1.6 半导体激光器及其使用

1.6.1 半导体激光器概述

半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器。它的工作物质有二元化合物（如GaAs、CdS）、三元化合物（如 GaAlAs、PbSnTe）、四元化合物（如 GaInAsP）等。激励方式有PN结注入电流激励、电子束激励、光激励、碰撞电离激励四种，其中，第一种激励方式的半导体激光器即激光二极管（Laser Diode，LD），是目前技术最成熟、应用最广泛的器件。

LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高（30%～50%），辐射光谱线窄（Δλ=0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速（＞20GHz）直接调制，非常适合用做高速长距离光纤通信系统的光源。

在半导体激光器的增益介质方面，由所谓体材料发展到量子阱（QW）和正在研究的量子线和量子点，并由晶格匹配材料发展到应变材料；在激光器的谐振腔构建方面，由最初的普通法布里-珀罗（F-P）腔，发展到具有波长选择的分布反馈（DFB）、分布布拉格反射（DBR）、垂直腔、微腔以及光栅外腔。这些手段使得激光器的阈值电流密度不断降低，激光线宽不断减少、转换效率等性能不断提高。

1. 半导体激光器的特点

半导体激光器的特点如下：①体积最小，其产生激光的核心部分（芯片）各维的线度都在微米量级，封装后的体积也仅有火柴盒大小。②质量最轻，一般在数十克。③直接电注入产生激光，因此它是高效率的电子-光子转换器。理论上，内量子效率可达100%。实际上，由于增益介质中不可避免地存在注入电子和产生光子的损耗，但其功率效率也能达30%以上，是激光器中效率最高的。④工作寿命最长，一般小功率半导体激光器的工作寿命能达数十万乃至百万小时，大功率半导体激光器也能连续工作数万小时。⑤覆盖的波长范围最广。目前已能从不同的半导体材料中获得从紫外（约300nm）到中红外（十几微米）的一个很宽的激光频谱范围。⑥结构最简单，一般的F-P腔半导体激光器，其腔面由晶体的自然解理面构成。分布反馈和分布布拉格反射结构也可在材料生长过程中一气呵成。驱动电流也直接加到芯片上。⑦价格最便宜，与其他激光器相比，半导体激光器的价格最低。以小功率（约10mW）的半导体激光器为例，每个仅数美元。⑧能方便地与光纤高效率耦合。由于其近场尺寸很小（微米量级），无需另加透镜等聚焦系统就可以与经微透镜处理的光纤直接高效耦合，其耦合损耗在3dB以下。这对于包括光纤通信在内的许多应用均是重要的。⑨具有直接调制的能力，能直接将电信号加在半导体激光器上得到所需的不失真的光信号。这无疑对包括光通信工程、光信息存储在内的光电子信息领域是非常重要的，也是半导体激光器独具优点之一。⑩有与其他半导体光子器件或电子器件单片集成的能力。因此，它在各个领域都获得了广泛的应用。

2. 半导体激光器的阈值与模式

（1）LD的阈值

在激光器中，要维持激光振荡，不仅需要使光子的产生速率超过吸收速率，而且还要超过光子在结区的损耗率，这种刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率处就叫阈值。也就是说，阈值是半导体激光器内部增益与损耗（内部损耗和输出损耗）之间的平衡点。阈值之后的半导体激光器才开始有净增益。半导体激光器是直接注入电流产生辐射跃迁，最终得到激光输出的，故它的阈值是以电流密度J或电流I来表示的。

对所有应用来说，总是希望阈值越小越好，而影响阈值的因素如图1-14所示。

LD的P-I特性曲线如图1-15所示。LD有一阈值电流Ith，当I ＞Ith时才发出激光。在Ith以上，光功率P随I线性增加。阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，利用两段直线拟合法可对其进行测定。如图1-16所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为阈值电流Ith。

（2）LD的模式

LD的模式可分为空间模和纵模（轴模）。空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或光功率）的分布，也称为远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束功率在不同频率（或波长）分量上的分布。二者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向（称为横向）和平行于结平面方向（称为侧向）有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图1-17表示这两种空间模式。

由于有源层厚度很薄（约为0.15 μm），因而能保证在单横模工作。而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模（或称为基模）工作，则为理想的 TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场（称为近场）在侧向表现出多光丝，类似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图1-18所示。这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”（Kink），使P-I曲线线性变坏，这对信号的模拟调制是不利的。同时，多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性，不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。

（3）LD光斑的圆化处理

由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。通常，可通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角，以实现相对准直的光束，但这是以一定的光功率损耗为代价的。如果将从半导体激光器发出的激光近似视为有高斯分布的点光源，可以采取图1-19所示的准直光学系统。准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径 ，经准直出来的激光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的斑点，尚需对准直后的光束进行圆化处理。用节距（Pitch）为1/4的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准直，如图1-20所示。

半导体激光器存在像散，像散是像差的一种。当用光学系统对半导体激光器解理面上的近场成像时，就会发现，由于像散的存在会在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横向都是利用有源层两边折射率差所形成的光波导效应，对有源区光子进行限制的，而在侧向有增益波导与折射率波导两种光限制类型。早期的条形激光器是增益波导型的，都有非平面波前。对于目前大量采用的侧向折射率波导结构，在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰处为平面波前，如图1-21（a）所示。而当侧向的波导机构是由复折射率的虚数部分起主要作用时（即增益波导），则在该方向的光场分布如图1-21（b）所示，在腔内距腔面为D（称为像散量）的地方出现虚腰，这也是外部观察者所能看到的最小近场宽度，真正的束腰在腔中心。因此，从传播方向来看，两个方向的合成波前呈圆柱面，如图1-21（c）所示。这种输出光是像散的，其影响是用球透镜对解理腔面成像时，虚腰的像面与腔面的像面（即横向光场束腰的像面）不对应在同一处，其后果是远场分布出现“兔耳”状。在早期的氧化条形激光器中就出现这种远场情况。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽。这给应用带来很大的困难，除非采取消像差的措施，否则很难用一般的光学系统聚焦到很小的光斑。焦斑上光场分布不均匀，也很难使激光器与单模光纤高效率地耦合，即使在侧向有折射率波导限制的情况，由于载流子侧向分布的影响，也很难使上述表征像散大小的D值为零，一般在2 μm以上。

（4）纵模模谱及其影响的因素

半导体激光器的激射波长是由禁带宽度Eg决定的，然而这一波长也必须满足谐振腔内的驻波条件，谐振条件决定着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。因为不同振荡波长间不存在损耗的差别，而它们的增益差又小，故除了由禁带宽度Eg所决定的波长能在腔内振荡外，在它周围还有一些满足谐振腔驻波条件的波长，也可能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而起振。因而有可能存在一系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称为腔模或纵模，并由它构成一个纵模谱，如图1-22所示。这些纵模之间的间隔Δλ和Δν为

式中，λ为激射波长；c为光速；ng为有源材料的群折射率。

一般的半导体激光器的纵模间隔为0.5～1nm，而激光介质的增益谱宽为数十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。但传输速率高（如大于622Mbps）的光纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生所谓的模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必需的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益而出现多纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱，影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。

半导体激光器的有源区材料特性和器件结构都对纵模谱产生影响，其主要影响因素是：

① 自发发射因子对纵模谱的影响。自发发射对半导体激光器的主要影响是：

● 使P-I特性曲线“变软”；

● 在稳态条件下振荡模的噪声谱和光谱加宽；

● 阈值以上的边模抑制比下降；

● 在直接调制下张弛振荡频率降低。

一般，半导体激光器有比气体和固体激光器高约5个数量级的自发发射因子（10-4）。由图1-23可以看出，纵模谱随γ变化很大。当γ=10-5时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当 γ=10-4时，只有约80%的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当γ=10-3时，则有更多的纵模参与功率分配。另一方面，若自发发射因子γ→1（如在微腔情况），则出现量变到质变的情况，此时每一个自发发射光子引发出一个受激发射光子，却能得到很好的单纵模。

② 电流密度对纵模谱的影响。若激光器具有标准腔长（250 μm）和典型的γ=10-4，实验发现，在小于阈值的低注入电流时，模谱的包络宛如自发发射谱；当电流增加到阈值以上时，模谱包络变窄，各纵模开始竞争，对应于增益谱中心的主模（q=0）的增长速率比邻近纵模快。随着电流的增加，激光能量向主模转移，而且峰值波长发生红移现象。根据不同结构的半导体激光器，这种红移量约为0.1nm/mA。

③ 器件结构对纵模谱的影响。侧向有折射率波导的激光器比增益波导结构的激光器表现出更好的纵模特性。如图1-24所示的是波长为780nm的两种侧向波导结构的纵模谱。这说明对有源区内载流子限制能力越强，腔内的微分增益越高，不但横模（包括侧模）特性可得到改善，纵模特性同样向单纵模方向转化。

在一般的法布里-珀罗（FP）谐振腔中，各个纵模分量在腔内得到反馈的量是相同的。在分布反馈（DFB）、分布布拉格反射（DBR）和有外部光栅谐振腔的结构中，谐振腔具有对某一波长选择反馈的作用，因而有好的纵模特性。图1-25比较的是在1300nm波长、侧向折射率波导的FP腔和DFB腔的纵模特性。若谐振腔长很短，则纵模间隔很大，其3dB增益带宽内允许振荡的纵模数减少。当主模两边的次模随着腔长的缩短而移出3dB增益带宽之外，则可出现单纵模振荡。

④ 温度对纵模谱的影响。由于有源层材料的禁带宽度Eg随温度增加而变窄，使激射波长发生红移，其红移量为0.2～0.3nm/℃，与器件的结构和有源区材料有关。据此特性，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值激射波长，以满足对波长要求严格的一些应用。和稳定输出功率一样，如需要有稳定的工作波长，对半导体激光器需进行恒温控制。图1-26表示温度对峰值波长的影响。

半导体激光器的发展很快，种类很多，大家熟知的PN结二极管注入式激光器与异质结半导体激光器就不介绍了，下面只重点介绍几个典型的新型半导体激光器。

1.6.2 量子阱半导体激光器

随着半导体工艺技术的不断进步，异质结的厚度愈做愈薄，例如薄到5～10 μm。这样薄的有源层厚度对电子的运动会产生什么影响呢？这里有一个量变到质变的过程，也就是关于量子阱的概念。

大家知道，半导体中的电子和空穴参与导电，因为它们的运动是自由的。这里的自由并不是真空中的完全自由，而是有一定约束的，使电子或空穴的能量状态只能处于导带或价带上。电子运动的自由程度用电子平均自由程描述，即在一个自由程内电子运动是不受任何干扰（如碰撞）的。同质结的有源区厚度基本上就由这个自由程决定（大约1 μm）。异质结的激活区进一步变窄（0.1～0.4 μm），电子在这个窄的激活区运动就已经好像在一个井中运动一样，但这个窄的激活区，对电子运动来说约束还不够强烈，也就是说，电子作为粒子其波动性还不明显，因为这时的激活底宽度与电子的量子波长相比还大得多。当激活底宽度减小到1～10nm时，激活区宽度已经与电子的量子波长相当，甚至还要小，这时的激活区就更像陷阱（量子力学中称为“阱”）一样。这时电子的运动受到强烈的约束，电子和空穴在导带底和价带顶的能力状态出现不连续分布，称为量子阱（QW）。用这样的量子阱结构制成的半导体激光器就称为量子阱半导体激光器。从这个意义上说，量子阱激光器就是结区很薄的异质结激光器。

量子阱半导体激光器与普通半导体激光器的主要区别在于它的激活区不是一层激活材料（如P-GaAs），而是由量子阱材料构成的。所谓量子阱是由两种禁带不同的超薄层化合物半导体交替生长的周群结构，如图1-27所示。

图1-27（a）是由两种组分材料的许多薄层交替堆叠而成的结构，称为多量子阱（MQW）；图1-27（b）是由两种组分薄层构成的，只有一层量子阱的结构，称为单量子阱（SQW）。图1-28（a）中ta表示量子阱宽度，tb表示势垒区宽度。这种量子阱材料的能带在实空间中呈现不连续分布。图1-28中EC、EV分别表示导带和价带能量，Ega和Egb分别为窄带材料和宽带材料的禁带宽度，ΔEC和ΔEV分别表示两种材料之内导带和价带的能量跃迁。由于量子阱结构中的超薄层厚度可达原子层厚度，仅为几纳米到十几纳米，使其呈现出量子尺寸效应，导致其吸收、发射和载流子输运特性与常规半导体材料有很大的差别。正是由于这种差别，使得量子阱半导体激光器具有极低的阈值电流（小于1mA）、高的特征温度（大于400K）、极好的动态单模特性、高饱和输出功率等优点。

到目前为止，人们已利用 MBE、MOCOCVD、CBE、ALE 等技术成功地制备出了从可见光到中红外辐射的、性能优异的量子阱半导体激光器的激光阵列器件，其激励方式有光泵的，也有电注入的，反馈装置有解理面F-P腔型，也有DFB结构。

在量子阱半导体激光器的研究中，采用GaAlAs材料制备的量子阱激光器的研究较多，也较成熟，与普通GaAs/GaAlAs DH器件相比，GaAlAs QW激光器有较低的阈值电流，较高的微分量子效率，且阈值电流受温度影响较小。

目前，有两类高性能的GaAl/GaAlAs QW激光器：一类是具有梯度折射率隔离限制异质结构（GRIN-SCH）SQW激光器，其阈值电流可小于5mA，特征温度达160K，微分量子效率为81%；另一类是掩埋式MQW激光器。一种Zn扩散台面掩埋型结构的MQW激光器在室温时，阈值电流为2.4mA，在77K时，阈值电流下降为0.88mA。采用InGaAlP材料系统的量子阱激光器是长距离、大容量光纤通信系统的重要光源。一种利用改进的液相外延（LPE）技术工艺制作的波长为1.3 μm的InGaAsP/InP MQW激光器，量子阱厚度为20nm，势垒层厚度为40～60nm，其室温阈值电流为15mA，特征温度为130K，阈值电流和微分量子效率随温度变化不明显，特别是在室温附近变化更小。

除上述晶格匹配的长、短波量子阱激光器外，近几年还采用量子阱材料研制了可见光半导体激光器、中间波段半导体激光器、大功率激光器、面发光激光器、应变层超晶格量子结构激光器等新型量子阱激光器。在630～650nm的红光半导体激光器中，目前认为最有前途的是InGaAlP量子阱可见光激光器，预计它可取代He-Ne激光器在信息处理中的应用。在蓝、绿光半导体激光器的研究中，美国3M公司研制的用CdxZn1-xSe作为应变量子阱层的蓝绿光激光器，在77K时，脉冲激励，发射波长为490nm，微分量子效率为20%，输出功率大于100mW。当采用ZnMgSe作为限制层时，发射波长为511nm～515nm，阈值电流降为2.5mA。在光纤通信领域中，一种泵浦掺铒（Er）光纤放大器的应变层GRIN-SCH-SQW InGaAs/GaAs激光器，发射波长为980nm，可在室温下连续工作，平均阈值电流约为15mA，峰值输出功率为30mW以上，工作寿命达上万小时。

应当特别指出的是，人们利用量子阱结构，借助于量子阱激光器的低阈值、高特征温度的特点，研制了高功率激光输出的半导体锁相激光阵列，它在室温下连续输出功率超过百瓦，脉冲输出高达百瓦、千瓦级。这些量子阱半导体激光器的研制成功，使得半导体激光器成为光纤通信、光传感、光盘、激光打印以及光计算技术的重要光源，也将成为未来能量光电子技术的重要器件，涉及材料加工、光泵系统等领域的重要应用。

因此，量子阱半导体激光器是伴随着分子束外延（MBE）技术、有机金属化学汽相沉积（MOCVD）技术和近期发展的化学束外延（CBE）技术、原子层外延（ALE）技术的发展，而迅速发展起来的新型半导体激光器。这种激光器的突出优点是，阈值电流密度大约是普通异质结激光器的四分之一，如此低的阈值电流，很易于实现光集成化，同时也容易制作大功率半导体激光器，并且光束质量好，有利于提高通信质量。目前，量子阱激光器正在向超薄、量子级联激光器的方向发展，进一步降低阈值成为半导体激光器的一种发展方向。

1.6.3 垂直腔面发射半导体激光器

法布里-珀罗（F-P）腔半导体激光器的结构和制作工艺最简单，成本最低，但难于实现单纵模工作，适用于调制速率小于622Mbps的光纤通信系统（1.3 μm的阈值为10mA以下，输出功率为10mW左右）；分布反馈式（DFB）半导体激光器易于获得单模、单频输出，并可在高速调制下保持单纵模工作，容易与光缆、光纤调制器耦合，但其波长调谐范围比较小，一般在2nm左右，适用于高速调制（2.5～10 Gbps）的短距离光纤通信系统（阈值为5mA左右的在2.5 Gbps速率下传输上百千米）；分布布拉格反射（DBR）半导体激光器可通过改变光栅区的注入电流大小来实现调谐，从而导致了较大的谱线展宽，波长的调谐范围至少为10nm，用超结构光栅（SSG）可扩大到103nm，但其纵模的模式稳定性较差，容易出现跳模的现象。

上述三种半导体激光器，由于激光的出射方向是与衬底平面（或者半导体材料的生长平面）相互平行，激光要从两个解理端面出射，因此它们均属于边发射激光器。这类边发射激光器具有的缺点是：①在芯片解理之后，才能进行单个器件的性能测试，这无疑会增加成本；②发光截面不对称，为椭圆光斑，不利于光聚焦，也不利于光耦合进入光纤；③由于激光从侧面输出，只能进行一维集成，而无法实现单片集成的二维阵列，而光数据传输和交换的多通道往往需要能二维集成，因而有了垂直腔表面发射半导体激光器。

垂直腔表面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laser， VCSEL）的激光出射方向与衬底平面相互垂直，激光无需从解理端面出射，而是朝衬底面出射（称为底部发射的 VCSEL）或者从位于生长层顶端的表面出射的（称为顶端发射的VCSEL），因此VCSEL属于面发射激光器。VCSEL具有的优点是：①VCSEL的腔长只有几个μm，因而可以实现良好的动态单纵模；②由于是面发射，VCSEL的发光截面可做成圆形，得到无像散的圆形光斑，光束质量好，发散角小，易于与光纤耦合；③VCSEL的阈值电流密度虽然与边发射激光器的差不多，但是由于VCSEL的体积非常小（VCSEL体积约为F-P半导体激光器的1/1000），所以阈值电流很小（可以小于1 μA），工作电流可以工作在数倍甚至100倍阈值电流以上；④光垂直表面出射，无需解理面就可以实现在片检测，而且在晶片上几乎可以完成制造过程，这将极大地增加生产量和降低成本；⑤光垂直表面出射，很容易制作二维的激光器阵列，使处理二维图像信息更方便，速度更快。因此，它在超大规模集成电路中的光互连、未来光计算机并行处理和空间交换中，具有光明的应用前景。

垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）的结构如图1-29所示。由于VCSEL的腔长很小，会导致光在谐振腔中得到的增益很小，因而必须引入高反射率的反射镜，以加强光反馈；同时，还采用具有高材料增益系数的半导体作为有源区（如量子阱、量子线、量子点）。在VCSEL中，高反射率的反射镜通常采用金属反射镜、由半导体材料或者绝缘介质材料形成的分布布拉格反射器（DBR）或者复合反射镜（即上述反射镜的混合形式）。而DBR反射器是由厚度为1/4波长厚的高折射率材料与低折射率材料交替形成的多层结构。当两种材料的折射率差别越大与周期数目（即DBR的对数）越多时，DBR所提供的反射率越大。然而，大的材料折射率差，将导致相应的材料参数大的差异，从而很难形成稳定的DBR和可靠的VCSEL。

如果分别采用P型和N型半导体材料作为VCSEL的顶部DBR和底部DBR，量子阱材料作为有源区。在有源区的上下分别生长了一层AlAs，再通过对AlAs层适当区域选择氧化层绝缘的AlyOx材料（其折射率也比AlAs低），以形成好的电流和光波通道，从而形成一个顶端发射的VCSEL，其性能比一般的VCSEL更优越。

对于850nm、980nm的VCSEL，它们以GaAs为衬底，GaAs/AlAs之间有较好的晶格匹配，且折射率差较大，由它们所组成半导体DBR可以提供较强的光反馈。目前850nm、980nm的VCSEL已经实现了规模化生产。而对于1310nm、1550nm的VCSEL来说，它们通常以InP为衬底，有源区为InGsP（或InGaAlAs）。在InP系中，难以得到晶格匹配且折射率较大的DBR材料，故这些波段的VCSEL发展不如850nm、980nm的VCSEL那样成熟。对此问题的解决办法有：①采用复合发射镜；②采用非 InP 系的半导体材料来制作半导体DBR；③有源区仍然采用InGaAsP（或InGaAlAs）等InP系材料。但是，DBR采用GaAs/AlAs材料分别生长两者之后，再采用键合（Bonding）手段将两者结合在一起，从而构成一个完整的VCSEL。

1.6.4 微腔激光器

微腔激光器是20世纪90年代初出现的一种新型结构的激光器，其谐振腔长为波长量级。由于微腔的引入，介质中自发发射的性质被根本性地改变，从而获得低阈值、高效率和稳定单模输出，甚至可以实现无阈值激射。因此，微腔激光器被认为是激光器的一次变革。

普通半导体激光器的谐振腔典型长度为几百μm。在这种具有较大体积的谐振腔中，腔内存在的自发发射模式非常多，而激光器振荡模式只在其中的一个或几个频率；而且自发发射以均等的概率进入所有的方向，而激光振荡模式只在其中的一个方向。所以，进入谐振模式的自发辐射与总自发辐射之比β（称为自发辐射因子）很小，为10-4～10-5量级，这意味着在104～105个光子中，只有一个进入了激射模式而成为受激发射的“种子”，而其他的自发发射光子则成为半导体激光器中能量损失、速度限制和噪声的主要来源。因此，对通常的半导体激光器，为了得到单纵模输出，总是希望β在10-6以下，以被动地限制这种自发发射进入激光振荡模式。

然而，自发辐射并非原子的本征属性，微谐振腔的引入可以对自发发射进行控制，从而根本性地改变自发发射的性质。在微腔激光器中，谐振腔的尺寸很小，至少有一个维度的尺寸与光在半导体介质中的波长量级相当。在如此小的空间中，受激原子的自发辐射性质发生了很大的改变，有的模式被加强，有的模式被抑制，使自发辐射由无限多个连续模式变成趋于量子化的少数几个模式。这少数几个模式与介质的增益谱相耦合，其中某个模式直接由自发辐射的模式通过谐振增强变成激光振荡模式，因而自发发射因子β将提高4到5个数量级，使得激光器的阈值大大降低。在理想的微腔激光器中，所有自发发射的光子均能够进入激射模式，β能够达到理论极限值1，这意味着在增加泵浦时（即注入电流或者实施光泵浦），激射功率随注入电流线性增长，从而实现无阈值（或者零阈值）的激光器。此外，微腔的存在还会缩短自发发射光子的寿命（即所谓的Purcell效应），从而有望获得超高速响应的激光器（＞100 Gbps）。自发发射因子和光子寿命的改变也将改善输出谱线的线宽和稳定性，从而获得低阈值、高效率和稳定单模输出的激光器。

微腔激光器及其光子集成的突破，可使光子学跨越固态光子学阶段，直接进入微光子时代的超大规模集成光路阶段。由于微腔激光器的器件结构是通过平面工艺实现的，有可能在1cm2的芯片上集成大量的激光器，使光子器件的集成度达到完全可以与当今超大规模集成电路相比的程度。每个微腔激光器的阈值为亚毫安甚至可低达微安量级，即使100万个激光器同时工作，其总的功率也只有几瓦。因此，微腔激光器及其二维面阵是一种高效、高密度光源，适用于低功率的光互连、光计算、多头存储、二维扫描、多信道光纤通信、激光打印和信息显示等领域。

1.6.5 半导体激光器的安全使用

在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命，在光纤通信中使用的小功率半导体激光器的工作寿命可达数十万小时乃至百万小时；输出功率在数十毫瓦以上乃至瓦级的所谓大功率半导体激光器列阵，只要合理使用，其工作寿命也在数万小时。但是半导体激光器较为“娇小”，抗恶劣工作环境与条件的能力相对较差，因此使用时必须要引起充分注意。

1. 必须注意防止正向浪涌

半导体激光器的制造商和其使用者都必须注意防止浪涌。造成半导体激光器浪涌损伤的原因和预防措施是：

① 驱动电源无慢启动措施，以致造成瞬时过电压（电流）冲击。其预防措施是：在驱动电源中应用防止过冲动的电感和电容元件的慢启动电路，但与激光二极管并联的电容量不能过大。

② 用管座与激光二极管引脚直接插入（接通）、拔出（断开）所引起的过电压驱动电源与含有高起辉电压（如日光灯、He-Ne激光器等）的电源共线，这些用户启动时产生的浪涌窜入激光二极管。其预防措施是：保证二者接触良好，防止无弹性管座的硬接触；具有防浪涌措施的热插拔；室内电源有可靠的工作地线；或有防浪涌措施的单独电源。

③ 调节激光二极管工作电流的电位器的活动导电件（如电刷）接触不良。其预防措施是：注意检查电位器，对频繁调节的电位器更要注意。

④ 将激光二极管引脚直接焊接到外电路时，电烙铁漏电造成浪涌窜入或电烙铁功率过大对激光二极管造成过热损伤。其预防措施是：尽量不用直接焊接方式连接；用小功率（＜8W），低电压（＜24V）、外壳经1MΩ接地的电烙铁，或用蓄电池供电的钎焊烙铁；烙铁加热到所需温度后断开电源快速焊接；烙铁头不要长时间（＜5s）与激光二极管引脚热接触；焊接时用镊子夹住二极管引脚散热，防止管芯过热。

2. 必须注意防止静电损伤

人体的静电或高压直流电场环境都可能对激光二极管造成损伤或毁坏。预防措施有：①直接接触半导体激光器管芯（包括管芯测试、键合、装配、检验等）的工作人员要穿戴防静电服；②操作人员要戴符合要求的手腕接地环，必要时工作鞋也需要接地，如图1-30所示；③控制室内温度，过于干燥的空气易于产生和积累静电，或以离子气体中和静电；④激光二极管储存和运输时要将其引脚插入导电泡沫塑料或其引脚正、负极短接；⑤在无以上设施的操作人员需偶然接触激光二极管引脚时，至少事先将手触摸导电工作台或大的金属体以释放静电。

3. 必须注意防止热致破坏

半导体本身是一种温度敏感材料，将半导体激光器恒温放在额定的工作温度（≈23°），对保证器件的稳定运行、延长工作寿命均是必要的。对阈值电流小（Ith在10mA以下），功率效率高的半导体激光器，可通过其管壳的热交换而能无致冷的工作，一般情况下则需要采用微型致冷器。对输出功率为瓦量级的半导体激光器列阵，尚需采用微通道水冷来抽出其产生的热量。

4. 需加热插拔保护控制电路

在实际工作中，往往需要将包含有半导体激光器的模板或板卡从正在运行中的底板上的总线或电源插槽上进行带电插入或拔出（热插拔），为了防止该过程中浪涌对激光器的冲击损害，可选用合适的热插拔控制器电源接口电路。能提供热插拔控制芯片的厂商有凌特公司、美信公司、TI、AD等公司。

以美信公司的MAX4272控制器芯片为例，其应用框图如图1-31所示。虚线左侧为背板，右侧为可进行热插拔的单盘或板卡（线卡）。当板卡插入背板时，3～12V的直流电源从ON引脚接入而进入高电平，同时热插拔控制器也开始工作，其独特的电流调整结构使N沟道场效应三极管（N-FET）的栅极（Gate）电压UGATE小于阈值电压UTH，此时N-FET关断，在电源输出端VOUT无输出。随着FET芯片内部电荷积累使UGATE缓慢上升（慢启动过程），当UGATE＞UTH时，在FET的漏极得到所需的输出电压VOUT（2.7～6V）。采样电阻RSENSE用来限定板卡的最大工作电流，电容CTIM用来设定启动的时间常数及失效后重试的时间常数。板卡热拔出时，亦有同样的保护功能。

5. 注意激光对人身安全的影响和防护

众所周知，可以利用激光束的高亮度来进行材料加工、人体手术，但如果直接将激光束照射到人体上，也可给身体造成损伤，特别是近年来用做泵浦的高功率半导体激光器的输出功率不断提高（连续输出功率可达百瓦量级乃至千瓦量级、脉冲功率可达兆瓦量级），其安全使用不容忽视，即使是光纤通信用的信号光源为数毫瓦的激光束经人眼聚焦到视网膜上，也可能造成视网膜的损伤。1993年美国食品与药物组织（FDA）公布了对人眼和皮肤安全的激光辐射剂量标准。

我国也于1996年1月1日颁布实施了激光产品的辐射安全标准，这等同采用国际标准IEC825（1984）《激光产品的辐射安全、设备分类、要求和用户指南》和1990年8月的第一次修订文件。在这里将介绍一下使用所有激光的安全问题。

激光光源以及基于激光的设备依据它们的潜在威胁可以分为1～4个级别，危害主要包括对眼睛（视力）的损害和皮肤的破坏（烧伤）。

分类的一个主要差别是在CW激光器和脉冲激光器之间。主要分类参数是可获得的光学功率（CW或峰值）。另外影响分类的主要参数还包括所有类型的激光器的波长、光束面积、光束发散角以及脉冲激光器的脉冲持续时间、脉冲功率和作用周期。

为了说明问题，根据IEC激光安全标准，作为波长的函数，对CW光源的激光安全分类，如图1-32所示。在图1-32中，给出了功率与波长关系的图表以对CW激光光源的安全级别进行定义。

级别1为那些本来就安全的光源。它的安全性是因为其发射功率低于伤害阈值或激光器上配备有发射自动断路装置以防止操作者处于危险之中。级别2为那些发射光在可见光范围内且因不断地眨眼睛能允许的较大的CW功率（1mW）。对级别1和2的激光设备无需特殊的安全措施，仅需给出一个标志指出辐射发出的孔径位置并给出不要直视激光束的警告。所以，对功率≤1mW就足以达到技术要求的所有仪器，就应绝对保持这一低值以避免发生安全问题。1级和2级产品的例子有：条码激光扫描器、校准和定位系统、激光干涉仪以及正弦波调制的遥测仪。

级别3A 的激光器及其设备是那些没有辅助光学仪器（如显微镜或放大镜）并对视觉安全的激光。在可见光范围内，级别3A和CW功率限制是5mW，但是在IR和UV可允许的功率要小，因为这时缺乏眨眼反应。在级别3B，可见光的CW功率在5mW到500mW之间，且在注视这一类型的激光时，直视总是很危险的。级别3C 激光必须设置仅供专业人员操作的开关键，并在工作区内给出警示。

级别4激光是最危险的，当一个CW源功率仅≥0.5W就为级别4。级别4激光不经意的反射（如由环状物、金属物体等）可能散射到眼睛上的功率，就会超过最大允许曝光量（MPE）。所以，级别4激光工作时，需对可进入区域有严格的限制。设置警示并有声音或红灯报警，表示激光器开着。这种情况的典型例子，即为用于焊接和其他机械工作的CO2功率激光器，但对于像遥测仪这样的测量仪器，满足这个级别的安全要求肯定是一个很大的障碍。

脉冲式的遥测仪很容易超过级别3B 的极限，它们的操作必须遵从在室外条件下光线通过大气传输的基于激光仪器的操作规则。在这种情况下，标准定为用合适的栅栏将公众能达到的范围屏蔽在视觉危险带（DOR）之外，视觉危险带应距光束所到达处有3～6m的安全距离。