(激光器件课件)第三章 典型的半导体激光器

（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）
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。
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。
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。
单波长
直接
150 W
光纤耦 合
100 W
450 W
350 W
600 W
500 W
100/1000um 1.000 W 1.600 W
双波长
直接 光纤耦合
300 W
200 W
900 W
600 W
1.200 W
950 W
2.000 W
3.000 W
Numerical Aperture 0.2
第四章 半导体激光器的制作工艺
较厚
可任意控制
可随意控制
厚度、组分不均匀、表面光滑、组分可 表面光滑、掺杂和
缺陷、表面变形 控、质量好
组分可控、质量好
50nm 600—900度 较安全 简单
5nm 900—1000度 较危险 较复杂
便宜
较贵
适合实验室和小批 适合大规模生产 量生产
0—0.5nm 500—650度 最安全 复杂
昂贵
适用于实验室研究 （超晶格、量子阱）
封装耦合
总测
1. 半导体激光器的工艺过程
2. 外延生长技术
在一个单晶衬底上生长一层或多层同质或异质的半 导体层的技术称为外延生长技术。
目前应用最广泛的外延生长技术有三种： 液相外延（LPE） 有机金属化合物化学气相沉淀（MOCVD） 分子束外延（MBE）
液相外延技术
• LPE指由饱和或过饱和溶液冷却过程中在单晶衬底上定向生长
同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x104～ 5 104 A/cm2，这样高的电流密度，将使器件发热。
同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能 低重复率（几kHz～几十kHz)脉冲工作。
同质结激光器几乎无法实用化， 结构需改进！
（二） 异质结半导体激光器
一、单异质结半导体激光器(SHL）
(激光器件课件）第三章 典型的半导 体激光器
（一）同质结半导体激光器
p型半导体和n型半导体材料都是 GaAs,所形成的p-n结为同质结(HOS)
加上正向偏压时，电子向p-n结注入， 并在偏向p区一侧的激活区内复合辐 射;
当正向偏压较大时，考虑到空穴注 入，激活区变宽。
激活区的折射率略高于p区和n区， “光波导效应”不明显，光波在激 活区内传播时，有严重的衍射损失。
3. 腐蚀（光刻）工艺步骤 以正型光刻胶为例：
利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的腐蚀横截面
4. 芯片金属化（欧姆接触）
金属化电极常采用蒸发或溅射的方法在n面或p面上覆盖 一层或多层金属或合金，然后再适当的温度下进行合金化， 形成一个低阻的金属—半导体结。
欧姆接触的好坏直接影响正向电阻的大小。正、反向电阻 的的线性程度及热阻的大小，从而影响激光器能否在室温 工作和连续激射，以及其寿命和可靠性。
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
Spot 2 x 40 mm (FWHM) Spot 1.3 x 1.3 mm (FWHM) Spot 0.4 x 1.3 mm (FWHM)
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：
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
(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)
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。
LD
l 1/2波片
l 2/2波片
LD LD
偏振分光片
波长分光片
四组波长相同的阵列合束
LD
带状分光片
LD
高透
l /2波片
高反
LD LD
带状分光片
偏振分光片
带状分光片
5. 不同波长耦合
单波长泵浦源：940nm 或者 976 nm
光束质量 mm mrad /2u0m/200um 40/400um 60/600um
如图，用金刚石刀在具有金 属电极的外延片上沿解离面 方向切划，可得到完全平行 的腔镜面，再根据设计尺寸 切划出单个芯片。
半导体激光器解离工艺示意图
6. 热沉、烧焊、键合
• 热沉就是激光器工作时产生热量消散的主要部件。 材料的选择要求：导热性好、不污染、与芯片物理性 质匹配、易加工、易烧焊、可靠等。
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
(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
一层薄膜材料。例如，GaAs外延层就是从As饱和的Ga溶液中生 长，As为溶质，Ga为溶剂。 • 常用的外延生长设备有：倾斜炉，垂直炉，多室水平炉。如图， 多室舟LPE生长系统装置示意图：
有机金属化合物化学气相沉淀
• MOCVD技术是以有机 金属化合物和氢化物作 为晶体生长的原材料进 行化学气相沉淀生长的 晶体薄层技术。示意图 如下：
电极制作三个重要的因素： ① 1.金属必须充分的粘附。 ② 2.提供一个低电阻电接触。 ③ 3.激光器芯片中不能引入过大胁变。
5. 半导体激光器的解离
解离技术是将金属化（欧姆 接触）后的外延片解离成单 个芯片，并获得平行发射腔 面（即F—P腔）的技术。
半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜， 组成谐振腔，使光振荡、反 馈、产生光的辐射放大，输 出激光。
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 。
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。
例如以下反应式：
分子束外延
MBE是在超高真空的条件下用热分子或原子束射到 加热衬底上生长外延层的一种晶体生长技术。
生长速度
生长厚度 外延片质量
厚度控制 生长温度 安全性 设备 设备投资 适用范围
几种外延技术的比较：
LPE 1μm/分或更大
MOCVD 0.01—0.5μm/分
MBE 0.1—0.5μm/分
7. DFB-LD和VCSEL芯片制造
（1） DFB-LD芯片制造
a) 光栅制作
①全息曝光 ②干法或湿法刻蚀
DFB-LD
b) 二次外延生长
①低折射率层 ②腐蚀停止层 ③包层 ④帽层：接触层
(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。。
典型的两步重排整形法是阶梯形镜法，线形光束先由数个 微小镜片分割并反射，实现第一次光束重排。重排后的光 束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结 果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移:第 二次重排的结果是实现另一个方向上不同量的平移。
（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
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。