分布反馈式半导体激光器

戏却烤也工才冬哮晚ChengduUnIversityofInformationTechnology课程题目分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用学院光电技术学院班级电科一班姓名李俊锋学号任课教师张翔2013年5月15戏却烤也工才冬哮晚分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用李俊锋2010031029李俊锋2010031029摘要：DFB（DistributedFeedBack）DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962年世界上第一台半导体激光器（DiodeLaser）发明问世以来，由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点，被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一.四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中，不断扩大应用范围，进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。关键字：DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带之间，或者半导体物质的能带与杂质能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS,CdS,ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB（DistributedFeedbackLaser），即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（BraggGrating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。参数单位IM试条件最小典型工制长也nmIW=Ith+20n^1310光谱带宽nm0.3Q.55|阀值电流IthnA20尾纤输出Pd-醐0.32.S现IS&Qnm0.32正E电压VfVIW=Ith+20fDA二、分布反馈式半导体激光器原理分布反馈式半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2—5）X1018cmT；p型为（1—3）X1019cm-1。在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。图中光栅的周期为A,称为栅距。当电流注入激光器后，有源区内电子一空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。招=籍满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件(一般m取1)。三、分布反馈半导体激光器反馈方式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，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。四、分布式反馈激光器的制造技术DFB激光器的光栅结构通常在波导表面掩膜，刻蚀形成。但是，在制造过程中产生的晶格损伤会降低量子效率，增大阈值电流。避免晶格损伤产生的影响：将光栅和激光器有源层分开。主要提供了三种方法。方法1：利用扩散方法1.在衬底GaAs上利用离子束刻蚀形成三阶光栅2.P区掺杂Zn3.在交界面1um下产生p-n结Fig.15*7DiffusedjunnicmDFBlaser[10]diffusedp-Jayer方法2：利用separateconnementheterojunction结构>1.注入的电子被p-Ga0.83Al0.17As>2限制在有源层>3.光子传播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面>4.有源区不受晶格损伤的影响Fig.15.8头bStripegecnietryDFBFig.15*7DiffusedjunnicmDFBlaser[10]diffusedp-JayerFig.15.8头bStripegecnietryDFBlaserwithsepai'ateopticalandcarrierconfinemenli[]I,12].aDevice^Lruutureibclose-upsection,ofepiJayers.Cf-AvCqfiI^ci"G口4sSub5iFQ>reAy-Ge-NiGm砒t方法3：利用水平耦合结构Fig.15.1()siDiagram,ofalaterally-coupleddistributedfeedback(LC-DFB)ridgelaserdiode[16J„bScmtmioigelectronmicrographofthefirstordergoatm^patternoverthe2pimwidelidgedefinedinPMMAbyelectronbeamlithography[16]1.光通过横向和水平方向消逝场的重叠部分来提供光反馈2.耦合系数k与脊的深度有关3.发射波长为9217埃，阈值电流为11mA五、分布式反馈激光器特点与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。（1）动态单纵模窄线宽输出1、线宽窄：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。2、典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到2埃，约50GHz，而带有光栅结构的DFB的线宽约为50-100kHz。

3、目前商用的DFB激光器在1.55um处的线宽小于25埃。由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。（2）波长稳定性好1、传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响。2、DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。3、分析：（1）波长漂移：4、端面反射激光器：3.7埃/摄氏度5、DFB激光器：0.8埃/摄氏度（3）阈值电流：在m=0时，J端二JDFB1、但J1=3J0，并且在模式转换处阈值电2、流急剧增加（由增益曲线和激光模式-4OCZ?3、在此温度下不匹配导致的）itnIE.1I3--[-Hr*aM.I*i£5Ldciurrwi-ie■J«ina.1e^-«i.niJ.1-M.aaLnm!-■hIBHfun^：V/i<3SlH|Un-cLlaLPMufejL]PL2-J由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为-4OCZ?0.8A/°C，比F—P腔激光器要好得多。在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模4、在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期决定。5、当l阶模和l±1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。例如，为了制作光栅，DFB激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激光器的内量子效率降低。此外，DFB激光器的震荡频率偏离Bragg频率，故其阈值增益较高。DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽。六、分布式反馈激光器实际工程系统中的应用分布反馈式半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于）1Gh/。局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统［i1.半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlA。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB—LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.下面我们具体来看看几种常用的半导体激光器的应用：量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效率、高可*性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新。>在印刷业和医学领域。高功率半导体激光器也有应用.另外，如长波长激光器(1976年，人们用Ga[nAsP/InP实现了长波长激光器)用于光通信，短波长激光器用于光盘读出.自从NaKamuxa实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛.蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中.总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写人，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途.量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域.另外，由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究.可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具大功率中红外(3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。>绿光到紫外光的垂直腔面发射器方面绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密度、光存储.近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面I2)、如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注人半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。军事方面的应用半导体激光引信是一种光学引信，属主动式近炸引信的技术范畴。激光引信通过激光对目标进行探测，对激光回波信息进行处理和计算，判断出目标，计算出炸点，在最佳位置适时引爆。炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后，自炸机构可以引爆弹丸自毁。半导体激光引信是激光探测技术在武器系统中最成功的应用。激光制导：它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。半导体激光制导已用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等。激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用。激光制导的方法之一是驾束制导，又称激光波束制导。从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束，且光束中心线对准目标；在波束中飞行的导弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光接收器探测到激光信号，经信息处理后，弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向，形成控制信号；再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构，使其沿着波束中心飞行，直至摧毁目标为止。另一种激光制导方法是光纤制导。通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器，观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令，以达到控制操纵导弹的目的。激光测距：主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性，略加改进，还可测量车辆之间的距离并进行数字显示，在低于所需安全系数时发出警报。半导体激光夜视仪和激光夜视监测仪也得到重要应用。利用半导体激光器列阵主动式夜视仪的光源具隐蔽性，列阵功率高的特点，可提高监测距离至1km,如配上扫描和图像显示装置，则可成为激光夜视监测仪。用其对目标进行监测时，目标的活动情况可适时通过光缆传送到指挥所。选择较长的合适波长，可成为全天候监测仪。激光雷达：与CO2激光雷达相比半导体激光列阵的激光雷达体积小、结构简单、波长短、精度高、具有多种成像功能及实时图像处理功能，包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。可用于监测目标，测量大气水气、云层、空气污染；还可用作飞机防撞雷达，机载切变风探测相干光雷达，对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。半导体激光雷达主要是波长820〜850nm的LD及列阵。激光模拟：以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。武器模拟主要使用904nm半导体激光器，用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础，最初称为激光交战系统（LES）。该系统的研制始于1973年,其可行性已得到了证实。1974年引进了微处理机技术，于是LES发展成为多功能激光交战系统（MILES）。同年，赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES工程的研制合同，向陆军提供8万多套装备，用于地面作战模拟。此外，该公司还研制了空对地作战系统以及MILES空防样机。目前，全世界有美、英、瑞（典）三国出售MILESII/SAWE系统；北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。深海光通信：半导体激光器具有抗干扰、保密性好等优点。激光对潜通信光源蓝绿光是海水的通信窗口（460〜540nm）,穿透深度约300ft,潜艇可用蓝绿光和卫星或航空母舰进行通信联络。倍频半导体高功率激光器列阵（波长在920〜1080nm）就是一种这样的光源。半导体激光瞄准和告警瞄准具有两类：一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础，士兵需佩戴夜视镜才能看清目标上的激光光斑，以解决夜间士兵的瞄准射击问题；另一类激光瞄准以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在20世纪80年代推出的FA-4型激光瞄准具的重量仅99g,长11.4cm。为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求，激光告警的工作波段不断得到拓展，角分辨率也不断得到提高。半导体激光通信半导体激光器在卫星通信技术中只需要较小的望远镜和较低的发射功率，就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。激光通信技术可用于轨道卫星间的相互通信及卫星与地面站的通信。军用光纤陀螺军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广，是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。由光纤绕成环形光路，采用Sagnac干涉原理，检测出随转动产生的两路激光束的相位差，由此得出转动的角速度。其主要优点是：无运动部件，仪器牢固，耐冲击，抗加速运动；机构简单，价格低廉；启动时间极短（原理上可瞬时启动）；灵敏度高，可达10-7rad/s;动态范围极宽（约为2000度/秒）；寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼雷等方面广泛应用。

其他方面的应用下表是DFB一些主要波长在激光气体分析、原子钟应用、Nd：YAG激光器种子源等领域上的应用：□FB中心波长主要应用□FB中心波长主要应用760/761/763nm氧气(02)分析1590nm硫化氢(H2S)气体分析852nmCsD2^原子钟1580/2330nm—氧化碳(CO)气体分析894nmCsD1饱原子神1579nm一碳二碳(CO/CO2)同时分析1392^1377/2740nm水分子(H2O)分析1654nm甲烷(CH4)气体分析1064nmN4TAG激光器种子源1742nm氧化氢(HCI)气体分析1178nm大功率光纤澈光器种子源1800nm/2650nm—氧化氮(NO)气体分析1273nm氟化氢(HF)气体分析2004nrTV26B0nm二氧化碳(CO2)气体分析1341nm漠化氢(HBD气体分析2257nm氧化二氮(N2O)气体分析1512nm氨气(NH3)气体分析3370nm丙烷(C3H8)气体分析1540nm氤化氢(HCN)气体分析下图是Harvard所研究的Hitran数据库在750-3500nm之间的光谱吸收图，可以作为大部分气体分析的数据参考：比0hEHj00SO?HO