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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 N
2、ormale 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
3、温度下脉冲工作，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/In
4、P系激光器也达到实用化。 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, . . , ,。 。 。 。 。 。 。 。
5、 。,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) 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
6、,半导体激光器的阈值条件G = +（1/2L）ln1/R1R2 G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 - Temperature 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
7、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。,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
8、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,MBE MOCVD,MOCVD,Equipments for optical coating,应变自组装In0.4Ga0.6As/GaAs(311)
9、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
10、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,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
11、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,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
12、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-designed 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,
