完整版现代光学基础新型激光器介绍

有源区形状设计自由，可按照需求制成圆柱形，与圆传形统边孔发径射激和光圆器：形电极共同作
用，使通输过移出动光N型束上窄DB又R，圆，无像散，易于与光纤耦合。
腔长通常为几百微米，纵模间隔不
到一纳米，使得改变腔长对输出波长影
改c变.远空气场层发厚度散，角进而小增
响不大。
加通谐过振腔控腔制长，有改源变输区出直径和注入电流对输出光束远场发散垂角直腔腔进表长行面短发，控射仅制激有光单[10器个]。：纵模同落时在激，光由器
于光波长束。的远场特性圆对称，可被透镜聚焦和准直。 的增益带宽内。
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主要特性介绍
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(2)输出功率 由于发光方向增益介质非常短，一般只有几十纳米，单程增益小于1%，使得 输出功率低于端面发射激光器，一般为毫瓦量级。(所需阈值电流也小) 可采用以下措施，增强输出功率：
(2)谐振腔：P型DBR为全反镜，N型
P型接触电极 P型分布布拉格反射器
氧化物孔径 钝化层
量子阱有源区
N型分布布拉格反射器
DBR为激光输出镜，输出镜透过率为1% 左右。
砷化镓基底 N型接触电极 增透膜
(3)增益介质：由2种不同的半导体材料 (如：GaAsP/InGaAs)相间排列形成，具 有量子限制效应的载流子势阱[9, 10]，与两
负接触电极
3与0传nm统厚的的GAalA0.0s2势Ga垒0.9层8A相s层比位，于GPaA型sD0.9BPR0.1与更Al0空G.9宽GaAa气0s.的1As层带之隙间可，以经使选In择G氧aA化s阱后中形的成载低流透子 射得率到的更好高的阻限氧制化，物避Al免xO有y，源限区制温注度入升有高源导区致的阈基电底值流电和流光增场加。和效率下降。
当前主要研究方向：
(1)通过结构优化，提高VCSEL的电光功率转化效率和输出光功率。
(2)由于长波长折射率材料差值小，以致DBR的对数需求大大增加，衍射损耗也 随之增大。为实现波长1.3~1.55μm的光输出，需提高谐振腔端面镜反射率。
(3)通过微机械结构改变谐振腔腔长，实现尽可能大的波长调谐范围。
射场的作用下，向低能态或基态跃 迁时将辐射出光子。
辐射场
低能级E2
辐射光子 E1 图(1)典型三能级系统与受激辐射示意图
(1)通过 泵浦源 将基态原子抽运 至高能级，形成粒子数反转。
(2)通过 谐振腔 将输出光子局域 在腔内，在振荡过程中实现功率放 大与模式选择。
(3) 增益介质 作为抽运对象，在 受激辐射产生光子输出的同时，弥 补损耗放大光功率。(最大前提)
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研究进展与应用
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随着光互联及二维光信息处理的发展[13, 14]，VCSEL具有以下应用： (1)VCSEL具有高密度、高传输率、高并行光输出的特点，可方便地进行二维 空间组合，成为理想的集成光电子有源器件和光计算机并行处理器件。
(2)VCSEL具有高速响应的特点，特别适宜于计算机中的芯片光互连和自由空 间光互连，并可用于光神经网络计算技，构成F-P腔。
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结构与工作原理
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垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种抽运电流和激光输出方向都与激活区垂 直的激光器[6-8]，有源区的厚度即为谐振腔长度。
(1)泵浦源：P型接触电极接电源正极， N型电极接负极，提供抽运电流。
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主要特性介绍
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由于VCSEL的两块反射镜分别位于结层上、下方，使得其结构在细节上具有很 高的自由度，进而具有如下特性：
(1)输出光束质量 a.波长可调谐 谐振波长与谐振腔的长度有关，VCSEL的腔长非常短(几微米)，改变腔长能显 著调谐VCSEL的输出波长。
b.圆形光斑
新型激光器介绍
垂直腔面发射激光器
目录
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激光原理回顾 结构与工作原理 主要特性介绍 研究进展与应用
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激光原理回顾
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激光的产生，主要源于爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时，提出的受激
辐射理论[1, 2]：
处于受激态的发光原子在外来辐
高能级E3
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激光原理回顾
以传统的半导体激光二极管(LD) [3, 4]为例：
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自发辐射产生的光子经过电子—空穴对附近时[5]，将激励二者复合，产生新光 子。当注入电流足够大，则会形成粒子数反转。(受激辐射)
(1)采用电抽运的方式，以自发辐射产生 的光作为泵浦源。
(2)以正向偏压的PN结作为增益介质，输 出波长由禁带宽度决定。
在抽运电流作用下，双异质结附近 的载流子发生复合，产生光辐射，并
个限制层构成双异质结。
在两侧DBR之间来回振荡形成激光输
出。
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结构与工作原理
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其中，激光器具体结构如下：
(14)有表源面区接增触益层介：质： 衬有底源和区由P型3个DBInR0的.2G外a0表.8A面s(制8n作m金)/ G属a-A金s属0.9P接0.1触(1层0n，m并)量在子P型阱或组N成型，D输B出R上波制长成为圆形 光980窗n口m，，同输时出与近两圆侧形A激l0光.2G束a0。.8As组成一个波长的谐振腔。
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参考文献
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[1]陈鹤鸣, 赵新彦. 激光原理及应用.第2版 [M]. 电子工业出版社, 2013. [2]周炳琨. 激光原理 [M]. 国防工业出版社, 2009. [3]潘教青, 王圩, 朱洪亮, et al. 1．74μm压应变InGaAs／InGaAsP量子阱分布反馈激光器 [J]. 半导体学 报, 2005, 26(9): 1688-91. [4]王圩, 张静媛. 1.5μm InGaAsP/InP脊型波导分布反馈激光器 [J]. 半导体学报, 1989, 10(10): 794-8. [5]刘恩科. 半导体物理学 [J]. 1979, [6]YAN-FANG S, TE L, YONG-QIANG N, et al. 垂直腔面发射激光器 [J]. 光机电信息, 2005, 4): [7]赵路民, 王青, 宁永强, et al. 垂直腔面发射微腔激光器 [J]. 激光与光电子学进展, 2003, 40(8): 39-43.
a.使用反射率超过99%的反射镜构成谐振腔。(端面发射激光器仅需30%)
b.大规模集成，制成二维阵列 谐振腔很小，可做成高速率的光开关；控制二维列阵[11, 12]中各VCSEL的位相， 可控制输出光的相干性；通过各个VCSEL激射光的锁模效应，可得到方向性强的 大功率激光输出。
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(2)P型和N型DBR：
正接触电极
P型DBR由30.5对碳(2x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.9%的反
射率。
N型DBR由21.5对硅(1.5x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.3%的 反射率。
(3)氧化物孔径与钝化层：