激光技术第四章.ppt

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1、激光原理与技术第四章半导体激光器参考书：FUNDAMENTALSOFPHOTONICS第四章、半导体激光器1、半导体激光器原理2、半导体激光器的基本结构3、半导体激光器的特性4、几种典型半导体激光器件5、半导体激光器的耦合封装6、半导体激光器的几种典型应用半导体激光器的发明与发展国外概况国外概况半导体激光器的发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激光器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器基本理论概念的提出。1953年9月，美国的冯纽曼（JohnVonNeumann）在他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。EcsleNormaleSuperieu

2、re的PierreAigrain在布鲁塞尔的国际会议上，第一个公开发表了在半导体中得到相干光的观点。苏联列别捷夫研究所的Basov在1958年公开发表了在半导体中实现粒子数反转的理论论述，又于1961年公开发表了将载流子注入半导体PN结实现注入激光器的论述。1960年贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理腔面作光反馈的谐振腔。1961年伯纳德（Bernard）与度拉夫格（Duraffourg）推导出了半导体有源介质实现粒子数反转的条件。在上述理论的影响下，1962年，美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结GaAs半导体激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述同质结

3、构激光器经历5年的徘徊，1967年，用液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。由于半导体激光器的诸多突出优点，之后，半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、应用范围之广，是目前任何其他激光器所无法比拟的。随着半导体激光器性能的不断改进，新的半导体激光材料将激光的波段范围的拓宽，半导体激光器在许多方面得到应用。最早进入实用的是波长为0.830.85m。70年代末，在1.3um和1.55um得到损耗更小的单模光纤,长波长InGaAsP/InP系激光器也达到实用化。可见光半导体激光器受光信

4、息处理技术的需求推动，也在70年代开始开发。量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）技术的日渐成熟，可以生长出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，这种量子阱激光器与以前的体材料激光器相比，具有更优越的特性，如：阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大等。并且，通过生长应变量子阱，使得生长非晶格匹配的外延材料得以实现，拓宽了激光器波长范围。量子阱技术的发展，推动了大功率半导体激光器的发展1、半导体激光器原理半导体的能带结构.。导带禁带价带N型半导体中电子参加导电P型半导体中空穴参加导电.EF费米能级热激发过程当K0时载流子

5、的统计分布服从费米分布，热平衡条件下，一个电子占据一个能量为E的能级的几率为：T为绝对温度，K为玻耳兹曼常数，EF为费米能级。如果 E1/2当EFEKT(E)接近于1能级被电子填充如果 EEF则(E)hP区N区EF.。.EcEvEcEv(EF)n(EF)vh激活区半导体激光器工作原理F-P腔半导体激光器工作原里1.解理面为谐振腔反射镜2.腔镜典型反射率为百分之三十几3.谐振腔典型腔长为数百微米半导体激光器的阈值条件G=+（1/2L）ln1/R1R2G为增益系数，损耗系数，R1R2为腔的两个端面的反射系数。G=Nc(E)Nv(E-h)c(E)-v(E-h)Bcvhg()n/c半导体激光器的阈值性

6、质1、阈值电流极其测定2、激光器的阈值与温度相关3-TemperatureEffectsonLaserOpticalOutputPower2、半导体激光器的基本结构同质结异质结量子阱多量子阱应变量子阱npnpp+n+npp+.。.。.E能量。异质结砷化镓激光器半导体激光器的典型结构双异质结激光器工作原理多层对称介质波导半导体激光器的波导结构半导体激光器的波导结构强折射率波导弱折射率波导增益波导量子阱量子阱：中间层超薄（50nm)的三明治结构双异质结，并且中间层材料的禁带小于两边的材料。例如：GaAs/AlGaAs三明治结构量子阱，构成导带和价带方势阱，分别限制着电子和空穴。GaAsAlGaAs

7、AlGaAsAlGaAsAlGaAs导带导带价带价带10nm多量子阱和超晶格多量子阱(MQW)：由不同半导体材料交错构成的多层结构。超晶格(superlattice)：当相邻量子阱之间的势垒足够薄，电子可以隧穿这些势垒时，这些分立能级展宽成微带。这时MQW又称为超晶格。MQW可应用于激光器、光检测器，也可作为非线性元件。典型的MQW结构：包含100层厚度约为10nm（约40个原子层），总厚度约为1m。用MBE生长约花1小时。半导体激光器的模式半导体激光器模式与条宽近场花样远场花样技术难点技术难点1、薄膜材料的制备：多层薄膜的制备，薄膜组份的控制。2、结构外延材料的生长：量子阱或多量子阱结构材料

8、的外延生长是高性能器件的关键。3、器件工艺：作为器件基本工艺的平面工艺仍是难点之一，包括介质膜，钝化，欧姆接触，微细加工等。半导体激光器的制作设备和条件MBEMOCVDMOCVDEquipmentsforopticalcoating应变自组装In0.4Ga0.6As/GaAs(311)B量子点AFM照片实验室研制的激光分子束、离实验室研制的激光分子束、离子束外延系统（子束外延系统（LBE+IBEsystem）PulsedLaserDeposition(PLD)半导体材料的激射波段分布图转换效率高体积小寿命长，可达数十万小时输出波长范围广易调制；直接调制或电吸收发散角大，方向性不好3、半导体激光

9、器的特性4、几种典型的半导体激光器MQW多量子阱器件以谐振腔类型划分FP、DFB、VCSEL、外腔激光器以波长划分1550nm,1480nm,1310nm,980nm,850nm,808nm,670nm,650nm,633nm以及更短波长的半导体激光器a、通过复合腔选择单纵模b、由4个解理面组成复合腔进行纵模选择c、闪耀光栅外腔选模d、DFB分布反馈选纵模e、分布布拉格反射器选模FP腔半导体激光器的光谱多模同时振荡输出线宽大结理面作为谐振腔镜制作工艺简单造价较低多量子阱器件的典型特性曲线阈值低转换效率高工作电压低寿命长DFB激光器分布反馈激光器，由刻蚀的光栅，在激光传输方向上产生折射率周期变化

10、的光栅，其只对符合波长条件的光提供正反馈参数参数Parameter符符号号Symbol条件条件Condition最最 小小 值值Min.典典 型型 值值Typ.最最 大大 值值Max.单单 位位Unit波长波长CentralwavelengthpTc=25oCPo=5mW129013101330nm阈值电流阈值电流ThresholdcurrentIthTc=25oC-1020mA输出功率输出功率OutputpowerPoTc=25oC510-mW工作电压工作电压OperatingvoltageVoTc=25oCPo=5mW1.21.6V斜率效率斜率效率SlopeefficiencyTc=25o

11、C0.10.2-mw/mA谱线宽度谱线宽度SpectrallinewidthTc=25oCPo=5mW-0.3nm边模抑制比边模抑制比SidemodesuppressionratioSMSRTc=25oCPo=5mW-3040dB平行发散角平行发散角Beamdivergenceangle(parallel)Tc=25oCPo=5mW30deg垂直发散角垂直发散角Beamdivergenceangle(perpendicular)Tc=25oCPo=5mW40deg实用量子阱DFB激光器管芯技术参数举例额定极限值额定极限值(ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS)参数参数Parameter

12、条件条件Condition最小值最小值Min.最大值最大值Max.单位单位Unit正向电流正向电流ForwardcurrentTc=25oC-120mA反向电压反向电压RewardvoltageTc=25oC-2V工作温度工作温度Casetemperature-0+70储存温度储存温度StorageTemperature-40+85 制冷硅热敏电阻激光管芯光电二极管典型半导体激光器管芯和热沉的实际尺寸管芯烧焊在热沉上热沉表面蒸金管芯上面一个级用金线焊接，并连接电流输入接点下面一个极通过热沉接地。通信用半导体激光模块内部结构管芯通过金线与驱动源连接波长和功率的稳定靠控温实现输出激光通过光学系统耦

13、合入传输光纤TECPDLDLENSFIBER电吸收调制器集成多量子阱DFB激光器单纵模输出线宽窄可高速调制阈值电流低寿命长工作稳定输出光不对称与光纤耦合较难DFB激光器的光谱三区可变波长DBR激光器DistributedBraggReflector光栅在有源区以外，波长可变范围2-10nm可通过对DBR区和相位控制区注入电流的控制实现对激光振荡频率的调协。单纵摸输出阈值低1mA可高速调制输出光斑对称光纤耦合效率高可做成阵列VerticalCavitySurfaceEmittingLaser(VCSEL):面发光与边缘发光激光器FEATURES1550nmInGaAsP/InPMQW-DFBla

14、serdiode(LD)EntirelyfabricatedbyOMVPELowthresholdcurrentUncooledHermeticallysealedHighperformanceoverwidetemperaturerangePowermonitoring(InGaAshighspeedpinPD)AvailableinpigtailedmoduleswithFC/ST/SCAPCConnectorAPPLICATIONSSONETOC-3/OC-12/OC-24SDHSTM-1/STM-4/STM-8StablelightsourceInsertion/Returnlossm

15、eterCATV特点特点FEATURES全全MOCVD技术技术(EntirelyfabricatedbyMOCVD)低阈值电流低阈值电流(Lowthresholdcurrent)中等输出功率中等输出功率(Middleoutputpower)灵活的底座形式灵活的底座形式(customer-designedsubmountsorheatsinks应应用应应用(APPLICATIONS)光纤通信光纤通信(Opticacommunicationsystems)同轴激光源同轴激光源LampsourceofcoaxialLD光纤传感器光纤传感器Fiberopticalsensors有线电视有线电视Cabl

16、eTelevision仪表装置仪表装置Instrumentation两种外腔反馈半导体激光器两种外腔反馈半导体激光器Figure 1:Futureopticalnetworkscenario光纤通信的发展使光学耦合封装技术越来越重要5、半导体激光器的耦合封装Figure 5-LaserConstruction管芯必须经过耦合封装才能够成为可以实际应用的激光器最为复杂的是与光纤的耦合封装激光器发出的光发散角大，且不对称一般端面发光器件耦合效率不高耦合的光学设计机械设计及工艺稳定性和可靠性半导体激光器的输出光束Figure 3:Farfieldofanopticalfiberincompariso

17、ntothefieldofalaserdiodeThefar-fieldangleofthefiberisdefinedtoasmallvalueof11.5.Atypicallaserdiodeshowsdifferentvaluesforlateralandverticalaxesof20-to-30and30-to-40,respectively.Figure 4:Modefieldadaptationbyanopticallensorlenssystem半导体激光器到单模光纤的耦合效率2c光纤对光的接收性能一般用光纤的数值孔经来标志。数值孔经一般表示为：其中n0为空气折射率（n0=1）

18、，n1为纤芯折射率，n2为包层的折射率；C称为光纤的接收角，由（2）式可知它由光纤的内外层折射率决定。C愈大，光纤所能接收的光愈多，耦合效率就愈高。c1101、球面镜耦合同轴封装2、带隔离器非球面镜耦合同轴封装TECPDLDLENSFIBER蝶型和双列直插外壳的光纤耦合封装通过电子温控元件控制工作温度稳定激光波长和功率可以置入微波电路实现高码率工作光纤透镜直接耦合封装Figure 6:XandY-axis:2mtolerancefor0.5dBadditionalcouplinglossFigure 7:Z-axiswithhighertoleranceof8m拉锥光纤微透镜的调整容差Figu

19、re 8:Patentedfixationmechanismofthefiber-chipcouplingdevicewhichallowsacorrectablemechanicalfixingoftheSMFinfrontofaOEICwithin0.2m.Figure 9:Manipulatortoolforcombiningopticalmodules光纤微透镜球面镜导致波前畸变非球面镜补偿使波前不发生畸变激光焊接通常采用1）直接在光纤端面做成一个半球形，使它起到短焦距透镜的作用。2）在光纤端面和LD管芯端面之间放上凸透镜、自聚焦透镜或柱面透镜。3）在光纤端面和LD管芯端面之间放透镜组

20、等方法。这样一来可使耦合效率达到80%。Figure 11:(a)Standardizedoptoelectronicmodulefordouble-sidedfiber-chipcouplingwith2.5GHzbandwidth.(b)Photodiodemodulewithupto45GHzbandwidth.TO管和带尾纤器件光纤耦合封装以前耦合封装完成后自动焊接设备Figure 10:Searchalgorithmoftheautomatedcouplingprogram组件轴型号行程分辨率带动LD的调芯系统（5轴）XK201-20MS20mm0.05m/脉冲YXK251+60T5

21、0.0025/脉冲0.0020/脉冲YZK401-603600.004/脉冲带动套管的调节架Z1K102-6070mm0.05m/脉冲带动套圈的调节架Z2K101-20MS20mm0.05m/脉冲YAG光头和CCD摄像机XK101-201m/脉冲YK101-2020mmZ倾斜B54-60L50.1/游标工作台空气弹簧石质工作台大功率激光器多模光纤扁平封装扁平封装的优越性体积小、成本低、适合大批量生产工艺与散热状态分析无源光器件的光学耦合封装举例半导体激光器件半导体激光器封装形式C-Mount：TheC-mountisanopenpackagesuitablefordeviceswithupto

22、5Woutputpowerwithsuitableheatsinking.ThispackageistypicallyusedbyOEMswhowishtotakeadvantageofthepackagessmallsizeandtheabilitytoplaceobjectssuchaslensveryclosetothelaserfacet.Thedisadvantageofthispackageisthatthediodeisexposedandthereforesubjecttomechanicaldamage.Asaresultthevenderdoesnotwarranteeop

23、enpackages.TO56:TheTO56(5.6mm)packageisahermeticallysealedsteelpackagesuitableforlowpower(2Wdiode)orwhenalargetemperaturetuningrangeisdesired.大功率半导体激光器大功率半导体激光器一般有热导冷却和水冷却两种冷却方式，商用器件一般连续输出功率最高可达60W以上，准连续输出功率最高可达100W以上。6、半导体激光器的几种典型应用半导体激光器的应用半导体激光器的应用（1）光通信（2）激光存储（3）激光打印机（4）激光测量（5）激光医疗（6）激光光谱（7）原子与原

24、子核物理（8）量子频率标准（9）泵浦光源半导体激光器在光通信中的应用半导体激光器对国防科技、军事装备、光通信和国民经济起着非常重要的作用。到目前为止，光纤通讯领域也是半导体激光器应用的最大市场。1999年，通讯用半导体激光器占了总半导体激光器市场的68.7%。由于光纤传输损耗及色散系数在1.3um和1.55um最低。处于此波长的InGaAsP/InP半导体激光器得到广泛研究。InGaAsP/InP系半导体激光器，该系列半导体激光器激射波长在1.11.6um.。典型应用是通讯用半导体激光器光源，1.48um的激光器,用作掺铒光纤放大器泵浦源。光通信器件InGaAs/GaAs应变量子阱激光器，该材

25、料系的发射波长在890nm1100nm之间。典型的器件是980nm、900nm、1064nm。980nm和1480nm两种半导体激光器是掺铒光纤放大器的核心器件-泵浦源.掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无再生中继、接收机的前置放大等。808nm半导体激光器，用作固体激光器泵源，取代氙灯泵浦。由于半导体激光器泵浦固体激光器具有体积小、电磁兼容性好的特点，可广泛应用于机动武器测距。900nm半导体激光器，主要应用为半导体激光测距；半导体激光引信，半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器，激光近炸引信可准确地确定起爆点；半导体激光制导跟踪；半导体激光瞄准和告警等。1064nm半导体激光器，由于此波长半导体激光器与固体Nd：YAG激光器波长相同，在某些地方可取代或模拟其信号。在军事上可用于激光干扰机等。红光半导体激光器，目前最大的应用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD读写光头、条形码扫描是目前最大的市场。为提高光信息存储容量，需要更短的激光波长。蓝、绿光波段的半导体激光器，主要应用为全彩色显示和对潜通信。对海水来说，蓝绿激光是一个透明窗口，可以用这个波段的激光进行探测潜艇位置、对潜艇通讯等。上海光机所原子喷泉作业：1、推导半导体激光器的粒子数反转条件。2、简述DFB和DBR两种激光器的同异。