半導(dǎo)體激光發(fā)生器技術(shù)及發(fā)展歷程

晶體管利用一種稱為半導(dǎo)體的材料的特殊性能。電流由運(yùn)動(dòng)的電子承載。普通的金屬，如銅是電的好導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兊碾娮記]有緊密的和原子核相連，很容易被 一個(gè)正電荷吸引。其它的物體，例如橡膠，是絕緣體--電的不良導(dǎo)體--因?yàn)樗鼈兊碾娮硬荒茏杂蛇\(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)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(huì)導(dǎo)電。

對半導(dǎo)體的早期研究集中在硅上，但硅本身不能發(fā)射激光。1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室的William Schockley，Walter Brattain 和 John Bardeen 發(fā)明的晶體管。這一發(fā)明推動(dòng)了對其它半導(dǎo)體裁的研究發(fā)展進(jìn)程。它也為利用半導(dǎo)體中的發(fā)射激光奠定了概念性基穿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(dǎo)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(gè)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(zhì)添加雜質(zhì)，以改變其性能）的研究以及對熱化合物穩(wěn)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(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室的研究小組在1962年研制出砷化鎵（GaAs）激光發(fā)生器。

但是有一個(gè)老問題始終懸而未決：過熱。使用單一半導(dǎo)體，（通常是GaAs）的激光發(fā)生器效率不是很高。它們?nèi)孕璐罅康碾妬砑ぐl(fā)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(shè)備在能源以脈沖方式提供時(shí)的工作方式），可是通過這種工作方式不能通訊傳輸?？茖W(xué)家們嘗試了各種方法來驅(qū)熱一例如把激光發(fā)生器放在其它好的熱導(dǎo)體材料上，但是都沒成功。然后在1963年，克羅拉多大學(xué)的Herbert Kroemer提出了一種不同的的方式--制造一個(gè)由半導(dǎo)體三明治組成的激光發(fā)生器，即把一個(gè)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(huì)使熱輸出量保吃持在可控范圍之內(nèi)。

這樣一種激光發(fā)生器不是只靠象把奶酪夾在兩片面包那樣，簡單地塞進(jìn)一個(gè)活躍層就能制造出來的。半導(dǎo)體晶體中的原子以點(diǎn)陣的方式排列，由電子組成化學(xué)鍵。要想制造出一個(gè)在兩個(gè)原子之間有必要電子鍵連接的多層半導(dǎo)體，這個(gè)裝置必須是由一元半導(dǎo)體單元組成，我們稱之為多層晶體。

1967年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中幾個(gè)鋁原子代替一些鎵，一種稱為摻雜的過程--來創(chuàng)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(huì)把所有的激光作用限制在GaAs層內(nèi)。在他們面前，還要有幾年的工作，但是通向不間斷狀態(tài) 激光發(fā)生器-在室溫下仍能持續(xù)工作的微型半導(dǎo)體裝置-的大門已經(jīng)敞開了。

還有一個(gè)障礙：怎樣發(fā)射跨過長距離的光信號(hào)。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(huì)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 阻擋磚一個(gè)多霧的天氣會(huì)使 激光通訊聯(lián)絡(luò)終斷，因此光需要一個(gè)類似于電話線的導(dǎo)管。