半导体激光器原理及应用课件.ppt

《半导体激光器原理及应用课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体激光器原理及应用课件.ppt（84页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、半导体激光器原理及应用,姓名：徐钦锋 学号：20164208084,半导体激光器工作原理,1,半导体激光器的主要性能,2,密集波分复用半导体激光器,3,半导体激光器的应用,4,目录,CONTENTS,自发辐射与受激辐射,（a）自发辐射： 特点：独立、杂乱无章的非相干光、寿命取决于半导体禁带宽度及复合中心密度等，一般为10-910-3 量级（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子 相同。（c）受激吸收：原子接收辐射能 从基态能级E1越入受激能级E2。 产生激光的必要条件：受激辐射占主导地位,自发辐射的特点,这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率

2、、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。,受激辐射,激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射,粒子数反转,在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数和统计权重。由于E2E1，T0，故N1N2 ，即高能态上的粒子总少于低能态上的

3、粒子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势。采用适当的激励，破坏热平衡状态，使高能态粒子数多于低能态粒子数，即为粒子束反转。半导体激光器通过光激励或正向PN结注入等，来实现载流子的粒子束反转。,谐振腔,为使发射光具有激光的特点，必须使其产生谐振。能使光产生共振的装置即为谐振腔。只有与轴线平行的辐射光子产生共振现象而被增强，不在这个方向上的将被反射出腔外。两相反方向的光波，只有叠加形成驻波时，才能形成稳定的振荡。驻波条件：纵模：共振腔内沿腔轴方向形成的各种可 能的驻波称为谐振腔的纵模,激光器稳定工作的条件,法布里-珀罗光学谐振腔,稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度E0保持不变，有：g为功率增益

4、系数，L为腔长，K=nw/c为平面波的波数，int为腔内总损耗率将等式两边的振幅和相位分别相等，得：,两个公式前者规定了增益和电流的最小值，后者规定激光器的振荡频率纵向模式，其与光学谐振腔有关,激光器稳定工作条件,激光器纵模分布及增益曲线,激光束的锁模：锁模技术就是采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系，即各纵模相邻频率间隔相等。在一般谐振腔内，处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围内的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射由许多纵模间隔为 C/2L 的谱线组成。这些模彼此互不相关地进行振荡，其相位随机地分布在一 到十 之间。其时域输出特征类似热噪声。但是，如果迫使振

5、荡模彼此之间的相位关系保持固定，那么激光输出将以完全确定的形式变化。此时，我们说激光是锁模或锁相的。锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。锁模的分类：主动锁模：周期性调制谐振腔的损耗或光程n被动锁模：利用可饱和吸收体的非线性吸收特性，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的自锁模：激活介质本身的非线性效应能够保持各个纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系同步泵浦锁模：周期性调制谐振腔的增益,半导体激光器的模谱,半导体激光器在不同工作电流下的模谱,观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移,半导体激光器的特性,转换效率高：70%。体积小：1mm3寿命长，可达数十万小时 输出波长范围广：0.6-1

6、.1um，23um。易调制：直接调制缺点：发散角大，光束质量差。,阈值特性,阈值是所有激光器的属性，标志着增益与损耗的平衡点。阈值常用电流密度Jth或者电流I表示。 影响激光器阈值特性的主要因素： 1）器件结构 2）有源区材料 3）器件工作温度有源区材料的影响：有源区的材料必须选用直接带隙材料，材料的组分变化将会引起直接带隙和间接带隙跃迁的比率发生变化，从而改变辐射频率的波长。 故：可通过薄膜生长工艺获得不同的有缘材料,温度的影响,温度变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅度因 材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：Jth（T）和Jth（Tr）分别为在某一温度T和室温T

7、r下所测得阈值电流密度，T0是一个由实验拟合的参数，称为特征温度。容易看出，当 时，阈值电流将不随温度变化，故提高T0是一个重要的研究内容。阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素： 1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的 内部损耗 3）热载流子的泄露,半导体激光器的效率,描述激光器电子-光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。 分别用功率效率和外微分量子效率描述。 1）功率效率,外微分量子效率,外微分量子效率定义为输出光子数随注入的电子数增加的比率， 考虑到hv=Eg=eVb,有 而其中的 定义为斜率效率： 在实际测量中， 由下式得出,半导体激

8、光器的空间模式,分为空间模和纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某处的光强分布，亦称为远场分布。有横模和侧模之分。纵模是一种频谱，表示所发射的光束功率在不同频率分量上的分布。,半导体激光器横模与侧模,有多侧模的半导体激光器的近场和远场,纵模谱的影响因素,可见，若要选频，就要控制温度，要稳定功率输出，也要选择恒温控制,半导体激光器的光束发散角,理想的高斯场分布,半导体激光器的远场并非严格的高斯光束，有较大的且在横向和侧向不对称光束发散角。由于半导体激光器有缘层较薄，因而在横向有较大的发散角,式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度；n1为限制层的折射率；为激射波长,半导体激光器

9、的光束发散角,显然，当d很小时，可忽略上式分母中的第二项，有 可见，随d的增加而增加,半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系,解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直,高斯光速的准直,利用自聚焦透镜准直半导体激光束,激光器的单纵模工作条件,第q阶模与主模功率之比为：要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使激光器单模工作。以（P1/P0）0.05作为激光器单模工作的判据，由边模抑制比可以得出，激光器单纵模工作时，应使P0超过P1sat至少12.8dB。,半导体激光器的线宽,表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处 的全宽。

10、一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm左右，在阈值以上 的谱线宽度大约在23nm或更小。半导体激光器的线宽比其他类型的激光器宽很多，主要有以下原因： 1）LD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q值低； 2）有源区内载流子密度的变化引起折射率变化，增加了激光输出 相位的随机起伏,半导体激光器的线宽,上面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响,半导体激光器的动态特性,半导体激光器有别于其它激光器的最重要特点之一在于它有被交变信号直接调制的能力，这在信息技术中具有重要的意义。与工作在直流状况的半导体激光器不同，在直接高速调制情况下会出现一些有害的效应，成为限制半导体激光器调制带

11、宽能力的主要因素。一、张弛振荡与类谐振现象 数字信息（以0或1编码）直接调制的半导体激光器，如果电流突然上升到 高电平，在电流脉冲前沿与被其激励的光之间会有一个时延，所产出的光需经一个张弛过程才能达到稳态。,半导体激光器的动态特性,由电子与光子相互作用的动力学过程所产生的时延，可通过求解他们的速率方程得到： 式中，th为在阈值处的载流子寿命（一般为25ns）。显然，在高速调制下，td将产生调制畸变。减少td最简单的方法是在激光器上再加上一个接近阈值电流Ith的偏流Ib，这时有这使这个过度过程开始的突变幅度减小。但是，如果偏置到阈值或阈值以上，消光比减小，导致接收机灵敏度降低。故在低速调制下，一

12、般偏置到0.94Ith左右。,半导体激光器的动态特性,半导体激光器的动态特性,加于半导体激光器上的调制电流会引起谐振现象，调制频率达到某一值时出现谐振峰，这使调制频率的提高受到限制。,归一化输出与调制频率的关系,半导体激光器的动态特性,张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率，为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制多纵模的出现。2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡周期的0.20.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用外部LCR滤波电路来分流高频分量

13、，进而抑制类谐振现象。3）窄条半导体激光器。条宽减窄能减少载流子扩散的影响，稳定横模，也能抑制张弛振荡和类谐振现象。,寄生电容和电感,半导体激光器等效电路,图中是一个型低通滤波LCR电路与LD的等效电路并联。其中C1和rs分别是半导体激光器的寄生电容（1pF）和串联电阻（一般为数欧姆，在正向偏置下有源区的电阻1欧姆），L1为引线电感Cs为旁路电容，选择并控制Cs和L1可明显抑制类谐振现象。,半导体激光器的热特性,引发机制：在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使外微分量子效率只能达到2030，意味着相当部分注入的电功率转换为了热量，引起激光器的升温

14、。这会导致LD的阈值电流增大、发射波长红移、模式不稳定、增加内部缺陷，严重影响器件的寿命。解决办法： 1）加风扇或者冷水循环降温； 2）使用帕尔贴半导体制冷器。,半导体激光器的可靠性,半导体激光器都有工作寿命，工作寿命有两种定义方式： 1）激光器在额定工作电流下连续工作，当其输出功率下降到初始值一半所 经历的时间。（恒流） 2）激光器在额定功率下连续工作，当其阈值电流比初始值升高一倍所经历 的时间。（恒功率）上述两种方式下激光器寿命的延续过程是一种性能退化过程，最终导致其失效。造成激光器退化有多种原因，有环境因素，人为的因素，根本原因还是激光器本身内部的因素。,二、半导体激光器,1962年，美

15、国，同质结GaAs半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。1967年，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。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。70年代以后。量子阱技术、MBE、MOCVD新型外延技术-量子阱激光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。,3.1 同质结半导体中的光增益,激光二极管采用注入电流直接驱动。pn结加正向电压，空穴将会向n型区移动，电子向p型区移动。在pn结处，电子和空学复合，产生光电子。注入的电荷密度10181019cm-3，产生的光子就会大于损

16、失的光子。,早期激光二极管采用的是GaAs同质结结构。有源层的厚度由扩散长度决定，一般为2m。,异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，提高效率。一.异质结激光器的结构A.单异质结激光器与双异质结激光器（从材料）GaAs材料与GaAl材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成，叫作砷镓铝晶体，1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。,异质结半导体激光器,B.反型异质结与同型异质结（从导电类型）反型：如n-GaAs与p-GaAlAs or p-GaAs与n-GaAlAs 同型：如p-GaAs与p-GaA

17、lAs or n-GaAs与n-GaAlAs,单异质结的能带图,双异质结激光器的能带结构,垂直波导结构,垂直结构，也就是外延层结构，包括光波导和采用量子阱的PN结。波导的设计利用了折射率n随禁带宽度变化这一特点（禁带宽度增加折射率降低）。QW被镶嵌在高折射率材料的核心区，盖层的折射率比核心区要低。,AlAs： 折射率为2.9，禁带宽度2.9eV。GaAs：折射率为3.5，禁带宽度1.4eV。,分别限制异质结（SCH）,异质结激光器的优点,与同质结激光器相比，异质结激光器具有以下优点： 1）阈值电流低，同时阈值电流随温度的变化小； 2）由于界面处的折射率差异，光子被限制在作用区内； 3）能实现室

18、温下的连续振荡。异质结激光器的主要改进方向： 1）进一步降低阈值电流密度和提高效率 2）拓展异质结激光器的光谱波段,分布反馈式（DFB）半导体激光器,与其他的激光器最大的差异，在于谐振腔内的光反馈是利用周期结构的布拉格反射建立的，而不再用解离面来做光反馈，它有如下优点： 1）符合集成光路中将调制器、开关、光波导和光源等制作在一块单片上的要 求； 2）易于获得单模单频率的输出，容易与光纤及调制器耦合。,DFB的工作原理,光栅方程当=90o时，变为其中n为有源区内的光波长激活层内的厚度被周期性调制 0 由布拉格条件给出q为纵模指数，波纹结构的作用是使介质的折射率n和增益系数g做周期性变化：根据电动

19、力学原理，最后可以导出共振频率、阈值增益、振幅分布和模式花样等一系列特征,DFB激光器的结构形式和工作特性,有图为典型的GaAs-GaAlAs DFB激光器，其周期为341.6nm，光栅深度为90nm左右，做成条形结构，条宽50m，有源区厚1.3m，L=630m。图b示出了在T=82K时，采用50ns脉冲测得的单纵模发射光谱，阈值电流密度Jth=9kA/cm2，阈值工作电流为2.6A，峰值发光光谱为811.2nm处，谱线宽为0.03nm，波长随温度的变化为0.05nm/K。,分布布拉格反射式激光器,DBF激光器中的波纹光栅克制在激活区上，使光损耗增大，器件发光效率低，工作寿命短，通常只能以脉冲

20、方式工作。DBR激光器改进了这种不足，它将激活区与波纹光栅分开，减小损耗，增加发光效率，实现室温下连续工作。,Thank you!,半导体激光器光纤耦合技术,1,光纤通信用半导体激光器,2,半导体激光器的类型,3,高功率半导体激光器,4,目录,CONTENTS,半导体激光器光纤耦合技术,一种新型的封装形式改善光束质量便于应用光纤耦合器件的优点体积小、重量轻、亮度高等；可绕性好、孔径小、损耗低及改善光场分布。应用领域通讯、医疗、材料处理、泵浦固体激光器、激光测距、激光制导、激光夜视等。,LD外形和内部组件,半导体激光器实用组件,激光器组件是指在一个紧密结构中（如管壳中），除激光二极管（LD）芯片

21、外，还配置其他原件和实现LD工作必要的少量电路块的集成器件。主要包括：1）光隔离器：其作用是防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输。位于LD的输出光路上；2）监视光电二极管（PD）：其作用是监视LD的输出功率变化，通常用于自动功率控制。位于LD背出光面；3）尾纤和连接器；4）LD的驱动电路（包括电源和LD芯片之间的阻抗匹配电路）；5）热敏电阻：其作用是测量组件内的温度；6）热电制冷器（TEC）：一种半导体热电元件，通过改变外部工作电流的极性达到加热和冷却的目的；7）其他准直激光器输出场的透镜、光纤耦合器及固定光纤的支架等。,光纤耦合技术,根据光束的数量的不同分为:单光束耦合、多光束耦合单光束

22、耦合系统可以分为两类：直接耦合、间接耦合,高功率的半导体激光器阵列具有大面阵、大发散角、大像散的特点，这成为其应用的瓶颈。半导体激光器的全固态激光器的端面、光纤激光器以及要求较高的侧面抽运都要求对半导体激光器阵列光束进行整形。最主要的整形方法是把半导体激光器阵列的光束耦合到光纤，从另一端输出。,直接耦合,（1）LD与多模光纤的直接耦合,(a) 平行于pn结平面,(b) 垂直于pn结平面,直接耦合示意图,耦合效率理论计算曲线,影响耦合效率的因素：调整精度、光纤端面的加工精度等工艺因素。激光器的近场宽度，光纤的数值孔径。在发光区不变的情况下，光纤数值孔径的减小耦合效率迅速降低。大功率LD在垂直于p

23、n方向的近场宽度很小，因此LD与多模光纤的直接耦合效率较低。,光纤微透镜直接耦合,采用一定加工工艺把光纤端面制作成一定大小和形状的微透镜，直接对向大功率半导体激光器的发光面，使半导体激光器的光束高效耦合进光纤中。常用的光纤微透镜形式有半球形、圆锥形、锥端球面形、椭双曲面形、楔形等。特点：光纤微透镜的尺寸不大于光纤直径，相比分立微光学元件构成的光学耦合系统，光纤微透镜直接耦合有着灵活方便，易于集成封装，制作效率高等优点。广泛应用于光纤与光源、放大器、DWDM模块、泵浦光源等耦合中。,间接耦合,由分立微光学元件构成的光学耦合系统：球透镜柱透镜自聚焦透镜双曲面透镜组合透镜特点是可以最大限度地降低反射

24、损耗、消除像差的影响、改善光束非圆对称性，实现高效率的耦合。,微柱透镜的光纤耦合,利用圆柱微透镜对半导体激光器光束进行准直或聚焦提高光纤耦合效率通常采用一段大数值孔径的光纤代替圆柱微透镜，制作简单、成本低廉。,利用圆柱透镜光纤耦合原理示意图,自聚焦透镜光纤耦合,自聚焦透镜Grin Lens：又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和成像功能,利用自聚焦透镜光纤耦合原理示意图,双曲面微透镜的光纤耦合,为了提高耦合效率不仅需要对LD输出光束快轴方向进行聚焦准直，有时还需要对慢轴方向准直聚焦。一种具有双曲率半径结构的微透镜，可对半导体激光器输出光束的快轴和慢轴同时

25、聚焦，并与多模光纤耦合。,双曲面透镜结构示意图,双曲面透镜耦合原理,（4）组合透镜光纤耦合,利用组合透镜光纤耦合示意图,各种耦合方法的比较,自聚焦透镜和圆柱透镜结构最简单、调整方便，但耦合效率相对比较低；组合透镜方法效率比较高，但结构复杂，调整比较困难。双曲面透镜法，结构简单调整方便，耦合效率高。其缺点是双曲面透镜制作比较困难，成本高。,基于激光二极管列阵的多光束耦合,由于激光二极管列阵上的发光单元本身发光区几何尺寸的不对称，并且在平行pn结方向上集成了数十个发光单元，激光二极管列阵的输出光束在垂直pn结方向(快轴方向)的光束质量因子和平行pn结方向(慢轴方向)的光束质量因子相差很大。因此，必

26、须采用光束整形技术对光束进行对称化处理。光纤列阵耦合方法微光学系统耦合方法,（1）光纤列阵耦合方法,光纤列阵耦合方法是通过微光学系统将激光器列阵各发光单元与数目相同的光纤列阵一一对准、耦合，在光纤另一端集束输出。,这种方法在大功率时需采用一大捆光纤束而光亮度并不大，也难以对该光束进行进一步的整形来提高光亮度。而半导体激光器抽运的全固态激光器抽运光的关键参数是光能量密度，因此该方法已趋于淘汰。,特 点,光纤列阵耦合方式中，光纤列阵需要精密排列，排列周期应等于激光二极管列阵的单元周期，因此需要加工特殊设计的精密V形槽或U形槽列阵，用以排列固定光纤列阵。 优点：耦合光纤系统相对简单，成本低。缺点：光

27、纤束直径较大，功率密度较低。,（2）微光学系统耦合方法,微光学系统耦合方法是通过微光学系统(微透镜、微棱镜列阵等)对光束进行整形、变换，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。,光束亮度,光纤耦合输出激光光束的主要参数是光纤芯径和数值孔径。对于一定功率的光纤耦合半导体激光器，这两个参数直接决定了光束的亮度式中NA为光纤数值孔径；为光纤的芯径，p为光纤的输出功率，u为光学系统物方的孔径角。为了得到高亮度光纤，可提高输出功率或减小光纤的数值孔径和光纤芯径。由于亮度和芯径、数值孔径的二次方成反比，因此后者对提高光纤的亮度更为有效。,正交微透镜阵列对半导体激光器阵列光束的准直,快轴方向准直光束发散角计算

28、 快轴方向光束为高斯光束，其传播满足高斯光束传播规律。 用单透镜准直高斯光束口为待准直光束的远场发散角，为通过准直透镜后的远场发散角，f为高斯光束的瑞利长度(即共焦参数)，F为准直透镜的焦距。,快轴方向较大发散角的特殊性，使得常规单球面透镜不能较好地校正球差，为了校正球差而又不至于增加过多的透镜片数，非球面透镜无疑是较为理想的。等光程方程：,得到二次双曲线柱面方程。,线阵慢轴方向的准直,慢轴方向由于发散角较小，因此采用常规的圆柱面、椭圆柱面、抛物线或双曲线柱面透镜对其进行准直，其产生的误差很小。这四种面形相差不大，采用任意二次曲面面形柱面透镜，均可对慢轴方向的光束进行准直。（口径为0.5 mm

29、，焦距为2.5 mm的圆、椭圆、抛物线、双曲线柱面透镜的面形比较）。,相同口径和焦距，不同面形准直慢轴透镜面形比较,光束的聚焦及与光纤的耦合,为了高效地将准直准平行光束耦合进入多模光纤，需采用一个高质量的聚焦耦合透镜，一般宜采用双胶合透镜将微透镜准直的准平行光束聚焦耦合进一定参数的光纤。满足要求：1.透镜的口径大于输入光束的口径 2.透镜的像方数值孔径小于光纤的数值孔径 3.聚焦光斑应小于光纤的芯径设为准直光束发散角，d为准直光束直径，那 么透镜的口径D和焦距f的选择需满足以下条件,常用耦合方法与特点,微透镜阵列耦合 微棱镜列阵耦合 阶梯式微型反射镜耦合,这些方法通过微透镜、微棱镜列阵等，对光

30、束进行整形、变换，将列阵器件中各发光单元的输出光束变换为平行光束，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。然而，像微棱镜、微阶梯平面镜等光学系统的调试都比较复杂，实际应用比较困难。,光纤通信用半导体激光器,半导体激光器是光纤通信用的主要光源。由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。几种典型的光纤通信用半导体激光器件：法布里-珀罗激光器、分布反馈半导体激光器、电吸收型调制器集成光源、波长可选择光源、垂直腔面发射激光器光纤通信系统必须满足的信息传输要求有： 1）对于干线通信系统，必须满足长距离、高速率、大容量 2）对于服务于千家万户的接入网络， 在成本尽可能低的情况

31、下， 需要足够 的接入带宽 3）对于中心城市，信息产生和传输最密集，但是对传输距离的要求不高 4）目前的光通信大多还是点对点的传输，要进一步提高信息传输容量， 需 要基于各种光电子器件的全光通信网络,光纤通信用半导体激光器,法布里-珀罗激光器 目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。普遍采用双异质结 多量子阱有源层、载流子与光分别限制的结构。 缺点：不能实现高速调制，适用于调制速率小于622Mbit/s的光纤通信系统 优点：结构及工艺简单，成本低,光纤通信用半导体激光器,分布反馈半导体激光器 普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD),在高速调制状态下会发生多模工作现象,从而

32、限制传输速率。在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，利用其选频原理，可以实现单纵模工作。 两种反馈方式： 1）折射率耦合：是折射率周期性变化引起的布拉格反射双模激射。 2）增益耦合：是增益周期性变化引起的分布反馈单模激射。直接调制DFB-LD最大优点：高速调制下仍能 保持动态单模。,光纤通信用半导体激光器,DFB-LD/电吸收型调制器集成光源外调制器结构：干涉型:基于多量子阱材料电光效应的Mach-Zehdner调制器。对工作波长不敏感，啁啾可调。 缺点：制作困难， 器件尺寸较大电吸收型:利用量子限制Stark 效应的电吸收（EA）型调制器。驱动电压低，器件尺寸小，啁啾可控，制作工艺简单,注入

33、载流子与光子共振相互作用,限制,激光器工作速率,频率啁啾,不满足,高速长距离传输,组合DFB-LD和外调制器,波长可选择光源,波长可选择光源背景：密集波分复用（DWDM）技术要求光源具有较大的可调谐范围。普通的DFB-LD可调谐波长范围较小，为2nm。波长调谐基本原理：基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度，注入电流，机械控制等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。三电极DBR-LD：3个电极分别对DBR-LD 的增益区，相移区和选模光栅注入电流， 其中增益区提供增益。光栅区选择纵模， 而相移区用来调节相位。,三电级DBR-LD结构示意图,垂直腔面发射激光器,边发射激光器只能进行

34、一维集成，垂直腔面发射激光器（VCSEL）能够实现二维集成。优点：有源区体积极小从而具有极低阈值电流，采用DBR结构，从而能动态单模工作，寿命长，光束质量好缺点：基横模输出功率不高，散热困难，极化控制困难及在长波长方面表现不理想。,VCSEL的典型示意图,密集波分复用（DWDM）的光源关键技术,红外部分光通过光纤时的衰减特性图,DWDM 系统容量的大小，取决于光源的通道数和每路光源的传输速度。激光在光纤中可用波长范围实际上很窄，故要求DWDM各个通道的波长间隔变小。DWDM光源不仅线宽要窄，而且波长控制精度和稳定性也要高。850nm窗口：制造成本低存在多模传输和高损耗传输问题，致使系统复杂性增

35、加，而且目前国际上尚无标准支持工作在这一波长区的元器件。传统的EDFA 只能在1550nm 窗口附近提供30nm 左右的平坦增益带宽，即便是使用基于掺铒光纤的双带光纤放大器DBFA，其带宽也只能覆盖1528nm1610nm 大约80nm 的范围。,LD 的温度控制技术,DWDM 光源是主干网通信的主要设备，通常需要长期连续工作数年以上，如何保证光源的长期工作稳定是DWDM 光源设计的关键技术。其中，温度是影响LD 稳定工作的一个最重要的因素。LD 主要采用以下几种温度控制技术：1）半导体制冷器的脉宽（PWM）驱动技术 最大缺点：电力电子器件会产生很强 电磁干扰，从而产生大量噪声。 2）半导体制

36、冷器的线性驱动技术 3）热敏电阻的线性化技术 4）双热敏电阻控制技术,基于半导体制冷器的PWM 温度控制系统,LD 的波长漂移检测技术,LD 的输出波长特性是决定DWDM 光源通道数量和DWDM 系统传输 质量的一个最重要指标。LD 的波长输出特性有线宽、中心波长等， 其中中心波长的漂移检测是LD 控制过程中的关键技术。 1）光纤光栅波长检测 2）阵列波导光栅波长检测 3）标准具检测法 4）有源区电压检测法,光纤光栅波长检测系统,LD 的建模技术,LD 的特性包括发射光功率与注入电流的关系（P-I）曲线、伏安特性V-I 曲线、瞬态响应、小信号频率响应及非线性等。这些特性直接影响系统性能的好坏。

37、1）直流特性：一般情况下，P-I 曲线的非线性可以通过一个二阶多项式来描 述，即：2）速率方程模型分析法：将速率方程按照一定的条件进行简化或者将其中的元素表征为由线性电路元件组成的等效电路模型。国内外学者先后提出过本征小信号等效电路模型、用于LD 动态调制模拟分析的大信号电路模型、小信号微波电路模型等。优点就是能够借助现有的电路仿真工具进行模型分析。3）速率方程数值分析法：利用速率方程直接求解的方法来获得小信号 调制特性和大信号瞬态响应以及谐波失真和交调失真的闭合表达式,高功率半导体激光器,半导体激光器以其输出功率、转化效率、可靠性和制造工艺的提高以及成本的降低，被广泛地应用于工业、制造业、军

38、事、航空和显示等各个领域。近年来对于高功率和高性能的半导体激光器的需求也与日俱增，功率扩展已成为高性能半导体激光器发展的一个趋势。将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器靶条，将多个靶条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。高功率和高光束质量已成为高可靠性半导体激光器发展的两大方向和两个基本要求。,线阵激光二极管和面阵激光二极管,高功率半导体激光器,高功率高亮度的激光输出在国防、工业加工等领域有着迫切的应用需求以及广阔的应用前景，如何在提高功率的同时抑制光束质量的劣化，也一直是激光技术的一个重要研究

39、方向。为了追求更高的加工效率与更大的利润空间，工业加工用大功率激光器必然会向更高功率、更高光束质量以及功能多样化等方向发展。工业加工用大功率激光器经历了大功率CO2激光器、大功率固体YAG激光器后，目前正在朝着以半导体激光器为基础的光纤激光器和直接半导体激光器的方向发展。,2008年-2009年工业加工激光器分布,高功率半导体激光器,2012年美国Fabtech展会上，TeraDiode公司展出了两款光纤输出半导体激光器。这款激光器在高功率的同时兼具高光束质量，这一技术颠覆业界对半导体激光器的观点，引领整个激光技术行业的新方向。,波长合束技术,该公司采用的是美国麻省理工学院(Massachus

40、etts Institute of Technology， MIT)林肯实验室Chann等人研究的波长合成技术。不同波长的光经变换透镜准直后，以特定的角度入射衍射光栅，利用光栅的色散特性，使得不同波长的入射光沿同一方向出射。,半导体激光器的波长合束,光束合成技术,在薄金属的切割中，光纤激光器以其高光束质量、三维加工能力以及低维护成本而占有一席之地。在半导体以及微加工行业，光纤激光器更具优势。目前，商品化的光纤激光器功率处于千瓦级别。并且对于单根光纤输出上千瓦的功率，光纤的产热、激光损伤以及诸如受激布里渊散射等非线性效应变得尤为突出，并会随着光纤长度的增加而加剧，严重限制了光纤激光器输出功率的继

41、续提高。解决该问题的一种办法便是光束合成。光纤激光器的光束合成方法： 1）相干合束：控制光的相位，对相位控制元件的稳定性与精度要求极高，而 且随着功率的提高，产生的热也会对系统稳定性以及波前造成不利影响 2）偏振合束：需要偏振光 3）波长合束：对各光束的相位、偏振态等没有特殊要求，而合成光束的功率与频谱均是原光束的简单叠加。简单，实用。,波长合束技术,基于VBG的多路光纤激光输出波长合成,UCF的Sevian等人将5束光纤激光输出通过4块反射型体Bragg光栅进行波长合成，如图 4所示，得到750W的近衍射极限合成光束，合成效率达到93%。这种应用于光纤激光的合束方案，其主要的关键器件就是体Bragg光栅（VBG），这种方案也适合于高能高功率固体激光的合束,Thank you!,