值x和y可以选择获得给定晶格常数的特定带隙（或激光波长）。带隙在阴影区域是间接的。
对于in1-xgaxasyp1-y激光器，可以通过选择覆盖1.1-1.65微米的波长范围英语字母中的x和y根据图1-5，活性层与inp晶格匹配（a=0.587nm）。
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