超低阈值横向腔光子晶体面发射激光器_郑婉华
第41卷第12期红外与激光工程2012年12月Vol.41No.12Infrared and Laser Engineering Dec.2012超低阈值横向腔光子晶体面发射激光器
郑婉华，王宇飞，周文君，渠红伟，张建心，齐爱谊，刘磊
(中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室，北京100083)
摘要：首次在无DBR结构的商业外延波导晶片上实现了电泵横向腔光子晶体面发射激光器(LC-PCSEL)。深孔刻蚀技术使光子晶体深达2.6μm，穿透有源区，对有源区的模式直接调制。通过较小区域的光子晶体与FP腔的融合集成，利用带边模式Γ2-1的横向振荡垂直输出特性，室温下获得了1553.8nm的面发射激光，线宽0.4nm。超低阈值电流密度为667A/cm2，纵向和横向的远场发散角分别为7.5°和5.5°。LC-PCSEL的设计为电注入面发射激光器的研制提供了新的思路，为该类激光器的批量生产提供了可能。
关键词：光子晶体；激光器；面发射；横向腔；阈值电流密度
中图分类号：TN248.4文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)12-3198-04
Ultralow threshold lateral cavity photonic crystal
surface-emitting laser
Zheng Wanhua,Wang Yufei,Zhou Wenjun,Qu Hongwei,
Zhang Jianxin,Qi Aiyi,Liu Lei
(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,Institute of Semiconductors,CAS,Beijing100083,China)
Abstract:Lateral cavity photonic crystal surface emitting laser(LC-PCSEL)was realized on the commercial epitaxial waveguide wafer without DBR firstly.Deep hole etching technique facilitated PC as deep as 2.6μm,so that the active layer was etched through and the mode in it could be modulated directly by the PC.Thus by the combination of photonic crystal with small size and Fabry-Perot cavity, and employing the lateral resonance and vertical output characteristics of band-edge modeΓ2-1,the electrically driven1553.8nm surface emitting lasing action with linewidth of0.4nm was observed at room temperature.The threshold current density of667A/cm2was ultralow for the surface emitting lasers.The longitudinal and lateral far-field divergence angles are7.5°and5.5°,respectively.The design of LC-PCSEL provides not only new ideas for the research and fabrication of electrically injected surface emitting lasers but also mass production possibilities of such lasers.
Key words:photonic crystal;laser;surface emitting;lateral cavity;threshold current density
收稿日期：2012-04-22；修订日期：2012-05-19
基金项目：国家高技术研究发展计划(2012CB933501、2011CB922002)；国家自然科学基金(61025025、61137003、60838003)
作者简介：郑婉华(1966-)，女，研究员，博士，主要从事微结构激光器、微纳光电子器件及集成方面的研究工作。
Email:whzheng@https://www.360docs.net/doc/e118967963.html,
第12期
图1二维四方晶格光子晶体薄板结构的能带图
Fig.1Band structure of two -dimensional square -lattice
photonic crystal slab
0引言
电注入面发射激光器因为对称光斑、小发散角、单模工作等优点，在光通信、光存储和生物医疗等领域具有很好的应用前景。目前所报道的通过外延技术生长上下DBR 构建的垂直腔面发射激光器
(VCSEL)[1-3]，技术相对成熟，已经在部分领域有很好的应用[4-7]。但其输出功率及模式特性仍有待改进，特别是外延技术在针对近红外长波长和紫外短波长
DBR 材料生长中遇到困难。此外，VCSEL 还要用到复杂的隧道结构，而键合型电注入光子晶体带边面发射激光器(PCSEL)虽然避免了DBR 结构的外延生长，但需要用到高难度的非平面键合技术和配套的外延晶片，由此带来的高成本、高技术难度等问题大大限制了电注入面发射激光器的开发与应用，且激光器的阈值电流密度有待降低[8]。
目前，1550nm 长波长光通信波段的电注入面发射激光器的研究仍处于滞后阶段。希望通过引入光子晶体结构，结合传统光电子器件技术，突破批量研制电注入面发射激光器的原理和技术瓶颈。笔者研究了一种光子晶体横向谐振垂直输出的新型电注入面发射激光器。通过光子晶体与FP 腔的融合集成，利用带边模式Γ2-1的横向振荡垂直输出特性，在无DBR 结构的商业波导外延晶片上获得长波长通信波段电泵垂直输出激光。
1模式分析
考虑二维四方晶格光子晶体薄板结构，晶格周期a =561nm ，占空比r /a =0.25。薄板和空气孔的介电常数分别设为11.56和1。图1为采用平面波展开法
计算得到的TE/TM 能带结构。灰色区域为光锥，处
于光锥内的模式为泄漏模式。高对称点X 、M 和Г点第二序Γ2处能带斜率接近于0，意味着模式将局域在高对称点处，形成驻波模式。由于采用的压应变量子阱材料产生的光模式多为TE 模式，因而设计激光器所用的谐振模式为TE 偏振Г2慢光模式的单极模
(Г2-1)，如图1所示。插图为Г2慢光模式衍射方向的示意图。一个Г点周围有4个等价的最近邻第二序
Г2点。在动量守恒和能量守恒的条件下，任意一个Г-Г2的入射光通过Bragg 衍射可以得到另外三个Г-Г2的衍射光，以及一个垂直于光子晶体周期性方
向的衍射光，该衍射光在光子晶体周期性平面内满
足k
軆d =k 軆i +K 軑1，其中k 軆i 和k 軆d 分别为入射光和衍射光的波矢，K
軑1为倒格矢，|K 軑1|=2π/a 。2横向腔光子晶体面发射激光器设计
笔者设计的电泵横向腔光子晶体面发射激光器
(LC-PCSEL)基于商用的AlGaInAs/InP 多量子阱波导结构有源晶片材料制作。如图2所示，LC-PCSEL 中的光子晶体被设计在脊形条的中央，这样光子晶
体和FP 腔融合集成在一起形成新型的光子晶体激光器。光子晶体具有Г2-1谐振模式特性，而FP 腔能为Г2-1提供增强的横向谐振。脊形条宽度120μm ，长度500μm 。光子晶体区域大小为50×50μm 2。晶格常数为548nm ，空气孔半径为195nm 。孔深2.6μm ，从晶片表面贯穿有源层，这样是为了让光子晶体直接调制有源层，不但抑制非谐振频率的光子自发辐射，提高内量子效率，还能抑制存在于传统FP 激光器中的多纵模，使其转化为Г2-1谐振模式。FP 腔由两个平行的自然解理面定义，解理面上没有设计高反膜，因为自然解理面30%左右的反射率足以达到增强Г2-1谐振的目的。
图2电注入横向腔光子晶体带边面发射激光器结构示意图
Fig.2Schematic structure of the LC-PCSEL
郑婉华等：超低阈值横向腔光子晶体面发射激光器
3199
红外与激光工程第41卷
3测试结果分析
采用脉冲电流泵浦，周期10ms，占空比0.3%。
L-I-V曲线和光谱分别如图3、图4所示。图3中光
功率随电流变化曲线有明显的阈值特性，阈值电流为
400mA，通过计算得到阈值电流密度为667A/cm2。脊
条中央刻蚀的光子晶体使这里的阈值电流偏大，可
以通过在FP腔面镀高反膜进一步降低。对于InP 材料系的键合型光子晶体带边面发射激光器，日本的S.Noda研究组所报道的最低阈值电流密度为2700A/cm2[9]；而对于工作波长1550nm、具有DBR结构的VCSEL，2011年最新报道的阈值电流密度为3056A/cm2[10]。文中阈值电流密度是S.Noda 研究组结果的1/4。这说明所设计的LC-PCSEL结构比键合型光子晶体带边面发射激光器结构具有更好的带边模式横向反馈，在器件高速调制中将具有很好的稳定性。
图3电注入横向腔光子晶体带边面发射激光器L-I-V曲线Fig.3Light-current-voltage curve of the LC-PCSEL
图4是在两倍阈值，即800mA电流下测试得到的激射谱。模式中心波长为1553.8nm，边模抑制比为10dB，模式峰的半高全宽约为0.4nm，根据λ/Δλ计算得到品质因子约为3884。说明在光子晶体的作用下，横向谐振能量被有效地耦合到Г2-1带边模式并在垂直方向输出。虽然模式峰半高全宽相对于S. Noda研究组的结果0.12nm[11]还有一定差距，10dB 的边模抑制比相对于单模性要求也有一定差距，但这仍是在国际上首次基于商用波导结构半导体外延晶片实现了长波长光通信波段的电注入面发射激光器。由于FP腔面没有镀高反膜，也测到了激光器的边发射信号，它与面发射激光在激射谱上接近，在功率上有很大差别。
图4电注入横向腔光子晶体带边面发射激光器光谱
Fig.4Surface-emitting spectrum of LC-PCSEL
面发射激光的发散角可以分为纵向和侧向发散角两个维度。800mA电流下测试得到的面发射强度角度分布如图5所示。图5(a)为测试示意图，点线为沿纵向扫描，实线为沿侧向扫描。从纵向强度分布可以看出，大部分光从大于45°角的方向出射形成横向损耗，小部分光从小于5°角的方向出射形成面发射激光，纵向发散角为7.5°。从侧向强度分布可以看出，大部分光从小于5°角的方向出射形成面发射激光，小部分光从其他角度方向出射形成散射损耗，侧向发散角为5.5°。这说明除了横向损耗和散射损耗
图5激光器样品的面发射强度角度分布图
Fig.5Intensity angle map of the surface-emitting light
造成的影响外，光子晶体能有效地将能量耦合到垂直方向，形成面发射激光。纵向、侧向两个维度发散角不对称是由LC-PCSEL结构不对称性、光子晶体不均匀性、封装误差及杂散光影响等因素共同造成的。5.5°的侧向发散角与S.Noda研究组的结果1.8°[8]相比还有一定差距，是因为S.Noda研究组的键合
3200
第12期
型激光器中光子晶体区域面积较大，一般为150×150μm2，而文中激光器中光子晶体区域面积仅有50×50μm2。虽然牺牲了超小发散角特性，但有效降低了光子晶体的制作成本。而5.5°的侧向发散角相对于其他类型的针对发散角进行优化的面发射激光器[12]来说，已经处于国际先进水平。
4结论
通过光子晶体与FP腔的融合集成，利用带边模式Γ2-1的横向振荡垂直输出特性，设计和制造出了LC-PCSEL样品，在国际上首次获得了基于商用波导结构半导体外延晶片的长波光通信波段中1553.8nm的电注入面发射激光器，其阈值电流密度667A/cm2和侧向发散角5.5°均处于国际领先水平。同时为电注入面发射激光器的研制提供了新思路，为该类激光器的批量生产提供了可能。
参考文献：
[1]He Guorong,Shen Wenjuan,Wang Qing,et al.
Temperaturecharacteristics of980nm high power vertical
cavity surface emitting lasers[J].Infrared and Laser
Engineering,2010,39(1):57-60.(in Chinese)
何国荣,沈文娟,王青,等.高功率980nm垂直腔面反射
激光器的温度特性[J].红外与激光工程,2010,39(1):57-
60.
[2]Xie Yiyang,Xu Chen,Kan Qiang,et al.VCSEL transverses
mode control by2D photonic crystal[J].Infrared and
Laser Engineering,2010,39(3):460-463.(in Chinese)
解意洋,徐晨,阚强,等.二维光子晶体对面反射激光器横
模控制研究[J].红外与激光工程,2010,39(3):460-463.[3]Ning Yongqiang.Development and application of high power
VCSEL[J].Infrared and Laser Engineering,2011,40(6): 1017-1024.(in Chinese)
宁永强.大功率垂直腔面发射激光器技术研究[J].红外与激光工程,2011,40(6):1017-1024.
[4]Iga K.Surface-emitting laser-its birth and generation of
new optoelectronics field[J].IEEE JSTQE,2000,6:1201-1215.
[5]Chase C,Yi R,Hofmann W,et al.1550nm high contrast
grating VCSEL[J].Opt Express,2010,18:15461-15466. [6]Olejniczak L,Panajotov K,Thienpont H,et al.Polarization
switching and polarization mode hopping in quantum dot
vertical-cavity surface-emitting lasers[J].Opt Express,2011, 19:2476-2484.
[7]Liu Anjin,Chen Wei,Xing Mingxin,et al.Phase-locked
ring-defect photonic crystal vertical-cavity surface-emitting
laser[J].Appl Phys Lett,2010,96:151103.
[8]Imada M,Noda S,Chutinan A,et al.Coherent two-
dimensional lasing action in surface-emitting laser with
triangular-lattice photonic crystal structure[J].Appl Phys Lett,1999,75:316-318.
[9]Noda S,Yokoyama M,Imada M,et al.Polarization mode
control of two-dimensional photonic crsytal laser by unit cell
structure design[J].Science,2001,293:1123-1125. [10]Hofmann W,Muller M,Wolf P,et al.40Gbit/s modulation
of1550nm VCSEL[J].Electronics Letters,2011,47:270-271.
[11]Ohnishi D,Sakai K,Imada M,et al.Continuous wave
operation of surface emitting two-dimensional photonic
crystal laser[J].Electronics Letters,2003,39:612-614. [12]Anjin Liu,Mingxin Xing,Hongwei Qu,et al.Reduced
divergence angle of photonic crystal vertical-cavity surface-emitting laser[J].Appl Phys Lett,2009,94:191105.
郑婉华等：超低阈值横向腔光子晶体面发射激光器3201
半导体分布反馈激光器-DFB
半导体分布反馈激光器 半导体分布反馈激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。GaAs－GaAlAs分布反馈激光器已实现室温连续工作，阈值3.4×103安/厘米2(320K)。282K下得到的最大连续输出功率为40毫瓦。 半导体分布反馈激光器- 简介 采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的 半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些 性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采 用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。 1970年采用双异质结的GaAs－GaAlAs注入式半导体激光 器实现了室温连续工作。与此同时，贝尔实验室H.利戈 尼克等发现在周期结构中可由反向布喇格散射提供反 馈，可以代替解理面。在实验中，最初是把这种结构用 于染料激光器，1973年开始用于半导体激光器，1975年 GaAs分布反馈激光器已实现室温连续工作。 半导体分布反馈激光器- 原理 半导体分布反馈激光器的反馈结构是一种周期结构，反馈靠反向布喇格散射提供（见图）。为了使正向波与反向波之间发生有效的布喇格耦合,要求光栅周期满足布喇格条件:半导体分布反馈激光器，式中λ0是激射波长,Ng是有效折射率，m＝1、2、3、…(相当于耦合级次)。对于GaAs材料,一级耦合:Λ＝0.115微米。在实验中，使用3250埃He－Cd激光和高折射率棱镜(nP=1.539)，已制出Λ＝0.11微米的周期结构（见半导体激光二极管）。 1.结构及工作机理 DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
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.360docs.net/doc/e118967963.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
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
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器
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（GaAs）m（GaP）n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
DFB激光器调研报告(在实际工程中的应用)
分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。 关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率 一、分布反馈式半导体激光器简介 1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质 的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,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GaAS,InAS,Insb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,目前性能较好,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。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
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
激光原理及应用实验讲义 -4个实验
实验一CO2激光器及激光扫描实验 一、实验目的 1、了解CO2激光器的工作原理及典型结构； 2、掌握CO2激光器的输出特性； 3、掌握CO2激光器的使用方法； 4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。 二、实验器材 CO2激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台 三、实验原理 1、CO2激光器工作原理 CO2激光器的工作气体是CO2、N2和He的混合气体。波长9-11um间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。 图1 CO2激光器典型结构 CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃(如GG)制成，放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响17 器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。激光器的 输出功率随着放电管长度加长而增大。 CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO2振动模型如图1所示。 激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，分别输出10.6um和9.6um。激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达0l0，再次通过自发辐射到达基态000，但由于自发辐射的几率不大，远不如碰撞驰豫过程快，其主要的驰豫过程如图2。
分子反对称振动 CO 2 分子振动模型 图1 CO 2 图2 CO2分子能级跃迁过程 其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振，最后一个式子中的M代表辅助气体。如果选择恰当的气体(常见的如H2O和H2)作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。另外，为了增加气体的热导率，通过在气体中加入He气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。 气体中一般还需要加入N2气，利用其v＝1能级与CO2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于N2气的v=1态不能通过自发
半导体激光器调研报告
半导体激光器调研报告 班级：电科 姓名：XXX 学号：20120xxx
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。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。同质结激光器和单异质结激光器在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。 半导体二极管激光器是最实用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。 仪器简介： 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。 工作原理： 根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。 一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。 半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。 半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： （1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数； （2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；
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.360docs.net/doc/e118967963.html,/journal/oe https://https://www.360docs.net/doc/e118967963.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.
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。
分布式反馈激光器
DFB分布式反馈激光器 091041A 谢伟超 DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。 DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。 目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称动态单模半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光栅的反馈来实现纵模选择。这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模。 分布反馈半导体激光器（DFB－LD）,在DFB－LD中，光栅分布在整个谐振腔中，所以称为分布反馈。因为采用了内部布拉格光栅选择波长，所以DFB－LD 的谐振腔损耗有明显的波长依存性，这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的F－P腔激光器。 结构及工作机理 DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
图中光栅的周期为A，称为栅距。 当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。 满足上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）。 DFB－LD的光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阈值增益差增大，可以采用如下方法： （1）在光栅中引进一个2/4相移； （2）将解理面之一做成斜面或增透，造成非对称的端面反射率； （3）在有源区中靠近腔面的一小段区域上，没有布拉格光栅，形成无分布反馈的透明区； （4）对光栅周期进行适当啁啾。 引进2/4相移和不对称端面反射率两种方法较可行且有效。虽然1/4相移方法在工艺上有一定难度，但是能获得性能很好的动态单纵模。 DFB激光器的特点 与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。 （1）动态单纵模窄线宽输出 由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好 由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。例如，为了制作光栅， DFB 激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激光器的内量子效率降低。此外， DFB激光器的震荡频率偏离Bragg 频率，故其阈值增益较高。
分布反馈式半导体激光器
分布反馈式半导体激光器 半导体激光器及其应用调研报告课程题目分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用学院光电技术学院班级电科一班姓名李俊锋学号2010031029 任课教师张翔2013年 5 月15 日分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用李俊锋2010031029 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，
人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,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GaAS,InAS,Insb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,通过外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,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。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性，它