半导体激光器的发展历程2

广西师范学院2017年

本科毕业论文

论文题目

半导体激光器的发展历程

毕业生：吴伊琴

指导老师：王革

学科专业：物理学（师范）

目录

摘要 (1)

前言 (3)

一．理论基础及同质结半导体激光器（1917-1962） (5)

1.1激光理念及激光技术的面世 (5)

1.2早期半导体激光器理念提出与探索（1953-1962） (7)

二．异质结半导体激光器（1963-1977） (10)

2.1 单异质（SH）激光器 (10)

2.2 双异质（DH）激光器 (11)

三．半导体激光器实用领域的探索（1980-2005） (14)

3.1 光纤通信与半导体激光器的相辅相成 (15)

3.2 量子阱能带工程技术的引入 (18)

4.1半导体激光器应用的多样化 (21)

4.2 半导体激光器的未来发展 (23)

结语 (25)

参考文献 (26)

摘要

双异质半导体激光器，量子阱技术，应变量子阱激光器，DFB激光器，面发射激光器，大功率激光器等等突破性研究成果的面世，使得半导体激光器已经占据了激光领域市场的大壁江山，以及成为了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域不可或缺的存在。本文梳理了1917年—2008年半导体激光器的发展历程，文中包括了半导体激光器大多研究成果，按照时间线对其进行整理。

总的说来，半导体激光器的发展历程可以分为4个阶段

第一．理论准备及起步阶段（1917-1962）。1962年同质结半导体激光器研制成功。尽管同质结半导体激光器没有实用价值，但是它面世是半导体激光器发展历程中重要的标志，其基本理论是后来半导体激光器前进的基础。

第二．大发展期(1962--1979)长寿命，长波长双异质半导体激光器的面世使得半导体激光器能够满足光纤通信的需求。1978-1979年，国际上关于通过改进器件结构提高器件稳定性，降低损耗的研究成果非常多。由于对AlGaAs—GaAs 激光器特性的不断进步的追求，使得这个时期出现了许多新的制造工艺，新的结构理念，为之后发展长波长半导体激光器留下了充足的技术支持。

第三．实用性的初步探索（1980--1990）在这期间半导体激光器的实用领域主要集中于光纤通信领域，由于光纤通信技术的不断发展，使得半导体激光器的发展也极其迅猛。

第四．实用的多样化(1990--2008) 由于量子阱技术，应变量子阱激光器，DFB 激光器，面发射激光器，大功率激光器等等突破性研究成果的面世，半导体激光器的实用领域覆盖了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域。

本文按照时间线将半导体激光器的发展历程梳理了一遍，使得半导体激光器的发展脉络更加清晰，时候其发展历程更加具体，明了。

关键词：激光半导体激光器应用多样化发展方向

前言

激光，英文名为“laser”是20世纪以来，目前在人类科技进步史上与原子能，计算机，半导体并驾齐驱的重大发明。其发展动向对于人类的科技，生活等等方面有着重要的影响。

半导体激光器就是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器的总称。半导体激光器具有体积小，重量轻；波长范围广，相干性高，适宜大量生产，半导体激光器在20世纪80年代初期其主要应用领域是在光纤通信技术方面的，并且在如今半导体激光器仍然是光通信领域不可或缺，至关重要的存在。20世纪90年代开始，由于光电子技术的不断成熟，各个领域对于光电子技术需求越来越高，使得光电子技术的实用领域不断扩大，半导体激光器在各个领域里的用武之地也越多。并且随着对半导体激光器的研究不断深入，半导体激光器已经占据了激光领域市场的大壁江山，以及成为了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域不可或缺的存在。

笔者在查询半导体激光器的发展历程是发现虽然关于半导体激光器发展的文献较多，但是这些文献中关于半导体激光器的发展时间线不够清晰，而且多数是按照大功率，量子阱等等方面分开描述，对于半导体激光器总体的发展历程的描述不够清晰，已有的文献对于半导体激光器的发展框架的描述较为清晰，但是还是会有一些不够清晰的点：

1.1977年以前半导体激光器早期的发展方向是什么？

2.是光纤通信技术成就了半导体激光器还是半导体激光器成就了现在的光

通信技术？

3.半导体激光器的研究成果有着什么样的意义？

为了回答这些问题笔者查阅了许多相关文献，将1917年-2008年期间半导体激光器的发展历程重新梳理，按照时间线整理好争取形成一条较为清晰发展脉络。

一．理论基础及同质结半导体激光器（1917-1962）

1.1激光理念及激光技术的面世

1.1.1激光理念

激光，英文名为“laser”。源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation这句话中由每个单词首字母组成的缩写词，意思是“通过辐射的受激辐射光放大”。作为20世纪以来，目前在人类科技进步史上与原子能，计算机，半导体并驾齐驱的重大发明，激光的许多特性对于社会进步有着巨大的影响。

激光被人们称为20世纪最亮的光，最准的尺，最快的刀，由此可看出激光亮度激光，定向发光能力极强，能量之大等等特性。概括说来激光有四大特性，即高亮度，高相干性，高方向性，高单色性。也是激光的这些特性使它拥有了其他普通光源不可企及的能力。也正是因为这些特性，现如今激光在医学，军事，通信，快速成型技术，显示技术，材料加工等领域取得了巨大的成就，也是由于激光的便利，使得其在社会中得到了快速的普及，逐渐渗透进我们日常的工作及生活中。

1.1.2 激光技术的发展

爱因斯坦是在1916年发布了《关于辐射的量子理论》一文。在该文中受激辐射理论指出，处于高能态的粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就

是受激辐射。“受激辐射”理论为激光提供了物理基础。但是由于当时并没有关于光量大化的实际应用的科学探索，所以受激辐射的概念在当时没有得到重视，爱因斯坦本人也没有对其进行进一步的研究，此后大约40年的时间里都没有人进行激光技术的研究工作。但是，在二战期间，由于雷达在战争中的广泛应用及重大作用，如何提高雷达的性能成为了当时国际的研究重点，也正是如此，受激辐射这一概念得到了相应的关注，开始有科学家进行激光技术的相应研究。利用受激辐射来放大电磁波的概念被提出。

1953年美国物理学家汤斯（Charles hard Townes）和阿瑟?肖洛制成了激光器的前身：第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。该机器的成功研制激发了人们对于激光技术更深层次的研究。汤斯（Charles hard Townes）和阿瑟?肖洛（Schawlow）在1958年成功的观测到激光现象，并且在同年12月，美国物理学家汤斯（Charles hard Townes）与阿瑟?肖洛（A. L. Schawlow）在《物理评论》上发表了《红外与光学激射器》一文，提出了“激光原理”以及“激光”的概念。他们指出在物质受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，会产生一种不发散的强光，这束强光就是激光。此后对于激光，激光器的研究正式进入正轨。

1958年美国物理学家汤斯（Charles hard Townes）与阿瑟?肖洛（A. L. Schawlow）提出了开放式光谐振腔的概念，抛弃了之前的封闭式谐振腔的模式，对于激光以及激光器的研究又是一个新的阶段。此后在科学家们对于激光的不断改进和创新中，激光的研究成果不断更新，终于在1960年5月美国科学家梅曼（T. H. Maiman）获得了人类史上的第一束激光（长0.6943μm），并且在同年7月成功研制出世界

上第一台激光器（红宝石脉冲激光器（固体激光器））。从此“激光技术”正式走向世界科学的舞台。

1.2早期半导体激光器理念提出与探索（1953-1962）

1.2.1 理论基础

要想获得激光，选择合适的激光材料是至关重要的。不同的激光工作物质（激光材料）形成的激光器被分为不一样的类型，有着不同的特性。而半导体由于其独特的特性，早在1953年就已经有人对其是否能够产生激光进行了一定的讨论及研究，此后关于半导体材料的受激激发的研究一直在不断的深入。

1956年-1958年，艾格瀚等科学家开始讨论半导体激光器的合理性和可能性，提出了许多设想及可能，但是这些大多只是在理论方面的设想，对于具体的操作实践还没有得到解决。1958年-1960年，经过博伊尔，拉克斯等科研工作者的不断努力，关于半导体激光器的研究成果不断更新，在此期间发现相比起间接带隙半导体，直接带隙半导体更容易获得相应的相干光，相应的光谐振腔的技术也有了极大的改进。1961年，杜拉弗格和伯纳德正式清晰的提出了关于半导体实现粒子数反转的必要条件，提出了利用直接，间接带隙半导体材料制造激光器的理念。为1962年半导体激光器的成功研制提供了重要的理论基础。

杜拉弗格和伯纳德正式清晰的提出了关于半导体实现粒子数反转的必要条件后，次年3月，在美国举办的物理学会议上，梅贝格做出了在77k的环境中GaAs材料电致发光的效率有可能较高的报告，随后这一设想得到了证实。在1962年7月英国举办的固体器件研究会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的奎斯特

（Quist）和克耶斯（Keyes）发布了在77k的环境中GaAs材料电致发光的效率极高，接近于100%的研究成果。该成果的发布为研制注入型半导体激光器解决了辐射效率的问题，也为此种半导体激光器的成功研制创造了条件。

1.2.2 GaAs半导体激光器的研制过程

美国通用电气研究实验室工程师霍尔参加了1962年的固体器件研究会议，奎斯特（Quist）和克耶斯（Keyes）的报告引起了他极大的兴趣，霍尔之前一直在进行对于半导体激光器的研究，但是一直没有突破。这次的报告给了他极大的灵感，对于半导体激光器的研究有了新的计划。霍尔回到实验室后立即制定了关于研制半导体激光器的计划，与芬纳等研究人员一起投入到半导体激光器的研制工作中。在霍尔小组的如火如荼的研究过程中，同年8月，那赛德福发布了观察到光谱轻微变窄的消息并发表了相应的文章。该文章的发布使得霍尔小组的研究压力有所减轻，也让霍尔小组意识到光反馈的重要性。同年9月，霍尔小组对于谐振腔有了新的概念，他们采取了新型的谐振腔结构，并且成功的观察到GaAs 受激辐射的现象。GaAs半导体激光器成功研制出来了。经过对实验结果的再三确认和对实验数据的整理，1962年11月，霍尔小组在?物理评论快报?上公布了其研究成果。在其发布一个月内，陆续有三个实验室先后宣布成功获得相干光发射的消息。

这四所实验所研制出的都是同质结半导体激光器，他们使用的材料相同，谐振腔的结构也相同。同质结半导体激光器的成功研制是半导体激光器发展历程中重要的标志，其基本理论是后来半导体激光器前进的基础。但是由于同质结半导体激光器的临界电流高以及其只能在77k的环境下工作，所以可以说同质结半导体激光器没有实用价值。为了实现半导体激光器的实用性，在同质结半导体激光器成功研制不久，异质结半导体激光器的研究也马不停蹄的开始了。

二．异质结半导体激光器（1963-1977）

2.1 单异质（SH）激光器

由于同质结半导体激光器不能再室温下实现连续受激激发，这导致了其实用性几乎为零，但是科学研究是为了更好的服务社会，所以为了加强半导体激光器的实用性，就需要实现其在室温情况下的连续受激激发。这也是半导体激光器在此期间的主要研究方向。

GaAs半导体激光器成功研制的次年，也就是1963年，科勒莫（H.KROEMER）及其他科学家提出异质结构半导体激光器的概念，异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层组成“结”能够有效的降低临界电流密度，提高工作效率，最重要的是可以提高工作温度，有很大的可能实现其室温条件下的连续工作。但是由于当时没有合适的晶体材料，导致异质结半导体激光器的研究出现停滞。直到1967年的半导体激光器会议上，会议中提出Al x G a1-xAs和GaAs这两种材料的匹配度较高，随后贝尔实验室的潘尼斯和哈亚西通过液相外延技术，将AlxGa1-xAs作为GaAs外延层，成功研制出了单异质结半导体激光器。1969年潘尼斯和哈亚西公布了其研究成果。与同质结半导体激光器相比，该激光器的临界电流密度有了大幅度的下降，但是很遗憾，其临界电流密度仍然较高，所以该激光器没有实现在室温条件下的连续受激激发的研究目标。

虽然单异质结半导体激光器没有实现室温下的连续受激激发，但是异质结结构的成功应用以及液相外延技术的成功应用都为接下来双异质结半导体激光器的研发工作提供了重要的理论基础和技术支持。

2.2 双异质（DH）激光器

2.2.1 AlxGa1-x As—GaAs激光器研究历程

虽然单异质半导体激光器没有实现研究目标，但是利用异质结构来实现半导体激光器临界电流密度的降低以及室温条件下的连续工作的研究目标这个方向是正确。单异质结构不可以，科学家们就开始提出双异质结构的概念。

其实在单异质半导体激光器的研制后期，关于双异质半导体激光器的研制工作就已经开始。在SH半导体激光器的研究进展中后期Leningrad Ioffe研究所已经开始着手进行双异质半导体激光器（AlxGa1-x As--GaAs）的研究，并且在1969年9月就发布了其研究成果，但是还是没有实现研究目标（室温条件下的连续工作）。

贝尔实验室的潘尼斯和哈亚西在1968年后期也开始进行DH激光器的研究，经过不断的实验及改进，1970年初贝尔实验室大大降低了双异质半导体激光器的临界电流密度，成功实现在室温条件下的连续受激激发，DH激光器面世。并于同年8月将实验成果在?Applied Physics Letters?上发布。同年5月，Leningrad Ioffe研究所也成功实现室温下连续受激发射。

双异质半导体激光器的成功研制，使得半导体激光器实现了室温条件下的连续受激发射，也是半导体激光器能够走向实用领域的基础，使得半导体激光器有了一定的实验价值，也开启了半导体激光器发展的新阶段，使得半导体激光器未来的研究方向往实用方面转变。

2.2.2AlxGa1-x As—GaAs短波长激光器室温下连续长时间工作的实现

1970年，双异质结半导体激光器研制成功，降低了半导体激光器的临界电流密度，实现了室温下的连续受激发射。该半导体激光器尽管实现了室温下的连续工作，但是要将半导体激光器运用到实际中还有一个迫切需要解决的问题，那就是器件的长寿命性，稳定性(可靠性)。

1970年制造出的第一台DH激光器的虽然能够在室温下连续工作，但是工作寿命极短，而且稳定性也不够。如果不具备真正的实用性，也正是因为如此，之后几年时间里国际科研人员们一直在研究如何延长半导体激光器的工作时间，追求半导体激光器的长寿命以及稳定性。经过科研人员的不断努力，不断改进器件的结构，使得半导体激光器的工作寿命不断延长。终于在1977年成功实现双异质短波长半导体激光器的连续工作时间达到了1×106个小时。

半导体激光器的稳定性，长寿命性对于光纤通信的发展有着极其重要的作用。为了提高半导体激光器的稳定性，国际上进行了许多关于这个方面的研究。1978-1979年，国际上关于通过改进器件结构提高器件稳定性，降低损耗的研究成果非常多。比如说美国的CDH激光器，日本的BH激光器，TJS激光器，CDH 激光器等等，而且这些都实现了温室下连续受激激发以及单模化工作。可以说这个时期国际上对于半导体激光器的研究都集中与AlGaAs—GaAs激光器的不断进步及改革中，着力于其质量，特性，结构的不断提高和改良。由于对AlGaAs

—GaAs激光器特性的不断进步的追求，使得这个时期出现了许多新的制造工艺，新的结构理念，为之后发展长波长半导体激光器留下了充足的技术支持。

三．半导体激光器实用领域的探索（1980-2005）激光技术无论是在军事，农业还是医疗方面都有十分强大的实用性，在激光技术面世以及不断的探索过程中，激光技术得到不断的改良，在各项领域中其实用价值也越来越大，自然对于激光技术的要求也越高。激光器的发展也越来越快。固体激光器诞生后，气体激光器，液体激光器，半导体激光器等等也紧接着被研制成功。

早期由于气体激光器以及固体激光器的能量，功率方面相较于半导体激光器有较大的优势，所以在军事，农业，材料加工等方面较多的使用这两种激光器。半导体激光器在这些方面没有太大的优势，但是半导体激光器拥有体积小，成本低廉，可大量生产，便于携带等特性，使得其在通信和测距方面有一定的优势。而且随着对半导体激光器的研究的不断深入，发现半导体激光器的波长与光纤十分相配，非常适宜作为光纤通信技术的光源。从此半导体激光器与光纤通信技术开始了相辅相成，彼此依赖互补的发展历程。

由于最初半导体激光器的主要实际应用是作为光纤通信的光源，所以在一段时间内半导体激光器的发展主要是为光纤通信服务的，其发展方向与光纤通信的发展需求是一致的。主要往长波长，大容量，长寿命等方向发展，在此期间，半导体激光器取得了相当大的研究突破，比如说量子阱结构，面发射器等等。

随着国际光纤通信技术的快速发展，半导体激光器也迎来蓬勃的发展。并且在对于半导体激光器研究的不断深入，半导体激光器的不断进化中，其独特的特

性使得其在军事，农业，印刷业，工业等等方面的实用性越来越强，优势也越来越突出，在各项领域中占据了十分重要的地位。

3.1 光纤通信与半导体激光器的相辅相成

3.1.1第二代光纤通信系统对于长波长，长寿命激光器的要求

1977年，双异质短波长半导体激光器的连续工作寿命达到了1×106个小时。这项研究成果对于光纤通信而言十分重要，这是其走向实用化的重要技术支持。同年5月，以该半导体激光器作为光源的光纤通信系统（第一代）正式在美国投入使用。在该通信系统的实际应用和发展过程中，光纤通信系统的损耗窗口有了更低的可能性，这使得光纤通信系统的传输质量（长距离，高速率）有了新的突破。第二代光纤通信系统的损耗窗口的波长范围在1.3μm——1.55μm，相比起第一代光纤通信系统，其波长范围有了一定的增长。而半导体激光器作为光纤通信的重要组成部分，开展研制长波长，长寿命半导体激光器的工作也迫在眉睫。的为了实现其信息传输大容量，长中继的发展需求，国际上对于长波长，长寿命半导体激光器的研制工作也马不停蹄的开始了。

长波长半导体激光器的研究工作并非是在1977年之后再开展的，之前国际上对于长波长半导体激光器就有了一定的研究，只是没有成为半导体激光器的研究重点，而且第一代光纤通信系统对于半导体激光器的要求着重于长寿命这一点，所以在1970-1979年期间，国际上将提高半导体激光器的工作寿命作为研究重点，直到1979年，第二代光纤通信系统时代的来临，国际上才开始着重关注于长波长，长寿命半导体激光器的研制工作中来。

3.1.2 InGaAsP激光器

对于长波长半导体激光器的研制工作而言，选择合适的激光工作物质是十分重要的。究竟什么样的材料比较适合作为长波长半导体激光器的激光工作物质呢？科学家们提出了许多设想，进行了许多实验。经过不断的探索，1976年，林肯实验室成功研制出了室温下连续工作的InGaAsP激光器，其波长为1.1μm。InGaAsP激光器比起AlGaAs—GaAs激光器的寿命更长，更加适宜长波长，长寿命的发展要求。这一发现使得国际上半导体激光器的研制工作开始围绕于InGaAsP激光器开展。

1977年美国华裔科学家谢肇鑫成功实现1.3μm的InGaAsP激光器在室温条件下的连续受激激发。谢肇鑫在研制工程中采用了液相外延的方法来进行该激光器的研制工作，并且在1979年也同样运用了此方法成功实现1.55μm的InGaAsP 激光器在室温条件下的连续受激激发。初步解决了长波长的问题后，尽可能的延长InGaAsP激光器工作寿命的问题就成为了接下来的研究重点。1979年-1988年，国际上对于InGaAsP激光器的研究成果一直在不断更新，已经成功实现了InGaAsP激光器的连续工作寿命达到了105小时，并且输出功率有了很大的提升，临界电流密度的最低值再次被刷新。

3.1.3 DFB激光器

上个世纪80年代随着光纤通信的不断发展，社会对于光纤通信系统的质量要求越来越高，第二代光纤通信系统已经逐渐无法满足高速发展的通讯需求，其发展开始向长距离，大容量等方面转化。

此前的长波长半导体激光器是多纵模发射的模式，这对于提高光纤通信的容量问题是一个非常大的阻碍。为了实现第三代光纤通信系统对于大容量的要求，研制单模模式的长波长半导体激光器是当时的一个研究重点。

为了缩窄半导体激光器的线宽，国际上将研制DFB激光器作为当时半导体激光器的一个研究重点。DFB就是是分布反馈，也有两种，一种是均匀的分布反馈，其布拉格光栅是均匀周期的。另一种是有phase shift的DFB。在均匀周期布拉格光栅的某一个周期上延长一段，打破原本均匀性。就是将光栅技术引入到半导体激光器的制造中，制造出DFB(无腔面分布反馈)半导体激光器。

DFB激光器显著的特点是其线宽可以做到很窄。简单来说就是可以做成非常近似于单色波的激光，DFB激光器的另一个优点是其可以实现较宽的波长调谐范围，在中心波长附近可以调节100nm左右的波长输出。简单来说，DFB激光器的光谱纯度较高（单色性好），线宽较窄（小于1MHZ）并且其边模抑制比较高。这使得DFB(无腔面分布反馈)半导体激光器能够实现单纵模发射，甚至是动态的单纵模发射。20世纪80年代末，DFB(无腔面分布反馈)半导体激光器的发展已经有了一定的成果，由于DFB激光器的研究进展迅速，使得第三代光纤通信（长距离，大容量）事业发展非常迅速。

3.2 量子阱能带工程技术的引入

3.2.1单量子阱结构

随着对半导体激光器研究的不断深入，就开始有人设想如果将激光器的激活层由超薄膜的半导体层来充当，会不会出现相应的量子效应呢？而且早在1970年，超晶格量子阱的概念就已经被提出，当时也成功的应用液相外延技术在GaAs 半导体上实现了超晶体结构。之后随着分子束外延（MBE）技术的不断进步，1975年就有科学家利用分子束外延技术成功研制出第一台量子阱激光器（GaAlAs-GaAs类材料），但是由于当时分子束外延技术还不够完善，该激光器在室温条件下不能较好的实现振荡。直到1982年，由于分子束外延技术在此期间的不断完善改进，美国贝尔实验室成功研制出临界电流密度为160A/cm2的半导体量子阱激光器。该量子阱激光器的成功研制开启了量子阱激光器研究的帷幕。

在之后的一段时期中，国际上对于量子阱激光器的研究方向主要集中于InGaAlP—GaAs，GaAlAs—GaAs和InGaAsP—InP这三类材料上。并且GaAlAs—GaAs材料的量子阱激光器是最早开始研制也是最先开始在激光印刷，扫描器等领域投入使用的。1986年，应变量子阱的概念被提出。应变量子阱就是使用两种不同的材料，这两种材料晶格并不匹配，但是可以单原子层外延技术让他们生长在一起形成晶格。由于材料内部的价带特性优化，使得半导体发光器件的性发生巨大变化，得到了巨大的改良。应变量子阱概念的提出，使得20世纪90年代各国的研究所都开始进行应变量子阱激光器的研究工作，单量子阱激光器开始迎来蓬勃的发展。