4000W以上半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)制造技術(shù)

1、第四項(xiàng)需求技術(shù) 1、需求技術(shù)的名稱 4000W以上半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)制造技術(shù) 2、本單位技術(shù)現(xiàn)狀 半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管 （LD ）。我們吸收了半導(dǎo)體物理 發(fā)展的最新成果，采用了量子阱（ QW）和應(yīng)變量子阱（ SL-QW）等 新穎性結(jié)構(gòu)， 引進(jìn)了折射率調(diào)制 Bragg 發(fā)射器以及增強(qiáng)調(diào)制 Bragg 發(fā)射器最新技術(shù)， 同時(shí)還發(fā)展了 MBE、MOCVD及 CBE等晶體生長(zhǎng)技 術(shù)新工藝，使得新的外延生長(zhǎng)工藝能夠精確地控制晶體生長(zhǎng)，達(dá) 到原子層厚度的精度，生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應(yīng)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(zhǎng)，使用壽命也明顯加長(zhǎng)

2、3、技術(shù)需求詳述 （1）驅(qū)動(dòng)電流 一般情況下，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長(zhǎng)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(dāng)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(dǎo)體激光器的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱；時(shí)保 持色純度與發(fā)光強(qiáng)度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦 法，降低結(jié)溫，多數(shù)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流需要限制在一定范 圍內(nèi) （ 2）決定波長(zhǎng)的因素 半導(dǎo)體光電器件的工作波長(zhǎng)是和制作器件所用的半導(dǎo)體材料 的種類相關(guān)的。半導(dǎo)體材料中存在著導(dǎo)帶和價(jià)帶，導(dǎo)帶上面可以 讓電子自由運(yùn)動(dòng)，而價(jià)帶下面可以讓空穴自由運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)帶和價(jià)帶 之間隔著一條禁帶，

3、當(dāng)電子吸收了光的能量從價(jià)帶跳躍到導(dǎo)帶中 去時(shí)，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià) 帶，又可以把電的能量變成光，這時(shí)材料禁帶的寬度就決定了光 電器件的工作波長(zhǎng)。材料科學(xué)的發(fā)展使我們能采用能帶工程對(duì)半 導(dǎo)體材料的能帶進(jìn)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(dǎo)體光電器件的工作波長(zhǎng)突 破材料禁帶寬度的限制擴(kuò)展到更寬的范圍。 （ 3 ） 發(fā)光部分 半導(dǎo)體激光器的核心發(fā)光部分是由 p 型和 n 型半導(dǎo)體構(gòu)成的 pn 結(jié)管芯，當(dāng)注入 pn 結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就 會(huì)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(gè)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(lái)，這主要取決于半導(dǎo)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(yīng)用要求提高半導(dǎo) 體激光器的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)半導(dǎo)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(guò)球形接觸點(diǎn)與 金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負(fù)極通過(guò)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(hù)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(guān)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(dǎo)致過(guò)多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂 作過(guò)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(jī)械強(qiáng)度，對(duì)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(duì)光子逸出效率 的影響是不同的， 發(fā)光強(qiáng)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(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集 中到半導(dǎo)體激光器的軸線方向，相應(yīng)的視角較??；如果頂部的樹 脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)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(dǎo)體激光可預(yù)見的 最重 要 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 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(lái)發(fā)展速度之快、應(yīng)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(biāo)志和未來(lái)信息社會(huì)中各種信息的 主要傳送工具。我們采用組成 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)， PROFIBU，S 是一種國(guó)際化開放式不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。 PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud12Mb

7、aud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng) 啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。 廣泛適用 于制造業(yè)自動(dòng)化、 流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、 交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng) 化。 PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù) 通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散 式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)， 從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 智能化提供了可行的解決方案。 4、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)： 半導(dǎo)體激光器的常用參數(shù)可分為：波長(zhǎng)、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(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開關(guān)用的激光管 波長(zhǎng)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(duì)一 般小功率激光管而言， 其值約在數(shù)十毫安， 具有應(yīng)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(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流， 此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)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