半导体激光器的认识与检测

宋瑞

【摘 要】对于目前半导体激光器可靠性的检测方法，在军事上，激光雷达、激光测速测距、激光制导、红外对抗、激光武器等等都是，半导体激光器的应用。其中激光武器就是利用能量集中的激光束直接杀伤目标，它的速度快、命中率高，而且作用距离远，抗电磁干扰能力也强，另外体积小、重量轻、寿命长、全天候等也是激光武器不可多得的优点。

【关键词】半导体激光器； 激光制导； 激光雷达

引言

随着社会和科技的发展，半导体激光器在国民经济的各个领域日益发挥着不可替代的作用，而它的可靠性则是完成各项工作的前提条件，再加上人们对产品的要求越来越高，因此半导体激光器的可靠性一直是研究的热点之一。大气监视、空间光通讯也有半导体激光器的身影，这些都在新世纪高科技战争中扮演着不可替代的角色[1]。总之，半导体激光器特别是大功率半导体激光器在国民经济和国防建设中的应用日益广泛，而且在信息光电子领域起着举足轻重的作用。因此，器件本身的可靠性在提升应用系统的性能上就显得至关重要，人们为了提高半导体激光器的性能也在不懈地努力着。

一、半导体激光的类别

半导体激光器的电噪声可以表示为激光器两端电压的起伏，一般属于平稳随机信号。半导体激光器中的电噪声主要有热噪声、散粒噪声、g-r 噪声和 1/f 噪声，[2]热噪声：热噪声是由约翰逊于 1928 年在实验中发现的一种载流子杂乱无章的现象，后研究表明，它的功率谱密度与频率无关，且主要受温度影响，属于白噪声的范畴。一般情况下，实验室中常用的电阻性器件中都含有热噪声，只是不同器件的热噪声源不同。半导体激光器中的热噪声来源于半导体材料中载流子的无规则热运动，这种无规则的热运动引起电流的起伏，表现在电阻性元件的两端就是电压的起伏，比如体电阻、接触电阻和 PN 结的动态电阻两端，一般很难消除。散粒噪声：散粒噪声是 1918 年肖特基于子弹射入靶子时发现的一种噪声，这种噪声存在于大多数的半导体器件中，是由用于形成电流的载流子的分散性造成的，因此又被称作

颗粒噪声或散弹噪声。它的特点是在低中频段，其功率谱密度与频率无关，表现出白噪声特性，而在较高频段，其频谱与频率有关，因此，在中低频范围内，散粒噪声可以视为白噪声。半导体激光器中，散粒噪声主要来源于器件有源区载流子随机跨越 PN 结势垒区[3]而引起的电流起伏。这种噪声是由器件材料的本质特征决定的，无法彻底消除。g-r 噪声半导体材料的表面或内部通常存在着杂质（如重金属杂质）和缺陷（如晶格位错），形成杂质中心和陷阱中心，这些杂质中心和陷阱中心会随机捕获发射载流子，从而引起载流子数目的涨落，由此产生的噪声就是产生-复合噪声，简称 g-r 噪声。对于不同种类的半导体，g-r 噪声的表现也会有所不同。

二、半导体激光的检测

通过采用直接测试法设计并搭建了一个半导体激光器低频噪声测试系统，检测半导体激光器在不同偏置电流下的1/f噪声。实验获取了半导体激光器在不同偏置电流下两端的电压数据，经过处理和分析得到1/f噪声相关性与偏置电流的关系。由于半导体激光器在激发状态下就得考虑增益系数涨落和光子数涨落对1/f噪声的影响了，然后又考虑到半导体材料易受温度影响，而半导体激光器在工作时，如果电流偏大，会引起器件温度的上升，所以本实验重点研究了阈值电流以下的低偏置电流下的1/f噪声。选用的是大功率量子阱半导体激光器，功率为 2W，它的阈值电流在 300 mA 左右。实验采用的是直接测试法测量半导体激光器两端的电压[4]。由于半导体激光器在激发状态下就得考虑光子数涨落对 1/f 噪声的影响了，而且大功率InGaAsP/GaAs量子阱半导体激光器在工作电流偏大时会升温，从而对半导体材料中 PN 结的工作状态造成影响，因此本实验中半导体激光器的输入电流是在阈值电流以下的低偏置电流，测量范围在 10 ～100mA，半导体激光器在不同偏置电流范围的噪声来源不同：在 10～ 400 μA范围内，1/f 噪声主要来源于漏电电阻区；在 400～1000μA范围内，1/f 噪声主要来源于漏电电阻区和有源区的共同作用；在 1000～10000μA范围内，1/f 噪声主要来源于有源区。

三、结语

在研究背景及意义方面，浏览了大量的有关资料，了解了半导体激光器的发展历程、自身所特有的优点以及在国民经济各个领域的应用，明白了研究半导体激光器可靠性的重要性。在理论知识方面，阅读了大量的有关文献，了解了半导体激光器中可能存在的噪声，学习了 1/f 噪声理论和小波变换理论，然后推导了 1/f 噪声的小波变换系数的相关性公式以及相关性和偏置电流的关系，最后从半导体激光器的等效电路出发推导了判断 1/f 噪声来源的理论依据。在实验测试方面，了解了半导体激光器可靠性的检测方法，选用了电噪声测试法，然后量身设计并搭建了半导体激光器噪声直接测试系统，研读仪器的使用方法，然后设置参数，进行实验测试。

参考文献：

[1] 王选择，曾志祥，钟毓宁等. 基于相差识别的半导体激光器温度精密测量与控制[J]. 光电子·激光， 2013， 24（2）：239-244.104（2）： 023301.

[2] 杜磊，庄奕琪，薛丽君. VLSI金属互连线 1/f 噪声指数与电迁移失效[J].电子学报， 2003， 31（2）： 183-185.

[3] 周求湛，刘祥，高健. 基于Gower相似系数的太阳能电池可靠性筛选方法[J].光电子·激光， 2014， 25（2）：207-212.

[4] 郜峰利，郭树旭，曹军胜等. 低偏置电流下大功率半导体激光器低频电噪声特性[J].光电子·激光， 2008， 19（4）：449-452.