(激光器件课件)第三章 典型的半导体激光器

DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下优点： ① 易形成单纵模振荡； ② 谱线窄，方向性好； ③ 高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好； ④ 输出线性度好。
（四）垂直腔表面发射半导体激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL：
Vertical-cavity surface-emitting laser）
光纤微透镜直接耦合就是采用一定加工工艺把光纤端面 制作成一定大小和形状的微透镜直接对向大功率半导体 激光器的发光面，如半球微透镜耦合、圆锥微透镜耦合、 锥端球面微透镜耦合、椭双曲面微透镜耦合等
自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒 内产生径向的折射率分布而制成。它的聚光能力是 依靠折射率的渐变分布来实现的，焦距由透镜长度 决定。平端自聚焦透镜球差较严重，会聚光斑较大， 可把前端研磨成球面，补偿了透镜的球差。
由于激活区两侧折射率差都很大， “光波导效应非常显著，使光波传输 损耗大大减小。阈值电流密度更低， 可降到(102一103) A/cm2。
当采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作 激光器时，阈值电流密度下降到几 A/cm2。目前，这种激光器已成为极为 重要的、实用化的相干光源。
正向偏置时双异质结与同质结载流子分布的对比
(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射 (如光线b)。
光栅周期
Lm/2n
Λ=m B
2ne
(3.10)
ne 为材料有效折射率，λB为布喇格波长，m为衍射级数。
在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、 增益相同的纵模，其波长为
1,2
B
(1 2
2B )
2neL
(3.11)
(l) 两步重排整形法
要把线形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光 束分裂成n份，在一个方向上实现不等量的移动，称为 第一次重排;再在另一个方向上实现不等量的移动，实现 第二次重排。。
分布反馈激光器的要求： （1）谱线宽度更窄 （2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性 （3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐 （4） 阈值电流更低 （5）输出光功率更大
衍射光栅 N层
输出光
P层 有源层
(a)
∧ 光栅
b
a
有源层 (b)
图 3.13 分布反馈(DFB) (a) 结构； (b) 光反馈
如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射
正向偏置的同质结
正向偏置的双异质结
6
中间的窄带隙层ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 载流子形成了很好 的限制作用
窄带隙层一般还具有 比较高的折射率，光 波导效应明显
（三） 分布反馈（DFB）激光器
动态单纵模激光器：在高速调制下仍能单纵模工作的半导 体激光器。 分布反馈半导体激光器：在异质结激光器具有光放大作用 的有源层附近，刻上波纹状的周期光栅构成的。
光栅结构制作在限制层中
DFB激光器与普通激光器的对比
DFB激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的1/10左右 色散的影响大为降低，可以实现速率为10Gb/s的超高速传输
分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期 性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率 周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。
谐振腔的腔镜由折射率不同的物 质层交错堆积而成 从垂直于半导体薄片的方向发射 激光，使激光束的截面成为圆形， 减小了激光束的发散角，克服了原 来从半导体侧面发光的缺点。 能够在同一块板上集成一百万只 小激光器，其激发电流仅1mA。
表面发射半导体激光器
表面发射半导体激光器
边缘发射半导体激光器
与边缘发射半导体激光器阵的差别：
Spot 2 x 40 mm (FWHM) Spot 1.3 x 1.3 mm (FWHM) Spot 0.4 x 1.3 mm (FWHM)
半导体激光器的光束整形 直接整形聚焦
半导体激光器的光束整形
改进后的整形聚焦
2、光纤直接耦合
包括光纤直接耦合和光纤微透镜直接耦合两种。
光纤直接耦合就是把端面己处理的平头光纤直接对向大 功率半导体激光器的发光面。
制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。 用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很小， 最小可到1m,而每一个边缘发射半导体激光器最小也有50m.
半导体激光器的光束整形
1.直接光束整形
40 mm 1.3 mm
0.4 mm
2 mm
1.3 mm
1.3
mm
LDL 160-2000 / f = 100 mm LDL 40-250 / f = 100 mm LDL 80-1000 / f = 100 mm
第三章 典型的半导体激光器
➢ 同质结激光器 ➢ 异质结激光器 ➢ 分布反馈（DFB）激光器 ➢ 垂直腔面发射半导体激光器
（二） 异质结半导体激光器
一、单异质结半导体激光器(SHL）
单异质结是由p-GaAs与pGaAlAs形成的。
窄带隙有源材料被 夹在宽带隙的材料
之间形成
施加正向偏压时，电子由n区注 入p-GaAs。由于异质结高势垒的 限制，激活区厚度d2 m；
因p-GaAlAs折射率小，“光波导 效应”显著，将光波传输限制在 激活区内。阈值电流密度降低了 1～2个数量级，约8000A/cm2。
二、双异质结半导体激光器(DHL）
施加正向偏压时, 激活区内注入的电子 和空穴。由于两侧高势垒的限制，深 度 剧 增 ， 激 活 区 厚 度 变 窄 ， d=0.5m 。
圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体 激光器发出的光束进行单方向会聚，同时，柱透镜可以用 光纤来实现，因而制作简单，成本低廉。尽管圆柱形微透 镜具有很大像差，但不影响它在光纤耦合中的应用。
3.整形耦合
➢这种方法是在近些年才发展起来的技术。 ➢首先对半导体激光器bar的光束在快轴和慢轴方向上分别准 直。准直后的光束为一线状光束。 ➢光束整形器的作用是把这一线状光束进行切割成n条，并重 新排列成一个预定的分布，譬如方形。经过重排后的光束在聚 焦性能上将得到极大地改善，M2因子将缩小n倍，因此对光纤 芯径的要求也将减小n倍，可以用一个透镜聚焦耦合到一根纤 细的光纤中去。 ➢经验表明，如果在慢轴准直中使用透镜阵列以减少畸变，M2 因子还可以有效地减小。和光纤束法相比较，整形耦合法的优 点是可以实现更细光纤芯径的耦合，因而实现更高的亮度。