《半导体激光器》翻译(4)

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态氢，氢气，液态氨来冷却，可以连续工作并有几瓦的输出功率，而其在室温下只能工作几百纳秒甚至更少的时间。理论上已经研究出了如何解决激光器的散热问题。为了能够连续工作就必需制备的激光器足够小。也就是说，结平面的长与宽的比列要相当大才满足要求。凯斯就曾声明为了激光器能够在目前的阈值电流密度下连续工作，激光器长和宽的比值要达到几百才可以。这超出了目前最先进的技术所能够做到的。为了描述目前最先进的技术，我们首先要介绍Marinance的GaAs的散热片的结构和工作原理。如图（3.3）所示，激光二极管被放置在两片相当大的铜片之间。结平面平行于充当P区与N区的电触头的栅栏结构。绝缘垫片和栅栏结构都是为了铜片分开以便注入激光。从而激光在压力和良好的热接触下产生了。图（3.4）描述了在温度77oK下连续工作的激光器的光输出功率与坐标底部的电流及顶部电流的关系。图中数据都是通过积分得来的，但是由于几何形状图的影响，最后80%到90%的光都是从同一坐标位置出来。此时的阈值电流为0.2安培，微分量子效率为36%。功率达到最大810mW时，电流阈值为2.5安培。现在，最大功率在1至2瓦的激光器是非常普遍了，最大的功率现在已经达到了3瓦。

图3.3 激光器的散热片

图3.4激光器安置散热片后输出功率与电流的关系曲线图

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图中并未显示出少量的自发辐射，但是当电流高于3A时，由于过热，受激辐射停止后，自发辐射是可以看到的。（Marinace的言词）。

图3.5远场模式激光 水平模式是由于光波峰的衍射引起的，垂直模式是由于相关

的激光造成的。

这些激光的远场模式为GaAs半导体激光器的特有的。图（3.5）为一激光器在20oK下工作产生的激光的远场模式示意图。结的平面是平行的，可以看出在光分布在接近水平面10o，垂直面16o处。垂直干涉图像表明了相干辐射发生在整个结的平行面内。可以看到的一些条纹预示着存在多种模式。竖条图案可以用来表示模式数。

通过测量光谱特性可以得到更多关于一个多模输出激光的直观迹象。对于法布里珀罗谐振腔来说，它的纵向模式的波长是由下式决定的：

m??2nol （3-1）

其中m为模式数。功率为1到2A的典型激光器的连续模式的间隔大约是10到20千分之一英寸。许多纵向模式都是在自发线内，该自发线宽度大概为100A。理论上，光是在某个模式的最大增益的中心靠近自发线振荡的，因为自发线是均匀加宽的。事实上，工作在单模的情况是很少见的。据观察，在选择小的半导体二极管时，要考虑到电流密度高于阈值的范围内的情况及在高于阈值时的6种影响因素。这些半导体二极管是已经被蚀刻过以便谐振腔在长与宽上有比较大的比值。但是除了在接近阈值的情况外，大多

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数激光都在几个模式上振荡。在阈值附近对激光进行高分辨率发现，法布里珀罗模式实际上有时是几个模式系的组合。图（3.6）表明了在不同的模式下，可以观察到振动模式。芬那观察到在分裂半导体二极管里会出现这多样性的情况，但是在抛光半导体二极管出现的单一性。这种多样性可能是由于裂解步骤或者离轴模式造成的。这种多样性不仅影响远场模式，还会影响激光的噪声特性。实验发现，单模激光器的噪声很小，等于自发辐射产生的噪声。与此相反的是，多模激光器的每个模式产生的噪声都是很大的。但是由于这些模式是相关的，因此综合后的波长输出噪声也变得很小了。

图（3.6）是Konnerth 为发表的关于一个连续激光器在液态氨冷却的条件下得到的光谱结果。正如图（3.5）所示，只有在阈值附近才会出现单模的情况。模式间的不等间距表明，存在的不只是一个系的模式。当半导体变热导致电流增加的时候就会引起模式的波长有一个大变动。变动的原因如下：1）与温度有关的内量子效率使得每个模式都随着温度的上升而连续向长波长方向移动。在温度为77K的时候，变化为0.46A/oK或20Gc/soK。2）随着温度上升自发线随着带隙移动并引起模式跃向波长更长的模式。这个影响比指数效应的影响还大2倍或1.5倍。从能隙的能量随温度的变化，我们可以推算出图（3.6）在结的温度为140oK的时候达到了最大电流值。

图（3.5）温度为10oK，两个模式同时振荡的光谱特性示意图

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图（3.6）温度为77oK的电流函数下连续热墨激光器的频谱模式转变示意图 曾有多次实验试图用干涉测量技术对各个模式的线宽进行测量。对于单模的情况来说，只可能得到一个上限，因为测量会收到仪器的分辨率的限制。至今为止，最小的测量值为温度77oK，输出功率250mW下的150kc/s。该值是埃亨和克罗用迈克尔干涉仪在3000英寸不平衡的路径下测量得来的。

室温下，普通的扩散激光器的阈值电流密度为100000A/cm2，热处理可以使得阈值降低到40000A/cm2，再生激光器的阈值低至30000A/cm2。由于高功率需求，可以只用大约500ns的脉冲或更短的持续时间来驱动半导体二极管。对于一个宽5厘米长15厘米的激光去来说，只要在放置有Marinace型的吸热片的那端注入300A的30ns的脉冲电流，就可以得到最大的30瓦的输出功率。在这种等级电流下，被阻值大约为0.05欧的串联电阻消耗的能量比内部光吸收损耗的大得多。曾经有几起报道称在室温下总的输出功率达到50瓦的。 3.5 调制

半导体激光器的优势之一就是简单且可以振幅调制。要想确定半导体激光器的频率响应，主要的难题是找到足够敏感的装置。现在已经可以测量出GaAs半导体激光器脉冲快速上升的时间了。一旦激光辐射开始进行，它就会进行的非常迅速——系统反应时间小于0.2ns。但是在电流脉冲开始作用和辐射开始的时候会有延迟。延迟产生的是因为往结内注入电流使得粒子数反转是需要在一定的时间。这个时间的等级在温度为

77oK为纳秒级。随着电流高于阈值它会降低，该延迟时间可以有下式给出：

td??lnI/(I?Ith) （3-2）

例如，当I=5Ith，?=2ns时，td=0.44ns。

这种延迟不会影响激光的微电波生成。当微电波形成，粒子数就会发生反转并且会一直保持即使电流跌落低至阈值。形成电微波的时间要小于自发辐射时间。

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在室温的情况下，有些激光器的延迟时间长达150ns。这种延迟是由于半导体存在慢陷阱。气体激光器，再生激光器和热处理扩散激光器都不存在这种延迟。曾有报道GaAs激光器在温度4.2oK下连续工作时进行振幅调制的延迟为11Gc/s。频率限制是由于系统的组件带来的。因此，在不考虑开机延迟的情况下，激光器本身不存在频率响应的限制。

半导体激光器也有可能进行频率调制。半导体的折射率与其应力有关，这个效应曾用于与结合超生技术对GaAs激光器进行频率调制。2MC/s的超声波作用在具有石英传感器的半导体激光器上。超声波的功率至少要达到150Mc/s才能有效改变激光的频率。声音能达到的最大频率会因为半导体的活跃区域的受到的压力一致的要求而受到限制。因此估计声音的频率能达到最大的值大约为1Gc/s。

另外一种频率调制的方法就是改变如图（3.2）所示的双异质结的电流分布。双异质结的一边作为泵浦源，结的另一边作为调制器。电流接触调制器后分布发生变化，连续模式变化高达1A。把振荡的主要模式从这个模移至另一个模也是有可能，从而在频率上大离散变化就产生了。用这种方法，在几个模式上变化高达26A。也可以利用磁场对激光进行频率调制。

进行频率调制要考虑的一个关键点是由于折射率的存在，每种模式的频率都与温度有关。在液态氢温度时，这个问题并不是很严重，因为折射率对温度不敏感。但是，温度为77K时，如之前那部分讨论的一样，该效应会使得模式产生0.46A/oK的变化相当

oooo于20Gc/oK。因此，无法进行频率调制的话，使用温度控制来实现频率稳定也是可行的。 3.6 应用与设备

半导体激光器领域继续发展迅速，在现在这个阶段，很难说什么应用是最重要的。在这一段我们简单地讨论一些关于探究半导体激光器应用的工作。讨论范围为光电子激光器设备和半导体激光器通信。

曾有人考虑过用半导体激光器设备来制造光电脑，但是该想法已经被证实在先进的条件下这不是一个有发展前途的方法。除非，我们将要讨论的设备有最先进技术的可能。这些设备要有有趣的特点，并且可以提供能够发明更多有用的设备的基础。

激光间的光学相互作用可以产生一个激光器对另一个激光器的关或开逻辑非。抑制激光的输出辐射在从另外的激光器的共振方向往不同方向通过激光器的活跃区域。在第二个激光器进行辐射放大，并且若这些激光与阈值相差不远，其增益可以降低到足以将其关闭。福勒发现通过用图（3.7）所示的结构可以对GaAs激光器进行抑制作用。两个激光器要尽可能近地以同一个晶体管头相互靠近，不过这样的做法的耦合效率很低。这是因为很多光会由于实行抑制的激光器有限束角而损失掉，还有被抑制激光器表面散射也会造成耦合效率低。

凯利研制了一个更有效抑制GaAs激光器的系统，该系统把两个激光器都安置在同

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