一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器讲解

一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器

沈少棠

北京工业大学应用数理学院 000611

指导教师:宋晏蓉

摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。

关键词激光器,半导体,垂直外腔面

一、引言

垂直腔面发射激光器(VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器,它是光子学器件在集成化方面的重大突破,它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面;与此相反,VCSEL 的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;有源区尺寸极小, 可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。

二、垂直腔面发射激光器的结构

图 1为 VCSEL 的结构示意图,由布拉格反射镜,有源层和金属

层接触组成。其衬底的选择有以下 3种。

1、硅衬底在硅 (Si 上制作的 VCSEL 还不曾实现室温连续波工作。

这是由于将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上,其界面不平整所致,

使 DFB 的反射率较低。日本 Toyohashi 大学的研究者由于在 GaAs/Si

异质界面处引入多层(GaAsm(GaPn 应变短周期超晶格(SSPS

结构而降低了 GaAs-on-Si 异质结外延层的密度。

2、蓝宝石衬底美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使 VCSEL 发射的850nm 波长光穿过衬底, 采用晶片键合工艺将 VCSEL 结构从吸收光的 GaAs 衬底移开,转移到透明的蓝宝石衬底上,提高了 wall-plug 效率,最大值达到 25%。

3、砷化钾衬底基于砷化钾(GaAs基材料系统的 VCSEL 由于高的 Q 值而备受研究者青睐,目前 VCSEL 采用最多也是生长在 GaAs 衬底上。但以 GaAsSb QW作为有源区的 CW 长波长 VCSEL 发射波长被限制在 1.23 微米。发射波长 1.3 微米的 GaAsSb-GaAs 系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的

F.Quochi 等人演示了室温 CW 时激射波长为~1.28 微米的生长在 GaAs 衬底下的光泵浦 GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的 GaAsSb-GaAs 材料系最长的输出波长。

三、垂直腔面发射激光器的制作新工艺

1、氧化物限制工艺氧化物限制的重大意义在于:能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸,并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此,采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百 A,而驱动电流达到几个 mA 就

足以产生 1mW 左右的输出光功率。采用氧化孔径来限制电流与光场,使效率得到显著提高,同时降低了 VCSEL 的阈值电流。所以,现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制 VCSEL 阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流

和高效率外, 均匀性是成功的 VCSEL 阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了 VCSEL 阵列的均匀性,并降低了小孔器件的散射损耗。美国University of Southern California大学日前演示的均匀晶片键合氧化限制底部发射850nm VCSEL阵列中,5 * 5 VCSEL阵列的平均阈值电流低至 346 毫安,而平均外量子效率接近 57%,室温连续波电流激射时单模输出功率超过 2 mW。他们还演示了大(10* 20VCSEL 阵列,其阈值电流和外量子效率的变化分别低于 4%与 2%。

2、晶片键合工艺长波长垂直腔面发射激光器(LW-VCSEL因其低价格、超低阈值和小的光束发散角,作为光纤通信系统中的激光源有很大的潜力。但是由于它的氧化层和有源层间存在着为满足足够的电流传播和弱的光横向限制的固有距离, 使 LW-VCSEL 遭受横电光限制, 因此在高的结电流时会出现一个不稳定的横模图形。

日本 NTT 光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结(BH引入 VCSEL 中,采用了薄膜晶片键合工艺使 InP 基掩埋异质结 VCSEL 制作在 GaAs-DBR 上。具体过程如下:(a采用 MOCVD 生长 InP 基激光器结构(第一次生长 ; (b采用反应离子刻蚀(RIE形成台面方形; (c再一次生长掺 Fe InP 层和 n-InP 层(第二次生长 ; (d又一次生长 p-InP 相位匹配和 p-InGaAs 接触层(第三次生长 ; (e 将外延层安装在 Si 板上并用蜡作机械支撑; (f 采用 HCl 和 H3PO4化学溶液腐蚀 InP 衬底和 InGaAsP 腐蚀中止层; (g将 InP 基和 GaAs 基层的两表面在相同结晶方向面对面放置,然后在室温下蜡熔解而使 Si 片分开,将样品送入退火炉以形成化学键合; (h将台面上部的 p-InGaAs 移开并将普通电极和 SiO2-TiO2介质镜从台面上移去。底部涂覆一层抗反射涂层。

因为熔合界面远离有源区,而且它不在器件电流通过的路径上,所以晶片键合过程不会影响器件特性。此 LW- VCSEL 结构有以下优点:首先,谐振腔波长可在晶片融合之前监控, 因此发射波长可以提前控制。第二,激光器工作的可靠性会由于有源层和 InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变得很高。此外, 它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为 p-GaAs-AlAs DBR 和 p-InP-p- GaAs 界面间的高电阻得到了消除。

四、垂直腔面发射激光器的优点

垂直外腔面发射半导体激光器是二十世纪九十年代后期发展起来的新技术。它兼顾了面发射激光器、边发射激光器和固体激光器三者的优点,既有好的光斑模式和较高的输出功率,波长又很容易设计成不同波段。与垂直腔面发射半导体激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL相比,VECSEL的光斑尺寸比较大(≈ 100微米,VCSEL尺寸只有几微米,输出功率已经得到 2W 以上 (VCSEL的功率只有几毫瓦 [1]; 通过外腔选模, 输出的光斑质量可与TEM 00模固体激光器相比拟, 同时由于VECSEL的输出镜和半导体增益芯片是分离的, 因此可以在腔中加入各类调谐元件,类似固体激光器。与固体激光器相比,VECSEL在吸收光和发射光波长方面也有很大的优势。由于半导体材料的吸收带很宽,因此对泵浦源的波长及稳定度要求不高。发光波长是由半导体增益介质的材料组分和量子阱的厚度决定的,原则上可以得到 600nm-1700nm的任何波长,覆盖范围广,并且可以连续变化。经过倍频后,可以扩展到目前热点追踪的蓝绿光波段 [2]。

五、垂直外腔面发射半导体激光器的应用

VCSEL 发射激光器是光通信中的一种深具潜力的固体激光源,被称为新千年最重要的光通信器件。其特征为圆形输出光束,易与光纤耦合,转换效率高,调制速率快,阀值很低,噪声小;垂直

腔面很小,易于高密度大规模集成和成管前整片检测。VCSEL 还非常适合在光互连、激光打印、气体检测、高密度光存储、显示方面的应用。

VCSEL 的运用,使得曾经受控于 LEDs 或边发射的激光技术获得更高效率、更大作用以及更高精度。从光驱到多维光导网络,从 DVD 播放器到动作感应装置,从信息到工业乃至医药市场无数的应用中,VCSEL 都能实现惊人的成效。VCSEL 已完全使光电科技步入更高水平。

在生物医学中,观察生物用的普通染料有毒,容易使生物活性细胞死掉。二十世纪九十年代末开发出的荧光蛋白质染料是具有生物活性的物质,不会杀死活体细胞,日益得到广泛应用。图 1是四种典型的荧光蛋白质的吸收光谱。可以看出,除了ECFP的吸收是 400nm左右的短波长,其他三种活性荧光染料都可以用 488nm的激光来激发。而对于 514nm附近的波长,其他三种蛋白质(绿、黄、红的吸收都在50%以上,即这个波长可以同时激发三种染料,特别适用于多波长生物标识。因此488nm-514nm波长在生物医学中有很重要的应用价值。由于固体激光器发光波长的限制, 目前主要的激光源是氩离子激光器。但氩离子激光器功率消耗大,寿命有限[3],因此开发 488nm-514nm波长的小型化固体或半导体激光器,取代气体激光器,对节省能源,降低消耗,保护生态环境方面具有重大意义。由于VECSEL同时缩小了泵浦源和谐振腔两部分,使总体体积大大缩小,在实际应用中,可以很方便地作为仪器仪表和显微镜的配套光源,携带方便,实用化程度高。因此研制出以GaAs为衬底的976nm-1028nm的OP-VECSEL, 倍频后得到 488nm-514nm波长的VECSEL连续激光器具有重大意义。此外,生物医学上观测的活性样品在连续光照射下容易被破坏,利用红外光源的双光子吸收可以解决这个问题,并消除激发光源的背景干扰,提高分辨率。由于VECSEL的增益芯片和腔镜是分离的,激光腔中可以加入半导体可饱和吸收镜(SESAM被动锁模,产生皮秒或飞秒宽度的脉冲,较好地满足这种需求。从荧光蛋白质的发射谱(见下图来看,如果激发光波长和发射光波长过近,容易造成背景光干扰。而双光子吸收利用的基频光是近红外光,远离发射波长,没有干扰。如果作为DNA和蛋白质芯片检测用光源, 由于没有背景光的干扰, 可以提高分辨率, 减少误诊率。这是研制 976nm-1028nm 波长的锁模脉冲激光器的重要意义。而这一波段,恰恰是固体激光器的空白。利用半导体能带工程, 就可以开发出适用生物检测的激光波长,正是VECSEL的优势所在。

光泵浦 VECSEL 是新型激光器,波长还可以延伸至通信波长和自由空间通信波长,有很大的研究、开发价值和应用前景。

半导体激光器原理

半导体激光器原理 一、半导体激光器的特征 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器,由于物质结构上的差异,产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓:GaAs:、硫化镉:CdS:、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器具有体积小、效率高等优点,广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。 二、半导体激光器的结构与工作原理 现以砷化镓:GaAs:激光器为例,介绍注入式同质结激光器的工作原理。 1〃注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构,故形成激光的机理有其特殊性。 :1: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。 :2: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:见图19,24:。

图19,24 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:×1018cm-1;p型为:1,3:×1019cm-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:见图19,25:。 图19,25 :3: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

垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用.

标题: 垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用 发信站: 紫金飞鸿(2002年01月09日16:06:43 星期三, 站内信件 垂直腔面发射激光器的研究进展及其应用 王莉陈弘达潘钟黄永箴吴荣汉 ( 中国科学院半导体研究所北京100083 摘要:垂直腔面发射激光器VCSEL 具有常规半导体激光器不可比拟的优点其光束是园形的易于实现与光纤的高效耦合VCSEL 的有源区尺寸可做得非常小以获得高封装密度和低阈值电流适宜的设计可将激光二极管制成简单的单片集成二维列阵以实现二维光数据处理所用的激光源芯片生长后无须解理封装即可进行在片实验由于VCSEL 的优良性能从而获得了国内外科技界企业界的高度关注本文对这种器件的性能开发现状及应用作简要的概述关键词垂直腔面发射激光器光纤通信光网络光互连 1 引言 近年来由于人们对于超长距离超高速千兆比特/秒(Gbit/s及至兆兆比特/秒(Tbit/s光纤网络的需求对于高性能低成本光互联网的需求以及对于光学存贮密度的不断提高的要求使一种极其优秀的异型半导体激光器垂直腔面发射激光器(VCSEL应运而生1979年东京工业大学的Iga 提出了垂直腔面发射激光器的思想并于1988 年研制出首枚VCSEL 器件自诞生之日起其优异的性能就获得了人们的青睐科学家们以极大的热情投身到它的研究和开发中去使其蓬勃发展短短的十几年来其波长材料结构应用领域都得到迅猛发展部份产品进入市场据美国Cousultancy ElectroniCast 公司最近预测[1] 仅就用于全球消费的VCSE L 基光收发机而言2003 年VCSEL 将达到11.43 亿美元2008 年将达到近60 亿美元 2 垂直腔面发射激光器性能及结构 2 . 1 垂直腔面发射激光器的特性 垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 简称VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器它是光子学器件在集成化方面的重大突破VCSEL 与

可调谐垂直腔面发射激光器

第４２卷 第４期２０１８年７月 激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ，２０１８ 文章编号：１００１-３８０６（２０１８）０４-０５５６-０６ 可调谐垂直腔面发射激光器 李保志，邹永刚 * （长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，长春１３００２２） 摘要：近年来国内外在可调谐垂直腔面发射激光器这一研究领域取得了极大的进步。叙述了可调谐垂直腔面发射 激光器的结构原理和发展历程，对不同结构的优缺点作了对比介绍，展望了可调谐激光器的发展前景。这种器件在光传输、光互连及光并行信息处理等方面有着良好的应用前景。 关键词：激光器；可调谐半导体激光器；谐振腔光程；面发射中图分类号：ＴＮ２４８．４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．７５１０／ｊｇｊｓ．ｉｓｓｎ．１００１-３８０６．２０１８．０４．０２３ Ｔｕｎａｂｌｅｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｓ ＬＩＢａｏｚｈｉ，ＺＯＵＹｏｎｇｇａｎｇ （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｉｇｈ-ＰｏｗｅｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｓ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｔｕｎａｂｌｅｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｓ．Ｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｉｓｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ａｎｄｔｈｉｓｎｏｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｓｍａｌｌｏｐｔｉｃａｌｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ｂｅｉｎｇｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｏｔｈｅｒｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｉｎｃｈｉｐ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎａｂｌｅｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅ-ｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｍｉｃｒｏ-ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙｏｆｔｕｎａｂｌｅｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｓｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｕｎａｂｌｅｌａｓｅｒｓｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｕｎａｂｌｅｌａｓｅｒｓｏｆｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｃａｎｍａｋｅｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔｌｏｗｅｒ．Ｌａｒｇｅｒａｎｇｅｔｕｎａｂｌｅｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｏｕｔｍｏｄｅｈｏｐｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｈｉｇｈ-ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｌａｓｅｒｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄｌａｓｅｒｒａｎｇｉｎｇ．Ｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｄｅｖｉｃｅｈａｓｇｏｏｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｌｌｅｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｓ；ｔｕｎａｂｌｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ；ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇ 作者简介：李保志（１９９３-），男，硕士研究生，主要从事光 电子技术及应用方面的研究。 *通讯联系人。Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｏｕｙｇ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２０１７-１０-０９；收到修改稿日期：２０１７-１２-２５ 引 言 与传统的边发射激光器不同，垂直腔面发射激光器（ｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｈｉｎｇｌａｓｅｒ，ＶＣＳＥＬ）是一种光垂直于衬底表面发射的新型激光器 ［１］ 。自２０世纪 ７０年代被发明以来，ＶＣＳＥＬ在光通信、光互联和光存储等领域都得到了广泛应用，并且在高性能计算机（ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＨＰＣ）、磁光记录仪、原子钟、电子控制产品（激光成像和制导、激光雷达）等领域也具有广泛的应用前景。ＶＣＳＥＬ除了可在同一衬底上并列集成多个器件外，还具有圆形对称光斑、体积 小、阈值低、单纵模、耦合效率高、调制速率高［２］ 等诸多优点。 一般的ＶＣＳＥＬ器件发射波长是不变的。在密集波分复用通信系统（ｄｅｎｓｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅ-ｘｉｎｇ，ＤＷＤＭ）［３］ 中，若要得到波长不同的光需要将多个ＶＣＳＥＬ集成在一起，这样会造成系统不稳定并增加了生产成本。至此，波长可调谐ＶＣＳＥＬ的提法便应运而生。２０世纪９０年代初，美国加州大学伯克利分校的ＣＨＡＮＧ-ＨＡＳＮＡＩＮ研发出了第１个波长可调谐的 ＶＣＳＥＬ，波长调谐范围为１９ｎｍ［４］ 。在近几十年的发展过程中，可调谐ＶＣＳＥＬ的调谐范围大大增加，调谐方式也更为丰富，具体可分为静电调谐、压电调谐、电热调谐和液晶调谐４种调谐方式。国内外主要的研究机构有：中国科学院半导体研究所、长春理工大学、北京工业大学、德国达姆施塔特工业大学、法国布列塔尼欧 万方数据

半导体激光器的研究

半导体激光器的研究 半导体激光器是近年来应用非常广泛的一种激光器。在本实验中我们将对半导体激光器的主要发光器件——激光二极管（LD）进行全面的实验研究。 【实验内容】 1．激光二极管（LD）的伏安特性测量。 2．LD的发光强度与电流的关系曲线测量。 3*．LD发光光谱分布测量。 4*．LD发光偏振特性分析。 【实验仪器】 激光二极管，电压表，电流表，激光功率计，分光计，格兰—泰勒棱镜等

阅读材料 半导体激光器件 按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势效应，即光—电变换。这里主要讨论前者。 半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写为LED。它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD 可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。 半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。特别是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。 1 概述 1）半导体激光器的分类 从半导体激光器的发射的激光看，可分为半导体结型二极管注入式激光器和垂直腔表面发射半导体激光器两种类型；而从结型看，又可分为同质结和异质结两类；从制造工艺看，又可为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器和量子阱半导体激光器激光器；另外，为了提高半导体激光器的输出功率，增大有源区，将其做成列阵式，又可分为单元列阵、一维线列阵、二维面阵等。 2）半导体激光器的工作原理 半导体激光器与其它激光器没有原则区别，只是因工作物质不同，而有其自身的特点。图示给出了GaAs激光器的外形及其管芯结构，在激光器的外壳上有一个输出激光的小窗口，激光器的电极供外接电源用，外壳内是激光器管芯，管芯形状有长方形、台面形、电极条形等多种。它的核心部分是PN结。半导体激光器PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，这两个表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成激光谐振腔。激光可以从某一侧解理面输出，也可由两侧输出。 半导体材料是一种单晶体，各原子最外层的轨道互相重叠，导致半导体能级不再是分

转换半导体激光器的波长面临挑战

转换半导体激光器的波长面临挑战 非线性光学技术是填补激光光谱空白的有效办法，它包括简单的谐波产生和更为复杂的光参量振荡器（OPO）。二极管泵浦钕激光器的倍频使得绿色激光指示器的价格更低、结构紧凑，但是为什么开发人员不放弃激光泵浦，然后直接通过倍频的方式来产生所需的波长呢？ 绿光激光器实现了这一点，MicorVision公司生产的微微投影仪已经进入市场。但是这并不容易。非线性波长转换不仅需要高的激光源功率，激光打标机而且需要高的光束质量和窄线宽发射。https://www.wendangku.net/doc/e58457361.html,把这些特性都集中到一台半导体激光器上并不容易。然而随着技术的不断进步，第一款产品已经进入市场，开发人员还在报告着更多令人兴奋的成果，包括新型激光器设计、二极管泵浦OPO、量子级联激光器的谐波和差频的产生。深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机 寻求倍频的二极管激光器 对二级管激光器进行倍频的工作起始于上世纪90年代早期，当时二极管已经达到较高的功率水平，但是波长止于红光。对近红外二极管激光器的输出进行倍频，可以得到可见光谱中的短波输出。激光打标机针对激光显示等应用，还可使用直接调制的短波激光器。 相干公司成功研制出一款名为D3的激光器（直接倍频二极管激光器），该激光器对860nm二极管激光器的100mW输出进行倍频，从而生成10mW的430nm波长的蓝光。它使用分布式布拉格反射激光器用于窄线宽输出，其输出还需要模式匹配并且相位锁定到外腔谐波发生器。这是业界第一款产品，但是由于没有找到合适的应用而最终退出市场。毫无疑问，部分原因是由于当时在日亚化学株式会社的中村修二成功开发出了蓝光氮化铟镓（InGaN）激光器。相干公司最终开发出了光泵表面发射半导体激光器，它可以倍频输出可见光，但是其更像固体激光器而非二极管激光器。 蓝光二极管激光器的成功，在绿光为中心的可见光光谱中留下了空隙。几年后，当消费电子领域寻找一种新技术用于投影电视的时候，这一问题凸显出来。如果可以找到合适的530nm激光源，激光背投电视可以提供比平板显示更好的色域。倍频钕激光器似乎是一个合理的选择，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机但是由于不能按照所需速率直接对其进行调制，因此开发人员转而寻求倍频1060nm的二极管激光器或其他激光器，以生成530nm的绿光。 随着背投电视逐渐淡出消费电子市场，大多数项目都因此搁浅，但也有一些项目转向了那些用于移动设备的微微投影仪。Portola Valley公司的光学顾问John Nightingale表示，这类应用的成本要远低于电视应用。 康宁公司已经在刚起步的微投影仪市场上有所开拓。去年该公司推出了一款商用版的投影仪，并为MicroVision公司的Showwx投影仪提供激光器，后者用于iPod和笔记本电脑。康宁公司的绿光激光器对分布式布拉格反射（DBR）激光器的1060nm的输出进行倍频，该DBR激光器发射单频单模激光激光打标机。该激光器包括三部分：第一部分是DBR光栅，第二部分是相位调节器，第三部分是增益介质。康宁公司最初报道的结

半导体激光器特性测量

半导体激光器特性测量实验 摘要：激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。 关键字：半导体激光器偏振度阈值光谱特性 一、引言 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。半导体激光器发射激光必须具备三个基本条件：（1）产生足够的粒子数反转分布；（2）合适的谐振腔起反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）满足阀值条件，使光子的增益≥损耗。半导体激光器工作原理是用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，在自发辐射和受激辐射的作用下，将有某一频率的光波产生（用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），在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，输出激光。 二、实验仪器 半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑、光功率指示仪等。 三、实验原理 3.1半导体激光器的基本结构 半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示，p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面其镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输连成线，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光电路。

半导体激光器的发展与运用

半导体激光器的发展与运用 0 引言激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子 阱 （单、多量子阱）等多种形式, 制作方法从扩散法发展到液相外延（LP日、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE 以及它们的各种结合型等多种工艺[5].半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点, 使它已经成为当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度 重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管（LD）。随着半导体物理的发展,人们早在20 世纪50 年代就设想发明半导体激光器。 20 世纪60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, 是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962 年7 月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（KeyeS和奎斯特（Quist、报告了砷化镓材料的光发射现象。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAIAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器（SHLD，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP 一N 结的P 区之内,以此来降低阀值电流密度的激光

器。 1970 年,人们又发明了激光波长为9 000? 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化稼一稼铝砷）激光器. 在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs 二极管激光器. 从20 世纪70 年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下, 高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上,脉冲输出功率在5W 以上, 均可称之谓高功率半导体激光器）在20 世纪90 年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出 已达到600W另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出 光束进行调制。 20 世纪90 年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。 目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络,为了满足21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD大功率LD短波长LD盆子线和量子点激光器、中红外LD

垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展

Optoelectronics 光电子, 2017, 7(2), 50-57 Published Online June 2017 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/e58457361.html,/journal/oe https://https://www.wendangku.net/doc/e58457361.html,/10.12677/oe.2017.72008 Research Progress of VCSEL Yang Wang, Bifeng Cui, Tianxiao Fang Key Laboratory of Opto-Electronics Technology, Ministry of Education, Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing Received: May 20th, 2017; accepted: Jun. 3th, 2017; published: Jun. 8th, 2017 Abstract This paper gives an introduction to the progress of VCSEL mainly including the VCSEL commercial products and performance optimization of research area in recent years based on overall review of recent research reports for the VCSEL and the commercial VCSEL products of major companies. Keywords VCSEL, High Power, Application, Array 垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展 王阳，崔碧峰，房天啸 北京工业大学信息学部，省部共建光电子技术教育部重点实验室，北京 收稿日期：2017年5月20日；录用日期：2017年6月3日；发布日期：2017年6月8日 摘要 通过对近几年研究单位报道的VCSEL的研究成果以及目前各大公司的商用VCSEL产品进行分析总结，重点介绍了VCSEL的商用产品以及研究领域其性能优化情况，综述了近几年VCSEL的研究进展。 关键词 VCSEL，大功率，应用，阵列 文章引用:王阳, 崔碧峰, 房天啸. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究进展[J]. 光电子,2017, 7(2): 50-57.

半导体激光器研究的依据及意义-Read

半导体激光器研究的依据及意义 信息技术已成为当今全球性战略技术。以光电技术和微电子技术为基础所支持的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影响国民经济、国建设的各个领域。其中，半导体激光器起着举足轻重的作用 半导体激光器 ，其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键器件。在光谱技术、光外差探测、医疗、加工等领域得到愈来愈广泛的应用。目前，它已是固体激光器泵浦、光纤放大器泵浦中不可替代的重要光源。 但是，半导体激光器正常工作时，需要稳定的环境温度。环境温度的变化以及激光器运转时器件发热而导致其温度起伏，将直接影响激光器输出功率的稳定性和运行的安全可靠性，甚至造成半导体激光器的损坏。因此，半导体激光器的驱动电源温度控制问题越来越受到人们的重视。 阀值是所有激光器所具有的特性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点。由于半导体激光器是直接注入电流的电子—光子转换器件，因此其阀值是常用电流密度或者电流来表示的。温度是影响半导体激光器阀值特性的主要因素。温度对阈值电流密度的影响由下面公式 J th （T ）=J th （T r ）exp[(T-T r )/T 0] 1. (1) 给出。T 为半导体激光器的工作温度，T r 为室温，J th （T ）为工作温度 下的阈值电流密度，J th （T r ）为室温下的阈值电流密度，T 0是表征半导 体激光器温度稳定性的特征温度，它与激光器所使用的材料及结构有关。 温度的变化也影响半导体激光器的激光波长，λ=2nL/m 1.(2) 中，n 为折射率，m 是模数，波长λ随折射率n 和长度L 较大程度的影响。波长λ对T 微分，这里，折射率是温度和波长的函数，即： (1/λ)(d λ/dT)=(1/n)(аn/аλ)T (d λ/dT)

半导体激光器实验报告

半导体激光器实验报告 课程：_____光电子实验_____ 学号： 姓名： 专业：信息工程 南京大学工程管理学院

半导体激光器 一．实验目的 （1）通过实验熟悉半导体激光器的光学特性 （2）掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节 （3）根据半导体激光器的光学特性考察其在光电技术方面的应用 二．实验原理 1.半导体激光器的基本结构 半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料。P-n结通常在n 型衬底上生长p型层而形成，在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励 电流能够通过，电流使结区附近的有源区产生粒子数反转。 2.半导体激光器的阈值条件 当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立刻出现激光震荡，小电流时发射光大都来自自发辐射，随着激励电流的增大，结区大量粒 子数反转，发射更多的光子，当电流超过阈值时，会出现从非受激发射 到受激发射的突变。这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的 缘故，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数（每秒） 正好等于平面散射，吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。 3.横模和偏振态 半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由固有的传播常数和横向电场分布，这些 模就构成了激光器中的横模。横模经端面射出后形成辐射场，辐射场的 角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。 共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大，由于共振腔平行于结面方向 的宽度大于垂直于结面方向的厚度，所以侧横场小于正横场的发散角。 激光器的GaAs晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率，因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激发射，反过来又抑制了TM 模，另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越

实验一-半导体激光器系列实验

实验一-半导体激光器系列实验

实验一半导体激光器系列 实验

一、实验设备介绍 2．配套仪器的使用 WGD-6光学多道分析器的使用参考WGD-6光学多道分析器的使用说明书。 3．激光器概述 光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。半导体激光器，调频器，放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通 - 1 -

讯，光计算机的发展。 激光器一般包括三个部分： （1）激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。 （2）激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 （3）谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块大部分反射、 - 2 -

半导体激光器的发展及其应用

浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。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。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。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。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件: 1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。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。 2、要实际获得相干受激辐射,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜。对F—p 腔(法布里—珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与p-n结平面相垂直的自然解理面构成F-p腔。 3、为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔

GaAs基垂直腔面发射激光器综述

InP/InGaAsP垂直腔表面发射激光器综述 摘要： 简要介绍了半导体激光器的基本原理，基于InP/InGaAsP 材料的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的基本原理与结构，分布布拉格反射器（DBR）的材料与各层厚度，以及1.3μm的VCSEL在光纤通信方面的应用。 关键词:半导体激光器垂直腔表面发射激光器InP/InGaAsP 引言： 1962年，世界上第一台半导体激光器——GaAs激光器实现了低温下的脉冲工作。1970年实现了室温下连续工作，其后半导体激光器取得了迅速的发展。目前半导体激光器在光存储、光陀螺、激光打印、激光准直、测距等方面有广泛的应用。尤其在光纤通信中，它是最重要的光源之一。 垂直腔表面发射激光器的概念是由日本科学家Iga等人于1977年提出，并且于1979年研制出了第一只VCSEL，但只能实现低温下的激射，阈值电流也很高。该研究小组于1988年实现了0.86μm GaAs/AlGaAs 材料的VCSEL室温下的脉冲激射。随着外延技术的发展，使得制造出高反射率的半导体布拉格反射器成为可能，这大大加速了VCSEL的研究进程。1989年贝尔实验室制作出了第一只室温下连续波工作的0.98μm单量子阱VCSEL。其后VCSEL迅速发展，至1996年，美国的Honeywell公司提供了第一只应用于光纤通信的商用质子注入型VCSEL。近几年，1.3μm与1.55μm波长的VCSEL是研究的热点，它们在中短距离通信方面有重要的应用。 1 半导体激光器简介 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质，利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生激光的光振荡器和光放大器的总称。它具有体积小，重量轻，寿命长，效率高，可利用调制高频电流的方法实现高频调制，可批量生产，可单片集成化等诸多优点。 半导体激光器发出激光的必要条件有：（1）实现粒子数反转，即将价带的电子激发到导带形成大量的电子——空穴对。（2）有一个能起光反馈作用的谐振腔。（3）满足一定的阈值条件使光增益大于光损耗。

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf = Eg f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ， h=6.628×10?34 J ·s ，leV=1.60×10?19 J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 λ c =f ) ( )(24.1m eV Eg μλ=

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85 μm 波段， InGaAsP-InP 材料适用于 1.3~1.55 μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值 功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量 子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节 的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线 ) (th d th I I e hf P P -+=η

半导体激光器

半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管[1](LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。 A 小功率LD 用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。 B 高功率LD 1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1 mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。 近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。 【特点及应用范围】半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 【半导体激光器的发展及应用】半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。 在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写

半导体激光器实验报告

实验13半导体激光器实验 【实验目的】 1.通过实验熟悉半导体激光器的电学特性、光学特性。 2.掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。 3.根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。 4.掌握WGD-6光学多道分析器的使用 【仪器用具】 半导体激光器及可调电源、WGD-6型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台、光功率指示仪 【实验原理】 1、半导体激光器的基本结构 半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器，也称激光二极管，激光二极管的英文名称为laser diode，缩写为LD。大多数半导体激光器用的是GaAs或GaAlAs材料。P-N结激光器的基本结构和基本原理如图13-1所示，P-N结通常在N型衬底上生长P型层而形成。在P区和N区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使得附近的有源区内产生粒子数反转（载流子反转），还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必需的光反馈。 图13-1（a）半导体激光器结构

图13-1（b ） 半导体激光器工作原理图 2、半导体激光器的阈值条件 阈值电流作为各种材料和结构参数的函数的一个表达式： )]1ln(21[8202R a D en J Q th +?=ληγπ 这里， Q η是内量子效率，0λ是发射光的真空波长，n 是折射率， γ?是自发辐射线宽， e 是电子电荷，D 是光发射层的厚度， α是行波的损耗系数，L 是腔长，R 为功率反射系数。

图13-2半导体激光器的P-I特性 图13-3 不同温度下半导体激光器的发光特性 3、伏安特性 伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。 图13-4典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线 3、横模特性 半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由自己的传播系数β和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。横模经端面出射后形成辐射场。辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直结面方向分别成为正横场和侧横场。 辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于共振腔平行于结面方向的宽带大于垂直于结面方向的厚度。所以侧横场小于正横场 θ=，d表示共振腔宽度。共振发射角，如图13-5所示；侧横场发射角可近似表示为：d/λ

半导体激光器

半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 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面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏