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朱振刚 日记

色谱仪,光谱仪,红外线分析器制造

 
 
 

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半导体激光器  

2012-02-22 19:22:50|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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半导体激光器

半导体激光器包含一系列元素周期表中的第II - VI 主族的第二、第三和第四级元素。通过分别组合第II - VI 主族或第IV 和VI的元素,这些激光器的发射光谱范围可从蓝光(~400纳米)到红外光之间变化。半导体激光器的可选光谱范围广,同时还具有体积小、工作电流低、工作成本低、效率高等特点,是目前最重要并广泛应用的激光器类型之一。请参看我们的相干光源页面了解Thorlabs提供的所有激光二极管。如果您所需要的二极管不在相干光源页面所列之中,请联系技术支持

Fabry-Perot激光二极管

Fabry-Perot(FP)激光二极管是最简单的半导体激光器类型。在FP激光二极管中,半导体的两端经过原子水平上的切割后相互平行,构成一个谐振腔。半导体就相当于增益介质,激光通常会从两个高反射率的边缘中的一个出射。FP激光器一般发射单纵模的激光,并在小光谱范围内表现出温度控制的可调性。由于半导体芯片的尾端构成了激光器的谐振腔,不同的纵模也会出现在发射的激光中,从而展宽了激光光谱的线宽(100-1000GHz)。若要获取更小的线宽,应使用其它类型的激光二极管,如分布式反馈(DFB)和分布式布拉格反射器(DBR)。这几种类型的半导体激光器将在下文中进行讨论。

一般情况下,激光二极管的输出功率和波长可通过改变温度和/或电流进行调节。这对于红外激光二极管尤为明显,只要温度发生微小变化,其小带隙就会受到严重影响。这样一来,几乎所有的激光二极管都可以通过改变温度进行调节,但这种可调性一般比较小(~几十纳米)。激光二极管也具有一些基于电流变化的功率可调性。增大输入电流可以将受激辐射增大到某个特定的值;然而超过该数值后,自发辐射会开始和受激辐射过程发生竞争。因此,我们建议将输入电流保持在每个激光二极管标定的范围之内。
FP Laser Diode
1. 位于热沉激光二极管的FP芯片

 

受激辐射的偏振方向与结平面平行,而自发辐射则没有固定的偏振方向。若需要得到高偏振效率(50:1或更高),我们也推荐将将输入电流保持在每个激光二极管标定的范围之内。

第一个FP激光二极管使用单一的半导体材料,主要是砷化镓,来构成单个p - n 结二极管。这些二极管随后被称为同质结激光二极管。1-4虽然这些早期的FP激光器阐释了激光二极管的原理,但对于连续波而言低温条件还是很必要的,这样可以防止高电流密度损伤阈值引起的损坏,这些器件的固有的Jth ≈ 105 A/cm2。数年后,异质结激光二极管的问世减小了之前的高阈值电流密度,并发展出大量的室温FP激光二极管。

图1显示了一个在激光二极管热沉上的FP芯片。该芯片有两个焊接的金质电极与n-和p-掺杂的半导体层连接。FPL2000C芯片可以构成一个FP激光谐振腔,经调整后可以发射出30毫瓦的2000纳米连续波激光。FP激光谐振腔的光谱带宽约为15纳米(非常小)。该二极管具有量子阱结构,这会在下文中进行阐述。

Thorlabs公司提供几种不同类型的FP激光二极管。封装的FP激光二极管具有可见光红外光两种类型。我们还提供蝶形封装位于热沉封装上的芯片,使得我们的LD产品系列更加完备。我们还提供高功率、大面积激光(BAL)二极管。若需要其它FP激光二极管请联系技术服务

 

异质结激光二极管

异质结结构让室温下的连续波工作激光二极管广泛地发展。单异质结(SH)结构是最早的异质结激光二极管,之后很快出现了双异质结(DH)激光二极管。DH激光二极管是目前最常用的激光二极管之一。简单地说,DH激光二极管具有阈值电流密度低、室温下工作以及效率高的特点。 

 

双异质结激光二极管内含一个被两层较厚(1-2微米)熔覆层包围的薄层有源区域(100-200纳米),这样就构成了一个pn 结。图2显示了一个典型DH激光二极管的结构。在这个例子中,GaAs有源区厚度为0.15微米,熔覆层为p-Al0.3Ga0.7As和n-Al0.3Ga0.7As,厚度为1微米。该结构置于一个厚GaAs基底上。与单结激光二极管相比,这种构造可将Jth 减小到Jth ≈ 1 - 3 kA/cm2,并且能提高效率,这是因为

1. 

由于与p-和n-熔覆层(n=3.4)相比GaAs具有更大的折射率(n=3.6),使得GaAs有源区域产生光子禁锢效应。

2. 

由于与p-和n-熔覆层(Eg ≈ 1.8电子伏特)相比GaAs具有更小的带隙(Eg ≈ 1.5电子伏特),使得GaAs有源区域产生载波限制。

3. 

有源区域和熔覆层之间的带隙差异导致光子吸收减小。只有等于或大于较大带隙能量的光子才能被吸收。这样就导致只有在发射光谱分布中的蓝色末端才有较少的吸收。

 
















DH Laser Diode Structure
2. DH激光二极管结构


DH Laser Diode Structure

2. DH激光二极管结构

 

DH激光二极管带有一些限制,能够影响波长范围和器件性能。DH激光二极管最大的缺陷在于严格的晶格匹配条件。大于0.1%的晶格不匹配将导致有源区和熔覆层之间产生应变,从而产生非辐射电子-空穴复合。晶格匹配限制减少了可用于有源区和熔覆层中的元素,最终减少了可实现的光波波长数以及增大Jth的能力。

Thorlabs提供各种可见光近红外区域的DH激光二极管。

量子阱激光二极管

量子阱(QW)激光二极管是DH激光二极管中比较特殊的一种类型,它的有源区厚度D接近德布罗意波长。

 

 D = λdeBroglie ≈ h/p(1)

 

QW结构与DH晶体或结构相比,具有很多优势。这里只讨论最重要的结果。读者可以阅读参考文献5或其它参考文献了解更多关于QW与晶体光学特性间的信息。QW结构与标准晶体DH结构相比,具有高差分增益的特点。此外,与类晶体结构相比该增益受温度变化的影响较小。
QW Laser Diode Structure
3. QW激光二极管结构

 

左边的图3显示了一个QW结构的例子。该QW结构包含一个被两层分别厚度为100纳米的Al0.2Ga0.8As 禁闭层包围的10纳米厚的GaAs有源区。禁闭层则被两层厚1微米的高带隙、低折射率Al0.6Ga0.4As 材料包围。

这种结构的阈值电流密度比类似的DH异质结(Jth ≈ 100 - 300 A/cm2)小4-5倍。由于使用了特殊的外覆层/禁闭结构,QW结构的厚度减小的同时增大了光子的禁锢效应。此外,与晶体结构相比,由于增益的增大,使得QW结构对器件性能也有一定提升。

量子阱结构还能减小DH结构中出现的严格晶格匹配系数。对于非常薄的QW结构而言,晶格结构的不匹配可能为1 - 3%。大面积晶格差异的QW激光二极管在工作时不需要考虑与DH激光二极管相关的边界匹配问题(非辐射电子-空穴复合)。 这些量子阱结构通常被称为应变量子阱(SQW),并且能够获得之前DH激光二极管不能实现的新波长范围。这些SQW与非应变QW相比还改善了吸收特性、效率和与之电流密度。更多关于SQW的信息请参看参考文献5。 

 

QW结构可以是由两个高带隙材料直接构成或进行QW(窄带隙)/屏障(高带隙)材料交替排布而构成。后者被称为多量子阱(MQW)排布。MQW结构如右图图4所示。在这种结构中,在p - n 结之间重复排布5纳米的低带隙层和4纳米的高带隙层。

QW或屏障组成材料、材料层或屏障厚度和QW(如多层 ML725B8F)数量的不同,都会改变MQW的辐射特性。6 MQW排布的唯一限制为高带隙材料(厚度和带隙)必须足以消除电子隧穿效应,否则会大大减小器件的效率。

Thorlabs提供各种可见光近红外区域的MQW激光二极管。

MQW Laser Diode Structure
4. MQW能量图

分布式反馈激光二极管

分布式反馈(DFB)激光二极管将一个光栅集成到包围DH激光二极管的一层熔覆层上。与DH激光二极管相比,这种刻蚀(或沉积)的衍射光栅能提供更窄的激光线宽和高温度稳定性。由于衍射光栅会对能存在于增益介质中的波长进行选择,因此对于DFB激光二极管而言两个反射末端是不必要的。

右边的图5为一个DFB激光二极管的示意图。InGaAsP有源层具有与λ = 1550纳米对应的带隙,该层被InGaAsP熔覆层包围,它的带隙稍大,对应λ = 1300纳米发射光谱。其中一层熔覆层的厚度以周期Λ发生变化。每层熔覆层的一边都与一种高带隙、低折射率材料(p-InP 或n-InP)相邻。

其中熔覆层的变化在z方向上产生一个折射率neff ,其大小依赖于z方向的位置,

 neff(z) = <n(x, z)>x(2)

其中括号是指x方向上的平均值,与纵轴垂直。沿着x轴的横向光束分布具有一个较窄的宽度,几乎可以被有源区和熔覆层完全包容。我们可以设定折射率沿z轴方向的周期:

 
neff(z) = n0 + n1sin[(2πz/Λ) + φ]

(3)

其中n0n1为熔覆层和基底的折射率,Λ为折射率沿着界面变化的周期,φ为位相因子。用布拉格定律构建一个光栅或其他周期元件,如果满足下列条件,前向和后向传播的光束将发生耦合:
DFB Laser Diode Structure
5. DFB激光二极管结构


λ = λB = 2<neff >Λ

            (4)

 

其中<neff >为z轴方向上的平均折射率。基于这种简单分析,在给定周期Λ明显只有一个波长能够存在于结构中。除此之外参考文献7、8和其它文献中给出了更加详细的分析处理。Thorlabs提供工作波长为1310纳米1550纳米的两种DFB激光二极管。若需要其它DFB激光二极管,请联系技术服务

垂直腔面发射激光二极管

 

垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管是激光二极管中一种独特的类型,其发射方向与有源层/结平面垂直。这与上述光传播/放大方向与结平面平行的的激光二极管正好相反。VCSEL激光器常用于需要低阈值电流密度Jth ≈ 3 - 5 kA/cm2和高发射密度的应用之中。由于有源区域小,VCSEL激光器的实际阈值电流(约为几毫安)比FP激光二极管低很多。    

较短的有源区域/增益介质会限制散射和吸收,并提高效率。较短的有源区域使VCSEL激光器即便在远高于阈值电流水平的电流下也可以在TEM00 模式下工作。但是,由于垂直发射和有源区域短,我们并不推荐将VCSEL激光器用于高功率应用,这样会限制增益长度。

右边的图6为一个VCSEL谐振腔示意图。因为这些激光二极管的发射方向垂直于结平面,所以它们可以在一个小区域内产生一个高发射密度。此外,由于与典型FP激光二极管相比这些二极管可以非常密集地排列,因此它们可进行非常高密度地封装,满足特定应用。

VCSEL的有源区包含几个厚度约为5-10纳米应变QW层,并在量子阱之间填充4-6纳米厚的高带隙材料。图7a为应变QW 结构构成VCSEL有源区的示意图。

 VCSEL
6. VCSEL能量图
VCSEL
7a. VCSEL的有源区
VCSEL
7b. VCSEL的激光谐振腔
VCSEL
7c. VCSEL的垂直结构

 

应变量子阱被两个熔覆层所包含,如图7b所示。这些熔覆层构成了VCSEL的激光谐振腔。该激光谐振腔的厚度约为1λ。对于尺寸与激光器谐振器相当的、工作在近红外(λ = 1-3微米)波段的VCSEL,其模式间隔将大约为Δλ ≈ 100-300纳米。这样的模式间隔在不同的输入电流下进行单纵模发射。

该激光谐振腔包含在一个厚λ/4的高折射率/低折射率重复排布的材料层中。这种多层(大约为15-25)布拉格反射层的分层结构会在光每经过四分之一波长就会产生一个峰值反射率,对应模式的光就会被增益介质放大。谐振腔中的其它模式将被λ/4的堆叠结构干扰,从而被损耗。这种垂直结构可参见图7c。这种结构固定在一片厚基底上,并接有金属电极。发射表面厚度为λ/2(用于位相匹配),上面带有一个直径约为5-10微米的圆形金属电极。

Thorlabs提供几种工作在近红外波段的已封装VCSEL。若需要工作在其它波长的VCSEL激光器

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