半導體激光器的認識與檢測

宋瑞

【摘 要】對于目前半導體激光器可靠性的檢測方法，在軍事上，激光雷達、激光測速測距、激光制導、紅外對抗、激光武器等等都是，半導體激光器的應用。其中激光武器就是利用能量集中的激光束直接殺傷目標，它的速度快、命中率高，而且作用距離遠，抗電磁干擾能力也強，另外體積小、重量輕、壽命長、全天候等也是激光武器不可多得的優點。

【關鍵詞】半導體激光器； 激光制導； 激光雷達

引言

隨著社會和科技的發展，半導體激光器在國民經濟的各個領域日益發揮著不可替代的作用，而它的可靠性則是完成各項工作的前提條件，再加上人們對產品的要求越來越高，因此半導體激光器的可靠性一直是研究的熱點之一。大氣監視、空間光通訊也有半導體激光器的身影，這些都在新世紀高科技戰爭中扮演著不可替代的角色[1]。總之，半導體激光器特別是大功率半導體激光器在國民經濟和國防建設中的應用日益廣泛，而且在信息光電子領域起著舉足輕重的作用。因此，器件本身的可靠性在提升應用系統的性能上就顯得至關重要，人們為了提高半導體激光器的性能也在不懈地努力著。

一、半導體激光的類別

半導體激光器的電噪聲可以表示為激光器兩端電壓的起伏，一般屬于平穩隨機信號。半導體激光器中的電噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、g-r 噪聲和 1/f 噪聲，[2]熱噪聲：熱噪聲是由約翰遜于 1928 年在實驗中發現的一種載流子雜亂無章的現象，后研究表明，它的功率譜密度與頻率無關，且主要受溫度影響，屬于白噪聲的范疇。一般情況下，實驗室中常用的電阻性器件中都含有熱噪聲，只是不同器件的熱噪聲源不同。半導體激光器中的熱噪聲來源于半導體材料中載流子的無規則熱運動，這種無規則的熱運動引起電流的起伏，表現在電阻性元件的兩端就是電壓的起伏，比如體電阻、接觸電阻和 PN 結的動態電阻兩端，一般很難消除。散粒噪聲：散粒噪聲是 1918 年肖特基于子彈射入靶子時發現的一種噪聲，這種噪聲存在于大多數的半導體器件中，是由用于形成電流的載流子的分散性造成的，因此又被稱作

顆粒噪聲或散彈噪聲。它的特點是在低中頻段，其功率譜密度與頻率無關，表現出白噪聲特性，而在較高頻段，其頻譜與頻率有關，因此，在中低頻范圍內，散粒噪聲可以視為白噪聲。半導體激光器中，散粒噪聲主要來源于器件有源區載流子隨機跨越 PN 結勢壘區[3]而引起的電流起伏。這種噪聲是由器件材料的本質特征決定的，無法徹底消除。g-r 噪聲半導體材料的表面或內部通常存在著雜質（如重金屬雜質）和缺陷（如晶格位錯），形成雜質中心和陷阱中心，這些雜質中心和陷阱中心會隨機捕獲發射載流子，從而引起載流子數目的漲落，由此產生的噪聲就是產生-復合噪聲，簡稱 g-r 噪聲。對于不同種類的半導體，g-r 噪聲的表現也會有所不同。

二、半導體激光的檢測

通過采用直接測試法設計并搭建了一個半導體激光器低頻噪聲測試系統，檢測半導體激光器在不同偏置電流下的1/f噪聲。實驗獲取了半導體激光器在不同偏置電流下兩端的電壓數據，經過處理和分析得到1/f噪聲相關性與偏置電流的關系。由于半導體激光器在激發狀態下就得考慮增益系數漲落和光子數漲落對1/f噪聲的影響了，然后又考慮到半導體材料易受溫度影響，而半導體激光器在工作時，如果電流偏大，會引起器件溫度的上升，所以本實驗重點研究了閾值電流以下的低偏置電流下的1/f噪聲。選用的是大功率量子阱半導體激光器，功率為 2W，它的閾值電流在 300 mA 左右。實驗采用的是直接測試法測量半導體激光器兩端的電壓[4]。由于半導體激光器在激發狀態下就得考慮光子數漲落對 1/f 噪聲的影響了，而且大功率InGaAsP/GaAs量子阱半導體激光器在工作電流偏大時會升溫，從而對半導體材料中 PN 結的工作狀態造成影響，因此本實驗中半導體激光器的輸入電流是在閾值電流以下的低偏置電流，測量范圍在 10 ～100mA，半導體激光器在不同偏置電流范圍的噪聲來源不同：在 10～ 400 μA范圍內，1/f 噪聲主要來源于漏電電阻區；在 400～1000μA范圍內，1/f 噪聲主要來源于漏電電阻區和有源區的共同作用；在 1000～10000μA范圍內，1/f 噪聲主要來源于有源區。

三、結語

在研究背景及意義方面，瀏覽了大量的有關資料，了解了半導體激光器的發展歷程、自身所特有的優點以及在國民經濟各個領域的應用，明白了研究半導體激光器可靠性的重要性。在理論知識方面，閱讀了大量的有關文獻，了解了半導體激光器中可能存在的噪聲，學習了 1/f 噪聲理論和小波變換理論，然后推導了 1/f 噪聲的小波變換系數的相關性公式以及相關性和偏置電流的關系，最后從半導體激光器的等效電路出發推導了判斷 1/f 噪聲來源的理論依據。在實驗測試方面，了解了半導體激光器可靠性的檢測方法，選用了電噪聲測試法，然后量身設計并搭建了半導體激光器噪聲直接測試系統，研讀儀器的使用方法，然后設置參數，進行實驗測試。

參考文獻：

[1] 王選擇，曾志祥，鐘毓寧等. 基于相差識別的半導體激光器溫度精密測量與控制[J]. 光電子·激光， 2013， 24（2）：239-244.104（2）： 023301.

[2] 杜磊，莊奕琪，薛麗君. VLSI金屬互連線 1/f 噪聲指數與電遷移失效[J].電子學報， 2003， 31（2）： 183-185.

[3] 周求湛，劉祥，高健. 基于Gower相似系數的太陽能電池可靠性篩選方法[J].光電子·激光， 2014， 25（2）：207-212.

[4] 郜峰利，郭樹旭，曹軍勝等. 低偏置電流下大功率半導體激光器低頻電噪聲特性[J].光電子·激光， 2008， 19（4）：449-452.