激光器光源和硅光器件研读

1、半导体光源作为第二代、第三代半导体材料体系，应用范围很广。根据不同的材料组分、光波段特点，分为很多种。

如图一中的左图。

根据波长，光源分为近紫外光源，人眼睛看不到的光。390nm~760nm是人眼可见的波段，高于760nm的波段我们叫做红外波段。一个很有意思的现象，人眼为什么只能看到390nm~760nm的光。据科学研究表明，眼睛的性能与太阳的关系最为密切。事实上，人眼发展成为今天这样一个复杂灵巧、维妙传神的光学系统，是人类在自然选择过程中，漫长进化的一个结果。

宇宙天体发出的电磁波，包括了从无线电波到γ射线波长的很宽范围。但地球大气层仅留下两个“天窗”，一个是波长在0.39～0.76μm 的光学窗口（或称可见光窗口），另一个是波长在1mm～10m左右的射电窗口。

而太阳，除了发出可见光之外，其它波段的电磁辐射则基本上被地球大气全部吸收。既然它们不能“参与”照明，那么在漫长的进化过程中，人眼也就没有必要再为它们“设置”感光细胞了。这就说明了，为什么人眼能够感受的所谓的“可见光”是在这样的一个波段（390nm～760nm），而不是其它波段。

再后来发现蓝、绿、红三基色，并形成共识波长为700.0nm的红光（R），波长为546.1nm的绿光（G）和波长为435.8nm的蓝光（B），组成RGB三基色原理。一般选择为3（红）：6（绿）：1（蓝）混合光组成白光。

可见光一般采用双组分或三组分的材料体系，以GaAs和GaN为代表。如上图右图。

比如目前商用的激光电视或者激光放映机，都是采用三基色光源调频而成。

更长波长的如800多nm、980nm该波段的光人眼看不到，但是同样有很多作用，比如激光美容、激光脱毛、激光手术等等。

980nm~1662nm波段的光就进入了通信领域，特别是光通讯的发展，玻璃光纤传播光信号。材料体系也多用四元的，基板采用磷化铟的。

2、激光器的介绍

早在1962年世界上第一个激光器问世，GaAs就成为人类研究的重点，对于常用的边发射激光器，根据功用，可以制备成FP、DFB、DBR激光器，FP全称Fabry-Perot法布里-珀罗谐振器激光器。通常发射多个纵模。DFB，Distributed Feed Back分布反馈激光器，利用DFB原理制成的半导体激光器可以分为两类：DFB激光器和分布布拉格反射激光器Distributed Bragg Reflector（DBR）。

DFB激光器在有源区增加光栅，DBR激光器在紧靠其右侧的位置增加了一段分布式布拉格反射器，它起到衍射光栅的作用。

二者的芯片结构对比图。

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该芯片采用N型110方向的InP做基板，采用MOCVD生长，四元InGaAsP做有源层，芯片长度300um，宽度200um，厚度100um。LD-Strip宽度5um。从芯片结构上可以看出是小功率型芯片，采用脊形结构，上面是P电极、下面是N电极。

另外一种最近大热的激光器是VCSEL激光器，因为iPhone等人脸识别采用矩阵光源，得到技术的追捧。

免去了侧边镀膜的要求，采用MOCVD通过交替成长折射率不同的材料体系，组成了HR和AR的膜层结构，自成光学腔镜。生产工艺过程简单，良率高。

为了和现有硅基半导体相融合，硅基激光成为人们研究的热点。硅材料是一种间接带隙材料，自身不能完成电子的跃迁，不能发生出激光。

激光器的耦合和封装

芯片不能作为一个完整的器件直接利用，需要比半导体器件更复杂的封装技术，牵涉到光学、热力学、电磁学等原理设计。

对于半导体激光器而言，输出功率、转换效率和可靠性是描述器件性能的三个主要参数。随着芯片制备技术的成熟、成本的降低以及性能的提高，半导体激光器出现了新的发展趋势，主要有高输出功率、高亮度、无铟化封装、窄光谱和低“smile”效应。下面将介绍现有高功率半导体激光器的封装技术与发展趋势，以及其存在的问题、面临的挑战和相应的解决方案与应对策略。 提高阵列半导体激光器输出功率所面临的主要问题就是热管理和热应力管理[1]。热管理包括散热系统的设计和“无空洞”贴片技术：对于单阵列半导体激光器，由于阵列半导体激光器各个发光单元产生的热量相互干扰，以及整体散热不均匀，导致器件性能稳定性降低，限制功率上升；如果贴片层中存在空洞，将明显影响阵列半导体激光器的性能，包括输出功率和可靠性等。尽管针对热管理已提出了多种散热方式，例如金刚石传导散热和微通道散热技术，如何提高散热效率仍然是阻碍阵列半导体激光器高功率输出的主要因素。现已有两种降低贴片层中的空洞的方法：一种是在合理控制环境温度和压力的情况下使用贴片技术；另一种方法是真空回流技术。热应力通常是由于阵列激光器和衬底的热膨胀系数（CTE）失配所导致。热应力不仅限制了用于封装的衬底材料/热沉的选择，而且影响半导体激光巴条的可靠性、光谱宽度和光束的“smile”效应。为了减小热应力，目前正在研制高热传导率和热膨胀系数更加匹配的衬底/热沉材料。