2010年5月11日

更廣的應用發展-半導體雷射面面觀

作者/王興宗(任教交通大學光電系)

半導體雷射有諸多優點,在資訊科技上廣為使用。今天半導體雷射能應用在許多高科技產品,皆歸功於科學家的長年研究。

半導體雷射或稱雷射二極體,具有體積輕巧、效益高、消耗功率低、使用壽命長、容易由電流大小來調製其輸出功率,以及調製頻率可達10 億赫等特性。這些特性使它廣泛應用於資訊處理、光纖通訊、光儲存、高速雷射列印、雷射條碼識別、軍事防安、娛樂用途、精密測距與指示,以及生醫領域廣為使用的分子光譜。本文將簡述半導體雷射的發展過程、關鍵技術、基本操作原理與特性,以及半導體雷射相對於其他種類雷射元件的優點及其廣泛的應用。

發展與演進

雷射的雛型源自1958 年蕭洛(A. L. Schawlow)和湯斯(C. H. Townes)製作的邁射(maser),而後由梅曼(T. Maiman)在1960 年率先製作出紅寶石雷射。隔年,以半導體來製作雷射的構想被提了出來;再隔年,就同時有好幾個研究團隊發表以砷化鎵(GaAs)為材料製作的半導體雷射。此雷射使用簡單的p-n同質接面(homojunction)結構〔註一〕,讓電子和電洞在p-n 接面的空泛區(depletion region)作復合,而光學回饋則由垂直於p-n接面之二拋光端面所形成的共振腔提供。然而此種半導體雷射的臨界值電流密度(threshold current density, Jth)非常高(Jth 大於每平方公分5 萬安培)而難以操作,使得這種只能在低溫下產生脈衝模式(pulsed mode)的半導體雷射,無法有實際應用價值。

1963年,克洛姆(H. Kroemer)和阿法洛夫(Z. I. Alferov)分別提出使用雙異質接面結構的半導體雷射,即將能隙較小的材料置於兩能隙較大的半導體材料夾層中,如此將可改善半導體雷射的特性進而達到室溫連續模式操作。1969 年,克雷歇爾(H. Kressel)、林嚴雄(I. Hayashi)以及阿法洛夫等人,分別以液相磊晶(liquid-phase epitaxy, LPE)的技術製作出可在室溫下操作的砷化鎵∕砷化鋁鎵(GaAs/AlxGa1-xAs)雷射,其臨界值電流密度為每平方公分5000 安培,但仍為脈衝模式。

1970 年,林嚴雄與阿法洛夫等人分別實現可在室溫下以連續模式產生的半導體雷射,其臨界值電流密度亦降低至每平方公分1600 安培,而其雷射結構正是使用雙異質接面。此項突破為半導體雷射發展中最重要的里程碑,因為可在室溫下連續操作的半導體雷射將可走出實驗室,實際應用在光纖通訊、光儲存等重要的光輸出元件。值得一提的是, 2000 年諾貝爾物理獎頒發給發展半導體異質結構的阿法洛夫和克洛姆,以鼓勵他們對高速及光電半導體元件的偉大貢獻。而在其後的發展中,研究人員開始探討並改良半導體雷射的信賴度與壽限。【更詳細的內容,請參閱第485期科學月刊】

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