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    半導體激光發生器技術及發展歷程

    2006-05-09 慧聰網

    晶體管利用一種稱為半導體的材料的特殊性能。電流由運動的電子承載。普通的金屬,如銅是電的好導體,因為它們的電子沒有緊密的和原子核相連,很容易被 一個正電荷吸引。其它的物體,例如橡膠,是絕緣體--電的不良導體--因為它們的電子不能自由運動。半導體,正如它們的名字暗示的那樣,處于兩者之間,它們通常情況下象絕緣體,但是在某種條件下會導電。
      對半導體的早期研究集中在硅上,但硅本身不能發射激光。1948年貝爾實驗室的William Schockley,Walter Brattain 和 John Bardeen 發明的晶體管。這一發明推動了對其它半導體裁的研究發展進程。它也為利用半導體中的發射激光奠定了概念性基礎。1952年,德國西門子公司的Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之間的元素合成的半導體對電子裝置有潛在的用途。其中之一,砷化鎵或GaAs,它在尋找一種有效的通訊激光中扮演了重要角色。對砷化鎵(GaAs)的研究涉及到三個方面的研究:高純度晶體的疊層成長的研究,對缺陷和摻雜劑(對一種純物質添加雜質,以改變其性能)的研究以及對熱化合物穩定性的影響的分析。有了這些研究成果,通用電器,IBM和麻省理工大學林肯實驗室的研究小組在1962年研制出砷化鎵(GaAs)激光發生器。
      但是有一個老問題始終懸而未決:過熱。使用單一半導體,(通常是GaAs)的激光發生器效率不是很高。它們仍需大量的電來激發激光作用,而在正常的室溫下,這些電很快就使它們過熱。只有脈沖操作才有可能避免過熱(脈沖操作:電路或設備在能源以脈沖方式提供時的工作方式),可是通過這種工作方式不能通訊傳輸。科學家們嘗試了各種方法來驅熱一例如把激光發生器放在其它好的熱導體材料上,但是都沒成功。然后在1963年,克羅拉多大學的Herbert Kroemer提出了一種不同的的方式--制造一個由半導體"三明治"組成的激光發生器,即把一個薄薄的活躍層嵌在兩條材料不同的板之間。把激光作用限制在薄的活躍層里只需要很少的電流,并會使熱輸出量保吃持在可控范圍之內。
      這樣一種激光發生器不是只靠象把奶酪夾在兩片面包那樣,簡單地塞進一個活躍層就能制造出來的。半導體晶體中的原子以點陣的方式排列,由電子組成化學鍵。要想制造出一個在兩個原子之間有必要電子鍵連接的多層半導體,這個裝置必須是由一元半導體單元組成,我們稱之為多層晶體。
      1967年,貝爾實驗室的研究員Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中幾個鋁原子代替一些鎵,一種稱為"摻雜"的過程--來創造一種合適的多層晶體的可能性的建議。這種修改型的化合物,AlGaAs, 的原子間隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人員提出,把AlGaAs種植在GaAs 薄層的任何一邊,它都會把所有的激光作用限制在GaAs層內。在他們面前,還要有幾年的工作,但是通向"不間斷狀態" 激光發生器-在室溫下仍能持續工作的微型半導體裝置-的大門已經敞開了。
      還有一個障礙:怎樣發射跨過長距離的光信號。長波無線電波可以很容易穿透濃霧和大雨,在空氣中自由傳播,但是短波激光會被空氣中的水蒸氣和其它顆粒反射回來,以至于不是被分散就是被 阻擋住。一個多霧的天氣會使 激光通訊聯絡終斷,因此光需要一個類似于電話線的導管。 


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