激光技术第四章

激光技术第四章第1页，共95页，2023年，2月20日，星期一第四章、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第2页，共95页，2023年，2月20日，星期一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（JohnVonNeumann）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。EcsleNormaleSuperieure的PierreAigrain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，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。

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第3页，共95页，2023年，2月20日，星期一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0.83~0.85μm。70年代末，在1.3um和1.55um得到损耗更小的单模光纤,长波长InGaAsP/InP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第4页，共95页，2023年，2月20日，星期一1、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型半导体中空穴参加导电..…..……….……...EF费米能级第5页，共95页，2023年，2月20日，星期一热激发过程当K>0时第6页，共95页，2023年，2月20日，星期一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 E<EF 则

ƒ(E)>1/2

当 EF–E»KT ƒ(E)接近于1能级被电子填充 如果 E>EF

则

ƒ(E)<1/2

当 E–EF»KT ƒ(E)=e-(E-EF)/KT即波尔兹曼分布第7页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第8页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第9页，共95页，2023年，2月20日，星期一n型半导体中的载流子浓度施主能级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第10页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第11页，共95页，2023年，2月20日，星期一P－N结的形成－－－－＋＋＋＋NPNP第12页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第13页，共95页，2023年，2月20日，星期一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：ƒc(E)=1/1+e（E-(EF)n）/KTƒv(E)=1/1+e（(E-h)-(EF)p）/KT(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>hP区N区EF………………..………………..………………..….……………….………………………………。。。。。。。。。。。。。。。。。。………………..………………..….……………….………………...….…..………….………….EcEvEcEv(EF)n(EF)vh激活区第14页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器工作原理第15页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第16页，共95页，2023年，2月20日，星期一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)[ƒc(E)-ƒv(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-TemperatureEffectsonLaserOpticalOutputPower

第17页，共95页，2023年，2月20日，星期一2、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npnpp+n+npp+………..………………………..。。。。。。。。。。。。。。。…………….………………………。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…………..………….……..E能量。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。第18页，共95页，2023年，2月20日，星期一异质结砷化镓激光器第19页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器的典型结构第20页，共95页，2023年，2月20日，星期一双异质结激光器工作原理第21页，共95页，2023年，2月20日，星期一多层对称介质波导第22页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器的波导结构第23页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器的波导结构强折射率波导弱折射率波导第24页，共95页，2023年，2月20日，星期一增益波导第25页，共95页，2023年，2月20日，星期一量子阱量子阱：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。GaAsAlGaAsAlGaAs导带价带~10nm第26页，共95页，2023年，2月20日，星期一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。

第27页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器的模式第28页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器模式与条宽近场花样远场花样第29页，共95页，2023年，2月20日，星期一[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。

[第30页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器的制作设备和条件

MBE MOCVD 第31页，共95页，2023年，2月20日，星期一MOCVD第32页，共95页，2023年，2月20日，星期一第33页，共95页，2023年，2月20日，星期一

Equipmentsforopticalcoating第34页，共95页，2023年，2月20日，星期一应变自组装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+IBEsystem）第35页，共95页，2023年，2月20日，星期一第36页，共95页，2023年，2月20日，星期一PulsedLaserDeposition(PLD)第37页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体材料的激射波段分布图第38页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第39页，共95页，2023年，2月20日，星期一4、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第40页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第41页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第42页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第43页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第44页，共95页，2023年，2月20日，星期一参数Parameter符号Symbol条件Condition最小值Min.典型值Typ.最大值Max.单位Unit波长CentralwavelengthλpTc=25oCPo=5mW129013101330nm阈值电流ThresholdcurrentIthTc=25oC--1020mA输出功率OutputpowerPoTc=25oC510--mW工作电压OperatingvoltageVoTc=25oCPo=5mW

1.21.6V斜率效率SlopeefficiencyηTc=25oC0.10.2--mw/mA谱线宽度SpectrallinewidthΔλTc=25oCPo=5mW----0.3nm边模抑制比SidemodesuppressionratioSMSRTc=25oCPo=5mW--3040dB平行发散角Beamdivergenceangle(parallel)θ∥Tc=25oCPo=5mW

30

deg垂直发散角Beamdivergenceangle(perpendicular)θ⊥Tc=25oCPo=5mW

40

deg实用量子阱DFB激光器管芯技术参数举例第45页，共95页，2023年，2月20日，星期一额定极限值(ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS)参数Parameter

条件Condition最小值Min.最大值Max.单位Unit正向电流ForwardcurrentTc=25oC--120mA反向电压RewardvoltageTc=25oC--2V工作温度Casetemperature

--0+70℃储存温度StorageTemperature---40+85℃

制冷硅热敏电阻激光管芯光电二极管第46页，共95页，2023年，2月20日，星期一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。第47页，共95页，2023年，2月20日，星期一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TECPDLDLENSFIBER第48页，共95页，2023年，2月20日，星期一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第49页，共95页，2023年，2月20日，星期一DFB激光器的光谱第50页，共95页，2023年，2月20日，星期一三区可变波长DBR激光器DistributedBraggReflector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。第51页，共95页，2023年，2月20日，星期一单纵摸输出阈值低1mA可高速调制输出光斑对称光纤耦合效率高可做成阵列VerticalCavitySurfaceEmittingLaser(VCSEL):

第52页，共95页，2023年，2月20日，星期一面发光与边缘发光激光器第53页，共95页，2023年，2月20日，星期一FEATURES

1550nmInGaAsP/InPMQW-DFBlaserdiode(LD)

EntirelyfabricatedbyOMVPE

Lowthresholdcurrent

Uncooled

Hermeticallysealed

Highperformanceoverwidetemperaturerange

Powermonitoring(InGaAshighspeedpinPD)

AvailableinpigtailedmoduleswithFC/ST/SCAPCConnector

APPLICATIONS

SONETOC-3/OC-12/OC-24

SDHSTM-1/STM-4/STM-8

Stablelightsource

Insertion/Returnlossmeter

CATV

特点FEATURES★全MOCVD技术(EntirelyfabricatedbyMOCVD)★低阈值电流(Lowthresholdcurrent)★中等输出功率(Middleoutputpower)★灵活的底座形式(customer-designedsubmountsorheatsinks应应用(APPLICATIONS)★光纤通信(Opticacommunicationsystems)★同轴激光源LampsourceofcoaxialLD★光纤传感器Fiberopticalsensors★有线电视CableTelevision★仪表装置Instrumentation第54页，共95页，2023年，2月20日，星期一两种外腔反馈半导体激光器第55页，共95页，2023年，2月20日，星期一Figure1:

Futureopticalnetworkscenario光纤通信的发展使光学耦合封装技术越来越重要第56页，共95页，2023年，2月20日，星期一5、半导体激光器的耦合封装Figure5-LaserConstruction

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第57页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器的输出光束第58页，共95页，2023年，2月20日，星期一Figure3:

FarfieldofanopticalfiberincomparisontothefieldofalaserdiodeThefar-fieldangleofthefiberisdefinedtoasmallvalueof11.5°.Atypicallaserdiodeshowsdifferentvaluesforlateralandverticalaxesof20-to-30°and30-to-40°,respectively.Figure4:

Modefieldadaptationbyanopticallensorlenssystem第59页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器到单模光纤的耦合效率第60页，共95页，2023年，2月20日，星期一2c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；θC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。θC愈大，光纤所能接收的光愈多，耦合效率就愈高。c110第61页，共95页，2023年，2月20日，星期一1、球面镜耦合同轴封装2、带隔离器非球面镜耦合同轴封装第62页，共95页，2023年，2月20日，星期一TECPDLDLENSFIBER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第63页，共95页，2023年，2月20日，星期一光纤透镜直接耦合封装第64页，共95页，2023年，2月20日，星期一Figure6:

XandY-axis:2µmtolerancefor0.5dBadditionalcouplinglossFigure7:

Z-axiswithhighertoleranceof8µm

拉锥光纤微透镜的调整容差第65页，共95页，2023年，2月20日，星期一Figure8:

Patentedfixationmechanismofthefiber-chipcouplingdevicewhichallowsacorrectablemechanicalfixingoftheSMFinfrontofaOEICwithin0.2µm.第66页，共95页，2023年，2月20日，星期一

Figure9:

Manipulatortoolforcombiningopticalmodules第67页，共95页，2023年，2月20日，星期一光纤微透镜第68页，共95页，2023年，2月20日，星期一球面镜导致波前畸变非球面镜补偿使波前不发生畸变第69页，共95页，2023年，2月20日，星期一激光焊接通常采用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%。第70页，共95页，2023年，2月20日，星期一Figure11:

(a)Standardizedoptoelectronicmodulefordouble-sidedfiber-chipcouplingwith2.5GHzbandwidth.(b)Photodiodemodulewithupto45GHzbandwidth.第71页，共95页，2023年，2月20日，星期一TO管和带尾纤器件光纤耦合封装以前耦合封装完成后第72页，共95页，2023年，2月20日，星期一自动焊接设备第73页，共95页，2023年，2月20日，星期一

Figure10:

Searchalgorithmoftheautomatedcouplingprogram

第74页，共95页，2023年，2月20日，星期一组件轴型号行程分辨率带动LD的调芯系统（5轴）XK201-20MS20mm0.05m/脉冲YXK251+60T±5°0.0025°/脉冲

0.0020°/脉冲YZK401-60360°0.004°/脉冲带动套管的调节架Z1K102-6070mm0.05m/脉冲带动套圈的调节架Z2K101-20MS20mm0.05m/脉冲YAG光头和CCD摄像机XK101-201m/脉冲YK101-2020mmZ

倾斜B54-60L±5°0.1°/游标工作台空气弹簧石质工作台第75页，共95页，2023年，2月20日，星期一大功率激光器多模光纤扁平封装第76页，共95页，2023年，2月20日，星期一扁平封装的优越性体积小、成本低、适合大批量生产第77页，共95页，2023年，2月20日，星期一工艺与散热状态分析第78页，共95页，2023年，2月20日，星期一无源光器件的光学耦合封装举例第79页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器件第80页，共95页，2023年，2月20日，星期一半导体激光器封装形式C-Mount：TheC-mountisanopenpackagesuitablefordeviceswithupto5Woutputpowerwithsuitableheatsinking.ThispackageistypicallyusedbyOEM‘swhowishtotakeadvantageofthepackage’ssmallsizeandtheabilitytoplaceobjectssuchaslensveryclosetothelaserfacet.Thedisadvantageofthispackageisthatthediodeisexposedandthereforesubjecttomechanicaldamage.Asaresultthevenderdoesnotwarranteeopenpackages.第81页，共95页，2023年，2月20日，星期一TO56:

TheTO56(5.6mm)packageisahermeticallysealedsteelpackagesuitableforlowpower(<50mW)singlemodedevices

9MM:The9MMpackageisasealedcopperpackagesuitablefordevicesupto2Woutputpower.Thisisanideallowcostpackageformidpowerapplicationswhereinternalcoolingisnotrequired.Thispackageisalsowellsuitedforhighvolumeapplications.第82页，共95页，2023年，2月20日，星期一通信用激光器封装BUTFT:TheButterfly(BUTF)packageisanindustrystandard14pinDIP

package/Itmaybeusedwithdevicesupto1WwithastandardTECorupto2WwithahighperformanceTEC.Thispackageisavailableinahermeticallysealedversion.ItisidealforlowpowerfiberedapplicationswhereaninternalTECisrequiredDIL:TheDualinLinepackageisanindustrystandard14pin

package.Thispackageisavailableinahermeticallysealedversion.ItisidealforlowpowerfiberedapplicationswhereaninternalTECisrequired第83页，共95页，2023年，2月20日，星期一TO3:TheTO3isaneightpindiamondbasehermeticallysealedpackage.Itmaybeusedwithdevicesupto5WwithoutaTEC.TheTO3packagecanincludeastandardTECfor1WdevicesorahighperformanceTECfor2Wdevices.第84页，共95页，2023年，2月20日，星期一HHL:TheHHL(HighHeatLoad)

packageisthelargeststandardpackageavailable.Itisahermeticallysealedpackageapproximately1.5"square.ThepackageisavailablewithastandardTECwhichwillstabilizethetemperatureofa5WlaserorwithahighperformanceTEC(HPTEC)whenalargertemperturetuningrangeisrequired.TheHHLpackageistypicallyusedwhenthereisalargeheatload(>2Wdiode)orwhenalargetemperat