什么是半导体激光器

半导体器件

109人已加入

描述

什么是半导体激光器?

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。。其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)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,一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)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,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。

半导体激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激发,在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良,开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(Laser diode)等,广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器(激光笔),是目前生产量最大的激光器。

激光二极体的优点有:效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%,P-N型也达到数%~25%,总而言之能量效率高是其最大特色。另外,它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围,而光脉冲输出达50W(脉宽100ns)等级的产品也已商业化,作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。

半导体激光器主要性能参数定义

1.P-I 特性及阈值电流

P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律,因此是LD最重要的特性之一。

激光器

由P-I曲线可知,LD是阈值型器件,随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。

当注入电流较小时,有源区里不能实现粒子数反转,自发辐射占主导地位,LD发射普通的荧光,光谱很宽,其工作状态类似于一般的发光二极管。

随着注入电流的加大,有源区里实现了粒子数反转,受激辐射开始占主导地位,但当注入电流仍小于阈值电流时,谐振腔里的增益还不足以克服损耗,不能在腔内建立起一定模式的振荡,LD发射的仅仅是较强的荧光,称为“超辐射”状态。

只有当注入电流达到阈值以后,才能发射谱线尖锐、模式明确的激光,光谱突然变窄并出现单峰(或多峰)。

2.激光器线宽

半导体的激光器的线宽是多少?有的用nm表示,有的用Hz表示,计算公式是什么?经常会提到激光器的线宽《0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊?

线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度,一般表达形式:nm,Hz,cm-1。该参数与激光本身的波长由关系。

激光器

3. 边模抑制比(SSR)

边模抑制比是指在发射光谱中,在规定的输出功率和规定的调制(或CW)时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。

激光器

4. 振荡腔

激光器

谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进,并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡,运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的光子将不断增殖,在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束,这就是激光。为把激光引出腔外,可把一面反射镜做成部分透射的,透射部分成为可利用的激光,反射部分留在腔内继续增殖光子。

光学谐振腔的作用有:

①提供反馈能量,

②选择光波的方向和频率。

谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。两反射镜的曲率半径和间距(腔长)决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。

5. 三种类型的QCL

按振荡腔设计的差异,QCL可以分为三大类:

激光器

图1:QC激光器的基本结构包括FP-QCL(上图)、DFB-QCL(中图)和ECqcL(下图)。增益介质显

示为灰色,波长选择机制为蓝色,镀膜面为橙色,输出光束为红色。

FP-QCL:最简单的结构是F-P(法布里-珀罗)腔激光器(FP-QCL)。在F-P 结构中,切割面(天然理解面)为激光提供反馈,有时也使用介质膜以优化输出。

DFB-QCL:第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。这种结构(DFB-QCL)可以输出较窄的光谱,但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。通过最大范围的温度调谐,DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐(通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围,或者通过快速注入电流加热调谐获得2~3cm-1的范围)。

激光器

只有满足下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)。

激光器

EcqcL: 将QC芯片和外腔结合起来,形成ECqcL。这种结构既可以提供窄光谱输出,又可以在QC芯片整个增益带宽上(数百cm-1)提供快调谐(速度超过10ms)。由于ECqcL结构使用低损耗元件,因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。

三种类型的光通信激光器

在常用的三种激光中,FP激光比DFB激光容易产生,但FP激光的光线较宽(》1nm),波长的温度漂移也较大(0.5nm/℃), 因此不适用于高速和/或远程应用。

DFB激光的光线则相对较窄(《0.04nm),波长对温度的漂移也较小(0.1nm/℃),因此就比较适合高性能的通信应用。但DFB激光也有缺陷。首先,它工作在1500nm波段时很容易产生啁啾,因此通常需要外加调制器(在1300nm波段此局限并不重要);其次,它没有FP或VCSEL激光那样容易产生,而且所需的阈值电流也比VCSEL激光大。

VCSEL激光的优点是线宽较窄(0.35nm)且波长对温度漂移较小(0.06nm/℃)。另外,VCSEL激光的阈值电流也较小 (1mA),在相同的输出功率下,它比DFB激光和FP激光的效率更高,而且不象DFB激光那样容易产生啁啾。因而,即使速度为10Gbps的数据也可以直接采用VCSEL激光调制。最后,比起其它激光,制造和调整准直VCSEL都比较容易,这样就能够生产低成本基于VCSEL的收发器。这些特性看起来足以使VCSEL成为高性能通信应用的理想解决方案。其中850nm的VCSEL已经获得大规模的应用,但是由于长波长(1310nm、1550nm)的VCSEL具有输出功率不足以及制造工艺复杂等缺点,一直未能获得大规模应用。

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分