4000W以上半導體激光器設計制造技術(shù)

1、第四項需求技術(shù) 1、需求技術(shù)的名稱 4000W以上半導體激光器設計制造技術(shù) 2、本單位技術(shù)現(xiàn)狀 半導體激光器又稱激光二極管 （LD ）。我們吸收了半導體物理 發(fā)展的最新成果，采用了量子阱（ QW）和應變量子阱（ SL-QW）等 新穎性結(jié)構(gòu)， 引進了折射率調(diào)制 Bragg 發(fā)射器以及增強調(diào)制 Bragg 發(fā)射器最新技術(shù)， 同時還發(fā)展了 MBE、MOCVD及 CBE等晶體生長技 術(shù)新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達 到原子層厚度的精度，生長出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應變量子阱材料。 于是， 制作出的 LD，其閾值電流顯著下降， 轉(zhuǎn)換效率大幅度提高， 輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長

2、3、技術(shù)需求詳述 （1）驅(qū)動電流 一般情況下，半導體激光器的發(fā)光波長隨溫度發(fā)生變化，光 譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經(jīng) pn 結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1， 半導體激光器的發(fā)光強度會相應地減少1%左右，封裝散熱；時保 持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦 法，降低結(jié)溫，多數(shù)半導體激光器的驅(qū)動電流需要限制在一定范 圍內(nèi) （ 2）決定波長的因素 半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料 的種類相關的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以 讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶 之間隔著一條禁帶，

3、當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中 去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價 帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光 電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半 導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需 要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突 破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。 （ 3 ） 發(fā)光部分 半導體激光器的核心發(fā)光部分是由 p 型和 n 型半導體構(gòu)成的 pn 結(jié)管芯，當注入 pn 結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時，就 會發(fā)出可見光， 紫外光或近紅外光。 但 pn 結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定 向的，即向各

4、個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生 的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質(zhì)量、管芯 結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應用要求提高半導 體激光器的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)半導體激光器封裝是將邊正 方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與 金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架 的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是 收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包 封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受 外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起 透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散

5、角；管芯折射率與空氣折射 率相關太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生 的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸 收，易發(fā)生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環(huán)氧樹脂 作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具 有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率 高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率 的影響是不同的， 發(fā)光強度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、 光輸出方式、 封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集 中到半導體激光器的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹 脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。 （

6、4 ） 通信方式 我們主要采用光纖通信的方式，這也是半導體激光可預見的 最重 要 的 應 用 領 域 ， 光 纖 通信技 術(shù) （ optical fiber communications ）從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要 支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為 一門新興技術(shù)，其近年來發(fā)展速度之快、應用面之廣是通信史上罕 見的，也是世界新技術(shù)革命的重要標志和未來信息社會中各種信息的 主要傳送工具。我們采用組成 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)， PROFIBU，S 是一種國際化開放式不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。 PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud12Mb

7、aud范圍內(nèi)選擇且當總線系統(tǒng) 啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。 廣泛適用 于制造業(yè)自動化、 流程工業(yè)自動化和樓宇、 交通電力等其他領域自動 化。 PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù) 通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。 可實現(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散 式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡， 從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備 智能化提供了可行的解決方案。 4、經(jīng)濟技術(shù)指標： 半導體激光器的常用參數(shù)可分為：波長、閾值電流 Ith 、工 作電流 Iop 、垂直發(fā)散角 、水平發(fā)散角 、監(jiān)控電流 Im。 （ 1） 波長：即激光管工作波長，目前可作光電開關用的激光管 波長有 635nm、 650nm、 670nm、激光二極管 690nm、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm等。 （ 2） 閾值電流 Ith ：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對一 般小功率激光管而言， 其值約在數(shù)十毫安， 具有應變多量子 阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至 10mA以下。 （ 3） 工作電流 Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅(qū)動電流， 此值對于設計調(diào)試激光驅(qū)動電流較重要。 （4） 垂直發(fā)散角 ：激光二極管的發(fā)光帶在垂直 張開的角度，一般在 15?40?左右。 （5） 水平發(fā)散角