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：FUNDAMENTALS OF PHOTONICS,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 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（John Von Neumann）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。Ecsle Normale

2、 Superieure 的Pierre Aigrain 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

3、，毫无实用价值。上述同质结构激光器经历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1.55 um得到损耗更小的单模光纤,长波长InGaAsP/InP系激光器也达到实

4、用化。可见光半导体激光器受光信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

5、穴参加导电,.,EF费米能级,热激发过程,当K0 时,载流子的统计分布,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)1/2当 EEFKT(E)=e-(E-EF)/KT 即波尔兹曼分布,Fermi分布函数的图象,Ef是任何温度下能级占据几率为1/2的能级；也是绝对零度下被占据能级和空能级之间的分界线,本征半导体中的载流子密度,热平衡条件下，本征半导体中的电子和空穴总是成对产生：如果mc=mv，则Fermi能级恰好位于禁带的正中间,n型半导体中的载流子浓度

6、,施主能级ED略低于导带底，在常温下大多数施主电子热激发到了导带中,p型半导体中的载流子浓度,受主能级EA略高于价带顶使价带中产生更多的空穴,PN结的形成,N,P,N,P,直接禁带和间接禁带半导体,价带极大值和导带极小值对应同一k值的半导体称为直接禁带材料(GaAs)不是上述情况的称为间接禁带材料(Si)对于间接禁带材料，价带顶和导带底之间的跃迁要改变电子的动量直接禁带材料发光效率高,半导体的受激发射条件1、粒子数反转2、谐振腔存在，且腔内增益大于损耗在导带和价带中能级被电子占有的几率服从费米分布：c(E)=1/1+e（E-(EF)n）/KTv(E)=1/1+e（(E-h)-(EF)p）/KT

7、(EF)n为电子准费米能级(EF)p为空穴准费米能级可得到粒子数反转条件为（EF)n-(EF)p h,P区 N区,EF,.,.,。,。,.,.,Ec,Ev,Ec,Ev,(EF)n,(EF)v,h,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,解理面为谐振腔反射镜腔镜典型反射率为百分之三十几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)Bcv hg()n/c半导体激光器的阈值性质1、阈值电流极其测定2、激光器的阈值与温度相关3-Tempe

8、rature Effects on Laser Optical Output Power,2、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,n p,n p p+,n+n p p+,.,。,.,。,。,.,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。,

9、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 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的外延生长是高性能器件的关键。3、器件工艺：作为器件基

10、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,MBEMOCVD,MOCVD,Equipments for optical coating,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、离子束外延系统（LBE+IBE system）,Pulsed Laser Deposition(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

11、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的光栅，其只对符合波长条件的光提供正反馈,

12、实用量子阱DFB激光器管芯技术参数举例,额定极限值(ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS),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合入传输光纤,TEC,PD,LD,LENS,FIBER,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,

13、Distributed Bragg Reflector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,Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL):,面发光与边缘发光激光器,特点FEATURES,全MOCVD技术(Entirely fabricated by MOCVD),低阈值电流(Low threshold current)中等输出功率(Middle output power)灵活的底座形式(customer-d

14、esigned submounts or heatsinks,应应用(APPLICATIONS)光纤通信(Optica communication systems)同轴激光源Lamp source of coaxial LD,光纤传感器 Fiber optical sensors有线电视 Cable Television仪表装置 Instrumentation,两种外腔反馈半导体激光器,Figure 1:Future optical network scenario,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,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

15、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:Far field of an optical fiber in comparison to the field of a laser diodeThe far-field angle of the fiber is defined to a small value of 11.5.A typical laser diode shows different values for lateral and vertical axe

16、s of 20-to-30 and 30-to-40,respectively.,Figure 4:Mode field adaptation by an optical lens or lens system,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），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。,c,1,1,0,1、球面镜耦合同轴封装,2、带隔离器非球面镜耦合同轴封装,TEC,PD,LD,LE

17、NS,FIBER,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:X and Y-axis:2m tolerance for 0.5 dB additional coupling loss,Figure 7:Z-axis with higher tolerance of 8m,拉锥光纤微透镜的调整容差,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

18、镜或柱面透镜。3）在光纤端面和LD管芯端面之间放透镜组等方法。这样一来可使耦合效率达到80%。,Figure 11:(a)Standardized optoelectronic module for double-sided fiber-chip coupling with 2.5 GHz bandwidth.(b)Photodiode module with up to 45 GHz bandwidth.,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,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

19、封装举例,半导体激光器件,半导体激光器封装形式,C-Mount：The C-mount is an open package suitable for devices with up to 5W output power with suitable heatsinking.This package is typically used by OEMs who wish to take advantage of the packages small size and the ability to place objects such as lens very close to the laser

20、facet.The disadvantage of this package is that the diode is exposed and therefore subject to mechanical damage.As a result the vender does not warrantee open packages.,TO56:The TO56(5.6 mm)package is a hermetically sealed steel package suitable for low power(50mW)single mode devices,9MM:The 9MM pack

21、age is a sealed copper package suitable for devices up to 2W output power.This is an ideal low cost package for mid power applications where internal cooling is not required.This package is also well suited for high volume applications.,通信用激光器封装,BUTFT:The Butterfly(BUTF)package is an industry standa

22、rd 14 pin DIPpackage/It may be used with devices up to 1W with a standard TEC or up to 2W with a high performance TEC.This package is available in a hermetically sealed version.It is ideal for low power fibered applications where an internal TEC is required DIL:The Dual in Line package is an industr

23、y standard 14 pin package.This package is available in a hermetically sealed version.It is ideal for low power fibered applications where an internal TEC is required,TO3:The TO3 is an eight pin diamond base hermetically sealed package.It may be used with devices up to 5W without a TEC.The TO3 packag

24、e can include a standard TEC for 1W devices or a high performance TEC for 2W devices.,HHL:The HHL(High Heat Load)package is the largest standard package available.It is a hermetically sealed package approximately 1.5 square.The package is available with a standard TEC which will stabilize the temper

25、ature of a 5 W laser or with a high performance TEC(HPTEC)when a larger temperture tuning range is required.The HHL package is typically used when there is a large heat load(2W diode)or when a large temperature tuning range is desired.,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

26、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（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）原子与原子核物理（8）量子频率标准（9）泵浦光源,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1.1

27、1.6um.。典型应用是通讯用半导体激光器光源，1.48 um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

28、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。,