(激光器件课件)第三章 典型的半导体激光器

(激光器件课件）第三章典型的半导体激光器(激光器件课件）第三章典型的半导体激光器1（一）同质结半导体激光器p型半导体和n型半导体材料都是GaAs,所形成的p-n结为同质结(HOS)

加上正向偏压时，电子向p-n结注入，并在偏向p区一侧的激活区内复合辐射;当正向偏压较大时，考虑到空穴注入，激活区变宽。激活区的折射率略高于p区和n区，“光波导效应”不明显，光波在激活区内传播时，有严重的衍射损失。（一）同质结半导体激光器p型半导体和n型半导体材2

同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x104～5104A/cm2，这样高的电流密度，将使器件发热。

同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能低重复率（几kHz～几十kHz)脉冲工作。同质结激光器几乎无法实用化，结构需改进！同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x3（二）异质结半导体激光器一、单异质结半导体激光器(SHL）

单异质结是由p-GaAs与p-GaAlAs形成的。施加正向偏压时，电子由n区注入p-GaAs。由于异质结高势垒的限制，激活区厚度d2m；因p-GaAlAs折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。阈值电流密度降低了1～2个数量级，约8000A/cm2。窄带隙有源材料被夹在宽带隙的材料之间形成（二）异质结半导体激光器一、单异质结半导体激光器(SHL）4二、双异质结半导体激光器(DHL）

施加正向偏压时,激活区内注入的电子和空穴。由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d=0.5m。

由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应非常显著，使光波传输损耗大大减小。阈值电流密度更低，可降到(102一103)A/cm2。当采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作激光器时，阈值电流密度下降到几A/cm2。目前，这种激光器已成为极为重要的、实用化的相干光源。二、双异质结半导体激光器(DHL）施加正向偏压时,激活区5正向偏置时双异质结与同质结载流子分布的对比6中间的窄带隙层对载流子形成了很好的限制作用正向偏置的同质结正向偏置的双异质结窄带隙层一般还具有比较高的折射率，光波导效应明显正向偏置时双异质结与同质结载流子分布的对比6中间的窄带隙层对6（三）分布反馈（DFB）激光器动态单纵模激光器：在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。分布反馈半导体激光器：在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期光栅构成的。光栅结构制作在限制层中（三）分布反馈（DFB）激光器动态单纵模激光器：在高速调制7DFB激光器与普通激光器的对比DFB激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的1/10左右色散的影响大为降低，可以实现速率为10Gb/s的超高速传输DFB激光器与普通激光器的对比DFB激光器的光谱宽度大约为普8分布反馈半导体激光器

分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。

分布反馈激光器的要求：（1）谱线宽度更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4）阈值电流更低（5）输出光功率更大分布反馈半导体激光器9

图3.13分布反馈(DFB)激光器

(a)结构；(b)光反馈图3.13分布反馈(DFB)激光器10

如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。

光栅周期Λ=m(3.10)ne为材料有效折射率，λB为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为(3.11)如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹11DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：①易形成单纵模振荡；②谱线窄，方向性好；③高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；④输出线性度好。DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：12（四）垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical-cavitysurface-emittinglaser）谐振腔的腔镜由折射率不同的物质层交错堆积而成从垂直于半导体薄片的方向发射激光，使激光束的截面成为圆形，减小了激光束的发散角，克服了原来从半导体侧面发光的缺点。能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅1mA。表面发射半导体激光器（四）垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔面发射激光器（VCSE13与边缘发射半导体激光器阵的差别：制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很小，最小可到1m,而每一个边缘发射半导体激光器最小也有50m.边缘发射半导体激光器表面发射半导体激光器与边缘发射半导体激光器阵的差别：边缘发射半导体激光器表面发射14半导体激光器的光束整形

1.直接光束整形LDL160-2000/f=100mmSpot2x40mm(FWHM)2mm1.3mm1.3mm40mmLDL80-1000/f=100mmSpot0.4x1.3mm(FWHM)LDL40-250/f=100mmSpot1.3x1.3mm(FWHM)0.4mm1.3mm半导体激光器的光束整形15半导体激光器的光束整形

直接整形聚焦半导体激光器的光束整形直接整形聚16半导体激光器的光束整形

改进后的整形聚焦半导体激光器的光束整形改进后的整17

18

19(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器20

2、光纤直接耦合包括光纤直接耦合和光纤微透镜直接耦合两种。光纤直接耦合就是把端面己处理的平头光纤直接对向大功率半导体激光器的发光面。

21光纤微透镜直接耦合就是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，如半球微透镜耦合、圆锥微透镜耦合、锥端球面微透镜耦合、椭双曲面微透镜耦合等光纤微透镜直接耦合就是采用一定加工工艺把光纤端面制作成一定大22(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器23自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒内产生径向的折射率分布而制成。它的聚光能力是依靠折射率的渐变分布来实现的，焦距由透镜长度决定。平端自聚焦透镜球差较严重，会聚光斑较大，可把前端研磨成球面，补偿了透镜的球差。自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒内产生径向的折射24圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体激光器发出的光束进行单方向会聚，同时，柱透镜可以用光纤来实现，因而制作简单，成本低廉。尽管圆柱形微透镜具有很大像差，但不影响它在光纤耦合中的应用。圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体激光器发出25(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器26

3.整形耦合这种方法是在近些年才发展起来的技术。首先对半导体激光器bar的光束在快轴和慢轴方向上分别准直。准直后的光束为一线状光束。光束整形器的作用是把这一线状光束进行切割成n条，并重新排列成一个预定的分布，譬如方形。经过重排后的光束在聚焦性能上将得到极大地改善，M2因子将缩小n倍，因此对光纤芯径的要求也将减小n倍，可以用一个透镜聚焦耦合到一根纤细的光纤中去。经验表明，如果在慢轴准直中使用透镜阵列以减少畸变，M2因子还可以有效地减小。和光纤束法相比较，整形耦合法的优点是可以实现更细光纤芯径的耦合，因而实现更高的亮度。

27(l)两步重排整形法要把线形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光束分裂成n份，在一个方向上实现不等量的移动，称为第一次重排;再在另一个方向上实现不等量的移动，实现第二次重排。。(l)两步重排整形法28典型的两步重排整形法是阶梯形镜法，线形光束先由数个微小镜片分割并反射，实现第一次光束重排。重排后的光束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移:第二次重排的结果是实现另一个方向上不同量的平移。快轴光束质量降低M倍慢轴光束质量提高M倍典型的两步重排整形法是阶梯形镜法，线形光束先由数个微小镜片分29(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器30(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器31(2)一步重排整形法两步重排法的缺点：一是结构复杂，不利于小型化和模块化；另一方面，由于每一次反射都损失一些光能量，致使整形后的效率受到影响。在近期发展起来的一步重排整形法相比之下很有特色。(2)一步重排整形法32

4.平行反射面耦合

33(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器34两组波长不同的阵列合束两组波长不同的阵列合束35四组波长相同的阵列合束带状分光片四组波长相同的阵列合束带状分光片365.不同波长耦合5.不同波长耦合37单波长泵浦源：940nm或者976nmNumericalAperture0.2光纤耦合直接光纤耦合直接光束质量mmmrad/um单波长双波长3.000W2.000W1.600W1.000W950W1.200W500W600W60/600um600W900W350W450W40/400um100/1000um200W300W100W150W20/200um单波长泵浦源：940nm或者976nmNumerica38第四章半导体激光器的制作工艺尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制作工艺存在很大的差别，但是基本工艺流程如图所示：半导体激光器的设计基本要求:

在一定的输出功率下电流最小；输出功率最大；高的微分效率，小的远场发散角。描述半导体激光器性能的三个主要参数：

输出功率转换效率可靠性第四章半导体激光器的制作工艺尽管各种半导体激光器的结构设计391.半导体激光器的工艺过程1.半导体激光器的工艺过程402.外延生长技术

在一个单晶衬底上生长一层或多层同质或异质的半导体层的技术称为外延生长技术。目前应用最广泛的外延生长技术有三种：液相外延（LPE）有机金属化合物化学气相沉淀（MOCVD）分子束外延（MBE）2.外延生长技术41液相外延技术

LPE指由饱和或过饱和溶液冷却过程中在单晶衬底上定向生长一层薄膜材料。例如，GaAs外延层就是从As饱和的Ga溶液中生长，As为溶质，Ga为溶剂。常用的外延生长设备有：倾斜炉，垂直炉，多室水平炉。如图，多室舟LPE生长系统装置示意图：液相外延技术LPE指由饱和或过饱和溶液冷却过程中在单晶42有机金属化合物化学气相沉淀MOCVD技术是以有机金属化合物和氢化物作为晶体生长的原材料进行化学气相沉淀生长的晶体薄层技术。示意图如下：例如以下反应式：有机金属化合物化学气相沉淀MOCVD技术是以有机金属化合物和43分子束外延MBE是在超高真空的条件下用热分子或原子束射到加热衬底上生长外延层的一种晶体生长技术。分子束外延MBE是在超高真空的条件下用热分子或原子束44几种外延技术的比较：LPEMOCVDMBE生长速度1μm/分或更大0.01—0.5μm/分0.1—0.5μm/分生长厚度较厚可任意控制可随意控制外延片质量厚度、组分不均匀、缺陷、表面变形表面光滑、组分可控、质量好表面光滑、掺杂和组分可控、质量好厚度控制50nm5nm0—0.5nm生长温度600—900度900—1000度500—650度安全性较安全较危险最安全设备简单较复杂复杂设备投资便宜较贵昂贵适用范围适合实验室和小批量生产适合大规模生产适用于实验室研究（超晶格、量子阱）几种外延技术的比较：LPEMOCVDMBE生长速度1μm/分453.腐蚀（光刻）工艺步骤以正型光刻胶为例：3.腐蚀（光刻）工艺步骤46

利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面474.芯片金属化（欧姆接触）

金属化电极常采用蒸发或溅射的方法在n面或p面上覆盖一层或多层金属或合金，然后再适当的温度下进行合金化，形成一个低阻的金属—半导体结。欧姆接触的好坏直接影响正向电阻的大小。正、反向电阻的的线性程度及热阻的大小，从而影响激光器能否在室温工作和连续激射，以及其寿命和可靠性。电极制作三个重要的因素：1.金属必须充分的粘附。2.提供一个低电阻电接触。3.激光器芯片中不能引入过大胁变。4.芯片金属化（欧姆接触）485.半导体激光器的解离

解离技术是将金属化（欧姆接触）后的外延片解离成单个芯片，并获得平行发射腔面（即F—P腔）的技术。半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。如图，用金刚石刀在具有金属电极的外延片上沿解离面方向切划，可得到完全平行的腔镜面，再根据设计尺寸切划出单个芯片。半导体激光器解离工艺示意图5.半导体激光器的解离解离技术是将金属化（欧姆接触）后的496.热沉、烧焊、键合热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要部件。材料的选择要求：导热性好、不污染、与芯片物理性质匹配、易加工、易烧焊、可靠等。目前使用的主要热沉材料有：无氧铜、硅、金刚石、纯银等。烧焊就是将激光管芯焊接在热沉上。目的：增加散热能力，减小热沉和管芯之间由于膨胀系数不同而造成的退化。烧焊方法：真空烧焊、惰性气体保护烧焊、直接烧焊等。键合有三种方式：超声焊、热压焊、用焊料直接焊。引线为直径为30—60微米的金丝或几十微米的金条。6.热沉、烧焊、键合热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要507.DFB-LD和VCSEL芯片制造7.DFB-LD和VCSEL芯片制造51（1）DFB-LD芯片制造全息曝光干法或湿法刻蚀a)光栅制作（1）DFB-LD芯片制造全息曝光a)光栅制作52DFB-LD低折射率层腐蚀停止层包层帽层：接触层b)二次外延生长DFB-LD低折射率层b)二次外延生长53DFB-LDc)一次光刻：刻出双沟图形DFB-LDc)一次光刻：刻出双沟图形54DFB-LDd)脊波导腐蚀:选择性腐蚀到四元停止层

DFB-LDd)脊波导腐蚀:选择性腐蚀到四元停止层55DFB-LDPECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀e)套刻DFB-LDPECVD生长SiO2e)套刻56DFB-LDf)三次光刻：电极图形DFB-LDf)三次光刻：电极图形57DFB-LDP面溅射TiPtAu减薄N面TiAug)欧姆接触DFB-LDP面溅射TiPtAug)欧姆接触58DFB-LD先解理成条端面镀膜:

高反膜\增透膜高反膜80-90%，增透膜5-10%

端面镀膜的作用:

a.

增大出光功率，

b.

减小阈值电流

h)端面镀膜DFB-LD先解理成条h)端面镀膜59(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或湿法腐蚀(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或湿法腐蚀60VCSEL芯片制造b)湿氮氧化VCSEL芯片制造b)湿氮氧化61VCSEL芯片制造c)PECVD生长SiO2，填充聚酰亚胺VCSEL芯片制造c)PECVD生长SiO2，62VCSEL芯片制造d)欧姆接触VCSEL芯片制造d)欧姆接触63

第五章半导体激光器的应用

半导体激光器的特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。

LD和LED的主要区别

LD发射的是受激辐射光

LED发射的是自发辐射光

LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。第五章半导体激光器的应用半导体激光器的特64

半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20－50-20－50-20－50-20－50工作温度/°C寿命t/h30×12030×12020×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流Ith/mA50~10060~1201~21~3谱线宽度1.31.551.31.55工作波长LEDLD半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-265分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能20~4015~30输出功率P/mW(连续单纵模,25ºC)2015外量子效率/%15~2020~30阀值电流Ith/mA<0.08频谱漂移/(nm/ºC)30~35边模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模连续波单纵模谱线宽度1.31.55工作波长分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能20~4066010002000300040005000600070000123456Penetration[mm]Speed[mm/min]LPSSSpot=0.3mmLDFSpot=0.4mmLDF400-850和Nd:YAG激光器加工比较LDF400-8501,8mm1,2mm0,70mmLPSS,500WLPSS,1000W01000200030004000500060007000067LDF1000-4000光纤耦合系统焊接性能0,01,02,03,04,05,06,07,00,01,02,03,04,05,06,07,08,0weldspeed[m/min]penetrationdepth[mm]3500W2800W2000W800Wpoweratworkpiece6.4mmLDF1000-4000光纤耦合系统焊接性能0,01,068水漕的焊接（WeldingofKitchenSinks）半导体激光器安装在机器手上非常光滑的表面不需要在抛光激光功率:1–2kW水漕的焊接（WeldingofKitchenSinks69半导体激光器,光纤耦合系统LDL80-1000功率：1000W轮班生产多激光头系统变压器的焊接（WeldingofTransformerPlates）半导体激光器,光纤耦合系统LDL80-1000变压器的焊70表面硬化（Hardening）:比较结果Nd:Yag-LaserDiode-LaserDiode-Laser20mm表面硬化（Hardening）:比较结果Nd:Yag-La71半导体激光器硬化（HardeningwithDiodeLaser）不同形状的硬化边缘的硬化温度可控硬化半导体激光器硬化（HardeningwithDiode72

功率:3000-6000W

光束质量:200-400mmmrad

特殊的光学系统来进入气缸加工Photo:UniBayreuth气缸硅合金化（AlloyingofAlCylinderLinerswithSi）功率:3000-6000WPhoto:Uni73半导体激光器熔覆（CladdingwithDiodeLaser）工具（MachiningTool）柱面开槽（CylinderforCutting）立体化的玻璃生产工具3D-partforTreatmentofGlassPhotos:Stiefelmayer半导体激光器熔覆（CladdingwithDiodeL74

光纤耦合系统LDF1500-4000:

修复价值昂贵的器件表面保护（Wearprotection）高效和高性价比的加工方式成功取代CO2激光器光纤耦合半导体激光器熔覆（CladdingwithFiber-CoupledLaser）Photos:TechnogeniaLCT,UK光纤耦合系统LDF1500-4000:光纤耦合半导体激75典型加工图例:汽车工业（AutomotiveIndustry）SchaltboxAirFlowSensorCarKey典型加工图例:汽车工业（AutomotiveIndus76塑料焊接（PlasticWelding）:图例塑料材料焊接液体倾注器件PMMA无焊缝焊接泡沫和塑料焊接塑料焊接（PlasticWelding）:图例塑料材料焊77(激光器件课件）第三章典型的半导体激光器(激光器件课件）第三章典型的半导体激光器78（一）同质结半导体激光器p型半导体和n型半导体材料都是GaAs,所形成的p-n结为同质结(HOS)

加上正向偏压时，电子向p-n结注入，并在偏向p区一侧的激活区内复合辐射;当正向偏压较大时，考虑到空穴注入，激活区变宽。激活区的折射率略高于p区和n区，“光波导效应”不明显，光波在激活区内传播时，有严重的衍射损失。（一）同质结半导体激光器p型半导体和n型半导体材79

同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x104～5104A/cm2，这样高的电流密度，将使器件发热。

同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能低重复率（几kHz～几十kHz)脉冲工作。同质结激光器几乎无法实用化，结构需改进！同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x80（二）异质结半导体激光器一、单异质结半导体激光器(SHL）

单异质结是由p-GaAs与p-GaAlAs形成的。施加正向偏压时，电子由n区注入p-GaAs。由于异质结高势垒的限制，激活区厚度d2m；因p-GaAlAs折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。阈值电流密度降低了1～2个数量级，约8000A/cm2。窄带隙有源材料被夹在宽带隙的材料之间形成（二）异质结半导体激光器一、单异质结半导体激光器(SHL）81二、双异质结半导体激光器(DHL）

施加正向偏压时,激活区内注入的电子和空穴。由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d=0.5m。

由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应非常显著，使光波传输损耗大大减小。阈值电流密度更低，可降到(102一103)A/cm2。当采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作激光器时，阈值电流密度下降到几A/cm2。目前，这种激光器已成为极为重要的、实用化的相干光源。二、双异质结半导体激光器(DHL）施加正向偏压时,激活区82正向偏置时双异质结与同质结载流子分布的对比83中间的窄带隙层对载流子形成了很好的限制作用正向偏置的同质结正向偏置的双异质结窄带隙层一般还具有比较高的折射率，光波导效应明显正向偏置时双异质结与同质结载流子分布的对比6中间的窄带隙层对83（三）分布反馈（DFB）激光器动态单纵模激光器：在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。分布反馈半导体激光器：在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期光栅构成的。光栅结构制作在限制层中（三）分布反馈（DFB）激光器动态单纵模激光器：在高速调制84DFB激光器与普通激光器的对比DFB激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的1/10左右色散的影响大为降低，可以实现速率为10Gb/s的超高速传输DFB激光器与普通激光器的对比DFB激光器的光谱宽度大约为普85分布反馈半导体激光器

分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。

分布反馈激光器的要求：（1）谱线宽度更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4）阈值电流更低（5）输出光功率更大分布反馈半导体激光器86

图3.13分布反馈(DFB)激光器

(a)结构；(b)光反馈图3.13分布反馈(DFB)激光器87

如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。

光栅周期Λ=m(3.10)ne为材料有效折射率，λB为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为(3.11)如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹88DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：①易形成单纵模振荡；②谱线窄，方向性好；③高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；④输出线性度好。DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：89（四）垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical-cavitysurface-emittinglaser）谐振腔的腔镜由折射率不同的物质层交错堆积而成从垂直于半导体薄片的方向发射激光，使激光束的截面成为圆形，减小了激光束的发散角，克服了原来从半导体侧面发光的缺点。能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅1mA。表面发射半导体激光器（四）垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔面发射激光器（VCSE90与边缘发射半导体激光器阵的差别：制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很小，最小可到1m,而每一个边缘发射半导体激光器最小也有50m.边缘发射半导体激光器表面发射半导体激光器与边缘发射半导体激光器阵的差别：边缘发射半导体激光器表面发射91半导体激光器的光束整形

1.直接光束整形LDL160-2000/f=100mmSpot2x40mm(FWHM)2mm1.3mm1.3mm40mmLDL80-1000/f=100mmSpot0.4x1.3mm(FWHM)LDL40-250/f=100mmSpot1.3x1.3mm(FWHM)0.4mm1.3mm半导体激光器的光束整形92半导体激光器的光束整形

直接整形聚焦半导体激光器的光束整形直接整形聚93半导体激光器的光束整形

改进后的整形聚焦半导体激光器的光束整形改进后的整94

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96(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器97

2、光纤直接耦合包括光纤直接耦合和光纤微透镜直接耦合两种。光纤直接耦合就是把端面己处理的平头光纤直接对向大功率半导体激光器的发光面。

98光纤微透镜直接耦合就是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，如半球微透镜耦合、圆锥微透镜耦合、锥端球面微透镜耦合、椭双曲面微透镜耦合等光纤微透镜直接耦合就是采用一定加工工艺把光纤端面制作成一定大99(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器100自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒内产生径向的折射率分布而制成。它的聚光能力是依靠折射率的渐变分布来实现的，焦距由透镜长度决定。平端自聚焦透镜球差较严重，会聚光斑较大，可把前端研磨成球面，补偿了透镜的球差。自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒内产生径向的折射101圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体激光器发出的光束进行单方向会聚，同时，柱透镜可以用光纤来实现，因而制作简单，成本低廉。尽管圆柱形微透镜具有很大像差，但不影响它在光纤耦合中的应用。圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体激光器发出102(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器103

3.整形耦合这种方法是在近些年才发展起来的技术。首先对半导体激光器bar的光束在快轴和慢轴方向上分别准直。准直后的光束为一线状光束。光束整形器的作用是把这一线状光束进行切割成n条，并重新排列成一个预定的分布，譬如方形。经过重排后的光束在聚焦性能上将得到极大地改善，M2因子将缩小n倍，因此对光纤芯径的要求也将减小n倍，可以用一个透镜聚焦耦合到一根纤细的光纤中去。经验表明，如果在慢轴准直中使用透镜阵列以减少畸变，M2因子还可以有效地减小。和光纤束法相比较，整形耦合法的优点是可以实现更细光纤芯径的耦合，因而实现更高的亮度。

104(l)两步重排整形法要把线形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光束分裂成n份，在一个方向上实现不等量的移动，称为第一次重排;再在另一个方向上实现不等量的移动，实现第二次重排。。(l)两步重排整形法105典型的两步重排整形法是阶梯形镜法，线形光束先由数个微小镜片分割并反射，实现第一次光束重排。重排后的光束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移:第二次重排的结果是实现另一个方向上不同量的平移。快轴光束质量降低M倍慢轴光束质量提高M倍典型的两步重排整形法是阶梯形镜法，线形光束先由数个微小镜片分106(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器107(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器108(2)一步重排整形法两步重排法的缺点：一是结构复杂，不利于小型化和模块化；另一方面，由于每一次反射都损失一些光能量，致使整形后的效率受到影响。在近期发展起来的一步重排整形法相比之下很有特色。(2)一步重排整形法109

4.平行反射面耦合

110(激光器件课件)第三章典型的半导体激光器111两组波长不同的阵列合束两组波长不同的阵列合束112四组波长相同的阵列合束带状分光片四组波长相同的阵列合束带状分光片1135.不同波长耦合5.不同波长耦合114单波长泵浦源：940nm或者976nmNumericalAperture0.2光纤耦合直接光纤耦合直接光束质量mmmrad/um单波长双波长3.000W2.000W1.600W1.000W950W1.200W500W600W60/600um600W900W350W450W40/400um100/1000um200W300W100W150W20/200um单波长泵浦源：940nm或者976nmNumerica115第四章半导体激光器的制作工艺尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制作工艺存在很大的差别，但是基本工艺流程如图所示：半导体激光器的设计基本要求:

在一定的输出功率下电流最小；输出功率最大；高的微分效率，小的远场发散角。描述半导体激光器性能的三个主要参数：

输出功率转换效率可靠性第四章半导体激光器的制作工艺尽管各种半导体激光器的结构设计1161.半导体激光器的工艺过程1.半导体激光器的工艺过程1172.外延生长技术

在一个单晶衬底上生长一层或多层同质或异质的半导体层的技术称为外延生长技术。目前应用最广泛的外延生长技术有三种：液相外延（LPE）有机金属化合物化学气相沉淀（MOCVD）分子束外延（MBE）2.外延生长技术118液相外延技术

LPE指由饱和或过饱和溶液冷却过程中在单晶衬底上定向生长一层薄膜材料。例如，GaAs外延层就是从As饱和的Ga溶液中生长，As为溶质，Ga为溶剂。常用的外延生长设备有：倾斜炉，垂直炉，多室水平炉。如图，多室舟LPE生长系统装置示意图：液相外延技术LPE指由饱和或过饱和溶液冷却过程中在单晶119有机金属化合物化学气相沉淀MOCVD技术是以有机金属化合物和氢化物作为晶体生长的原材料进行化学气相沉淀生长的晶体薄层技术。示意图如下：例如以下反应式：有机金属化合物化学气相沉淀MOCVD技术是以有机金属化合物和120分子束外延MBE是在超高真空的条件下用热分子或原子束射到加热衬底上生长外延层的一种晶体生长技术。分子束外延MBE是在超高真空的条件下用热分子或原子束121几种外延技术的比较：LPEMOCVDMBE生长速度1μm/分或更大0.01—0.5μm/分0.1—0.5μm/分生长厚度较厚可任意控制可随意控制外延片质量厚度、组分不均匀、缺陷、表面变形表面光滑、组分可控、质量好表面光滑、掺杂和组分可控、质量好厚度控制50nm5nm0—0.5nm生长温度600—900度900—1000度500—650度安全性较安全较危险最安全设备简单较复杂复杂设备投资便宜较贵昂贵适用范围适合实验室和小批量生产适合大规模生产适用于实验室研究（超晶格、量子阱）几种外延技术的比较：LPEMOCVDMBE生长速度1μm/分1223.腐蚀（光刻）工艺步骤以正型光刻胶为例：3.腐蚀（光刻）工艺步骤123

利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面1244.芯片金属化（欧姆接触）

金属化电极常采用蒸发或溅射的方法在n面或p面上覆盖一层或多层金属或合金，然后再适当的温度下进行合金化，形成一个低阻的金属—半导体结。欧姆接触的好坏直接影响正向电阻的大小。正、反向电阻的的线性程度及热阻的大小，从而影响激光器能否在室温工作和连续激射，以及其寿命和可靠性。电极制作三个重要的因素：1.金属必须充分的粘附。2.提供一个低电阻电接触。3.激光器芯片中不能引入过大胁变。4.芯片金属化（欧姆接触）1255.半导体激光器的解离

解离技术是将金属化（欧姆接触）后的外延片解离成单个芯片，并获得平行发射腔面（即F—P腔）的技术。半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。如图，用金刚石刀在具有金属电极的外延片上沿解离面方向切划，可得到完全平行的腔镜面，再根据设计尺寸切划出单个芯片。半导体激光器解离工艺示意图5.半导体激光器的解离解离技术是将金属化（欧姆接触）后的1266.热沉、烧焊、键合热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要部件。材料的选择要求：导热性好、不污染、与芯片物理性质匹配、易加工、易烧焊、可靠等。目前使用的主要热沉材料有：无氧铜、硅、金刚石、纯银等。烧焊就是将激光管芯焊接在热沉上。目的：增加散热能力，减小热沉和管芯之间由于膨胀系数不同而造成的退化。烧焊方法：真空烧焊、惰性气体保护烧焊、直接烧焊等。键合有三种方式：超声焊、热压焊、用焊料直接焊。引线为直径为30—60微米的金丝或几十微米的金条。6.热沉、烧焊、键合热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要1277.DFB-LD和VCSEL芯片制造7.DFB-LD和VCSEL芯片制造128（1）DFB-LD芯片制造全息曝光干法或湿法刻蚀a)光栅制作（1）DFB-LD芯片制造全息曝光a)光栅制作129DFB-LD低折射率层腐蚀停止层包层帽层：接触层b)二次外延生长DFB-LD低折射率层b)二次外延生长130DFB-LDc)一次光刻：刻出双沟图形DFB-LDc)一次光刻：刻出双沟图形131DFB-LDd)脊波导腐蚀:选择性腐蚀到四元停止层

DFB-LDd)脊波导腐蚀:选择性腐蚀到四元停止层132DFB-LDPECVD生长SiO2自对准光刻SiO2腐蚀e)套刻DFB-LDPECVD生长SiO2e)套刻133DFB-LDf)三次光刻：电极图形DFB-LDf)三次光刻：电极图形134DFB-LDP面溅射TiPtAu减薄N面TiAug)欧姆接触DFB-LDP面溅射TiPtAug)欧姆接触135DFB-LD先解理成条端面镀膜:

高反膜\增透膜高反膜80-90%，增透膜5-10%

端面镀膜的作用:

a.

增大出光功率，

b.

减小阈值电流

h)端面镀膜DFB-LD先解理成条h)端面镀膜136(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或湿法腐蚀(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或湿法腐蚀137VCSEL芯片制造b)湿氮氧化VCSEL芯片制造b)湿氮氧化138VCSEL芯片制造c)PECVD生长SiO2，填充聚酰亚胺VCSEL芯片制造c)PECVD生长SiO2，139VCSEL芯片制造d)欧姆接触VCSEL芯片制造d)欧姆接触140

第五章半导体激光器的应用

半导体激光器的特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。

LD和LED的主要区别

LD发射的是受激辐射光

LED发射的是自发辐射光

LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。第五章半导体激光器的应用半导体激光器的特141

半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20－50-20－50-20－50-20－50工作温度/°C寿命t/h30×12030×12020×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流I