外延腔半导体激光器
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。
以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。
一、引言。
激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。
半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。
半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。
半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。
本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。
二、大功率半导体激光器的发展历程。
1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。
由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。
从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。
1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。
随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。
新型半导体腔面发光激光器
… … … … … 一 … …
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知
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绍
一
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新 型 半 导 体 腔 面 发 光 激 光 器
谢 强 张
Ｖ Ｓ Ｌ 半 导 体 腔 面 发 光 激 光 器 是 光 通 信 ＣＥ 一 中的 一 种 深 具 潜 力 的 固体 激 光 源 ，被 称 为新 千 年 最 重 要 的光 通 信 器 件 。
简 单在
原 理 上 可 望 实 现 高 性 能 化 。 同 时 也 容 易 实 现 二 维 阵 列 化 和 低 价 格 化 ，是 今 后 很 有 发 展 前 景 的 新 型
光 电器 件 。
在 信 息 处 理 中重 要 的 有 ０ ８ ． ８—０ ７ １ 波 长 的 ． ８ｚ ． ｍ Ｇａ ／ ａ １ ｓ系 列 。 外 ， 有 ０ ６ Ａｓ Ｇ Ａ Ａ 此 还 ． ７—０ ６ ｍ 波 ．３
的 前 景 。 下 面 是 面发 光激 光 器 所 具 有 的特 点 。
的 面 发 光 激 光 器 来 说 明 其 结 构 。 Ａ 活 性 层 被 两 Ｇａ ｓ 个 反 射 率 ９ ％ 以上 的 ｎ型 和 Ｐ型 Ｇ Ａｓ Ａ Ａ ９ ａ ／ １ ｓ半
导 体 反 射 镜 层 挟 在 中间 ， 成 二 极 管结 构 ， 上 下 开 在
两 面形 成 电 极 。外 加 在 电 极 上 的 电 流 ，流 过 活性
层 后 发 光 ， 种 光 由两 面反 射 镜 反 复地 反 射 后 ， 这 达
到 激 光 器 振 荡 。这 种 外 延 生 和层 的 设 计 和技 术 是
成 熟 的技 术 。 因此 ，应该 研 究 的课 题 是 如 何 得 到 电流 狭 窄结 构 ，也 就 是 如 何 在 活 性 层 窄 小 的 范 围 内 ， 效 地 注入 电 流 。 高
《高功率980nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》范文
《高功率980 nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》篇一一、引言随着科技的进步，高功率半导体激光器在科研、工业、医疗等领域的应用越来越广泛。
其中，980 nm波段的半导体激光器因其独特的光学特性和应用价值，受到了广泛的关注。
本文将重点研究高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、外延结构设计1. 材料选择外延结构的设计首先需要选择合适的外延材料。
考虑到高功率、高效率及稳定性等要求，我们选择了一种高电子迁移率和高热导率的材料作为基底，以保证激光器的稳定运行。
此外，还通过选择适当的掺杂元素来提高内量子效率和减少电流散溢。
2. 结构分层设计针对高功率输出和良好光束质量的需求，我们将外延结构分为多层结构。
主要包括以下部分：基底层、反射镜层、多量子阱（MQW）结构层、欧姆接触层等。
其中，多量子阱结构层是关键部分，其设计直接影响到激光器的性能。
3. 特殊结构设计为了进一步提高激光器的性能，我们设计了一些特殊结构。
例如，采用渐变折射率层以减少光在传输过程中的损耗；在多量子阱结构中引入应力层以提高内量子效率；以及在欧姆接触层中优化电极设计以提高电流注入效率等。
三、性能研究1. 实验方法我们通过分子束外延技术（MBE）和金属有机气相沉积（MOCVD）等工艺进行外延生长，并利用光刻、干湿法刻蚀等工艺制备出激光器芯片。
然后通过测试其阈值电流、斜率效率、光束质量等参数来评估其性能。
2. 实验结果及分析实验结果显示，高功率980 nm半导体激光器具有良好的光束质量和低阈值电流等特点。
与传统的半导体激光器相比，其在光功率、效率和寿命等方面都有显著的优势。
同时，我们也观察到通过引入特殊结构的设计，激光器的性能得到了进一步的提升。
例如，渐变折射率层的设计显著降低了光在传输过程中的损耗；而优化电极设计则提高了电流注入效率，从而提高了激光器的输出功率。
四、结论本文研究了高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理什么是半导体激光器？半导体激光器是一种基于半导体材料制造的光电器件，主要用于产生具有高度单色性和高功率的光源。
与传统光源不同，激光器可以将光线紧密地聚焦在一个小点上，并且光线的功率可以调节，是广泛应用于激光打印、医疗、通讯、显示和材料加工等领域的关键元件。
半导体激光器的结构半导体激光器通常是由多个不同材料层构成的复杂结构。
最简单的激光器结构是单个p-n结，它由p型半导体和n型半导体构成，并夹带一个锗或硅的半导体。
由于半导体的局部结构对于电子和空穴的行为非常重要，因此需要精确的设计和制造技术。
实际上，当然有更多更复杂的激光器结构，例如含量量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）。
半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理是利用电流注入击穿p-n结来实现放电并产生激光。
当n型材料中的电子和p型材料中的空穴进一步注入p-n接口时，它们将受到电子空穴复合的影响，将能量释放出来并辐射出光。
如果这个过程能够得到持续的电流注入，将产生一种光放大现象，并最终形成一个相干的激光束。
在创建激光束之前，必须确保电流仅穿过p-n结。
这种方法可以通过对p-n结进行定向（并保留损失的最小值）来实现。
因此，在激光器中，材料需要以完全纯洁的形式生长，并且都要定向，以确保无法通过的电流在整个器件中流动。
激光器器件中的外部结构也非常重要，铝或其他金属金属层可以被添加到引出电流的区域中，以确保电荷可以从外部注入。
半导体激光器的运作模式半导体激光器的运作模式通常由三种不同的模式组成：连续波（cw）模式，脉冲（pulse）模式和调制（modulated）模式。
在连续波模式中，激光器连续的产生激光，在这种模式中，我们将需要确保激光器的温度保持恒定，并且激光器所需的电流也要保持不变。
脉冲模式意味着激光器会以一种断断续续的方式工作，以打出一个高峰值功率，这种模式常用于激光打印，或者需要进行快速激光加工的应用。
最后，调制模式允许更快的切换速率，常用于在光纤通信中实现高速数据传输。
新型半导体激光器——VCSEL详解
新型半导体激光器——VCSEL详解VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面发射激光器，是集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED 和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。
随着VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。
近期，3D Sensing 的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing 消费市场。
目前，全球3D Sensing 供应链趋于完善，VCSEL 设计厂商Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS，VCSEL 外延片供应商IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局3D Sensing 领域。
据预测，未来几年3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到2020 年3D Sensing 市场规模可达到108.49 亿美元2023 年3D 传感的市场空间达到180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到44%。
其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从2017 年的2.1%提高至2020 年的28.6%。
一、VCSEL 基本结构与工作原理VCSEL 器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用MOCVD 技术在n 型GaAs 衬底上生长而成，以DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR 和p-DBR 之间。
由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（一般也大于99%），然后在衬底和p-DBR 外表面制作金属接触层。
半导体激光器生产工艺
半导体激光器生产工艺
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光放大的器件。
这种器件广泛应用于通讯、医疗、制造等领域。
在生产半导体激光器时，通常要经过以下几个步骤：
1. 材料生长
半导体激光器的材料通常使用InP或GaAs等半导体材料。
在生产过程中，首先要对这些材料进行生长。
生长方法包括气相外延和分子束外延等。
2. 制备芯片
半导体激光器的核心是激光波导芯片。
一般来说，制备激光波导芯片需要进行光刻、蚀刻等工艺，在材料表面形成特定的结构和薄层。
这些结构和薄层的尺寸和位置都会影响激光器的性能。
3. 设计和制造器件
生产半导体激光器的过程中需要设计和制造器件。
这些器件包括激光二极管、反射镜、光栅等部分。
这些部分都需要高精度加工才能保证器件的稳定性和性能。
4. 装配
制造好各个器件之后，需要进行装配。
装配包括将芯片、反射镜等部分进行精确的对准和组装。
5. 测试和性能检测
生产出的半导体激光器需要进行测试和性能检测。
这些测试包括波长测试、输出功率测试、频率响应测试等。
只有通过严格的测试和性能检测，才能保证半导体激光器拥有稳定的性能和可靠的质量。
在半导体激光器的生产过程中，每一个步骤都需要经过精密的设计、制造和检测，才能保证最终产品的质量。
随着新材料、新工艺的不断研发，半导体激光器的生产技术也在不断提高，为各行各业带来更多的创新和应用。
半导体激光器原理及应用
激光器的单纵模工作条件
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。
从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使 激光器单模工作。
以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边 模抑制比
1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗 3）热载流子的泄露
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p
激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
/ )2
式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度； n1为限制层的折射率；λ为激射波长
理想的高斯场分布
半导体激光器的光束发散角
显然，当d很小时，可忽略上式分 母中的第二项，有
4.05(n22 n12 )d
可见，ө随d的增加而增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直
归一化输出与调制频率的关系
半导体激光器的动态特性
张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率， 为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：
1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡 周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。
半导体激光器生产工序
半导体激光器生产工序
半导体激光器的生产工序主要包括以下几个步骤：
1. 半导体材料生长：通过分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法，在半导体晶片上生长出激光所需的半导体材料。
2. 肖特基结构制备：通过工艺步骤，包括光刻、蚀刻等，将半导体材料制作成肖特基结构，形成p-n结。
3. 超晶格、波导结构制备：通过掺杂、蚀刻等工艺，制作超晶格结构和波导结构，以实现激光的增益和光导。
4. 花键制备：通过光刻、蚀刻等工艺，制作花键结构，用于连接激光芯片和外界光纤。
5. 芯片封装：将激光芯片封装到金属、塑料或其他材料的封装盒中，以保护激光器并提供电气连接。
6. 测试：对生产的激光器进行严格的测试，包括光谱测试、功率测试、温度特性测试等，以确保激光器的质量和性能符合要求。
7. 器件配对和组装：将具有相同性能的激光器芯片进行配对，并进行组装，以提高输出功率和可靠性。
8. 制造中的质量控制：在整个制造过程中，实施质量控制措施，包括检查和测试材料、工序和最终产品，以确保制造出高质量的激光器。
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展望
光学传递腔结构图 （1）调试 Loop Filter 和 PZT 驱动器，EOM驱动电路 （2）光学传递腔的设计和加工 （3）把光学传递腔锁定到780nm绝对频率源上
完
谢谢！
芯片端面反射（R1） 应该比外部反馈 （Rext）小20 dB
通过在芯片的一个断面镀增透膜，抑制半导体芯片内的法布里-珀罗腔产生 的本征光学反馈，从而使它不会干扰外部反馈。
为了进一步减少芯片端面的反射，可以结合使用带角度的波导和增透膜，从而 有效地消除来自内部芯片法布里-珀罗腔的大部分反馈
单缝衍射
标志着我们实验室第一台半导体激光器研制成功！
郑公爵等，基于Littman结构的可调谐半导体激光器， Submitted to 《中国激光》（2013）
总结 1、激光器输出功率与光栅的衍射效率有关，同时与激光输出偏振有关 下一步工作 1、改进半导体激光器的恒温装置，以增加激光器输出频率的稳定性
2、采用F-P扫描方式，测量外延腔激光器的线宽与长时频漂大小
传递腔 （已经设计加工）
电子反馈电路 180MHz光探测器， PID控制电路， PZT驱动， 制作完成，测试中 Rb原子的饱和吸收光 谱稳频中，需要半导 体激光器，我们研制 了一台半导体激光器
频率精度小于1MHz
一 半导体激光器的原理与线宽
一端高反 一端14~70%
光学带宽为5到10纳 米。
Y:快轴 X:慢轴 TE偏振：平行于慢轴
kd (sin sin )
据惠更斯-菲涅尔原理 夫琅禾费衍射的光强度分布
sin sin N I I0 2 2 sin
2 2
2
,
2
对于按 角入射的平行光束 A 来说，其单槽衍
射中央主极大方向为其槽面的镜反射方向 B。
因干涉主极大方向由光栅方程
激光器的输出频率还要受谐振腔的限制. 在 F-P腔内, 振动模式必须满足关系 相邻纵模间距为
每个纵模的半高宽(线宽)为:
归一化的激光电流与光谱关系
300
98mA 1mW 电流下谱线图
250
20mA 0.12mW 40mA 0.59mW 60mA 1mW 80mA 1mW 98mA 1mW
100
20℃ 22℃ 25℃ 28℃
80
200
相对强度
60
B
40 20 0
990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080
150
100
50
0 980
L (nm)
980
10000
1080
A (nm)
图一 25℃时不同电流的光谱图
图二 98mA电流时不同温度的光谱图
二 光栅反馈型外延腔半导体激光器
外延腔半导体激光器原理介绍与调试
----郑公爵、尹燕宁、戴大鹏、夏勇
0、研究背景 1、半导体激光器的原理与线宽 2、光栅反馈型外延腔半导体 3、闪耀、全息光栅的原理与选型 4、Littman半导体激光器的调试 5、总结和展望
采用光学传递腔技术实现激光稳频
研究背景: 课题方案介绍
主要包括：
参考频率源 （订购中）
透 射 式 光 栅 光 强 分 布 图
I
sin
多缝干涉 I
-2/d -/d
0
/d 2/d
sin
光栅
sin
包络线为单缝衍射 的光强分布图
主极大 中 央 亮 纹
(亮纹)
极小值
次极大
k=-6 k=-5
k=-4 k=-3
k=-2 k=-1
k=0 k=1
k=2 k=3
k=4 k=5
k=6
反 射 式 闪 耀 光 栅 的 原 理 与 选 型
闪耀光栅衍射效率vs偏振
全息光栅衍射效率vs偏振
Littman外延腔半导体激光器的调试
Littman结构原理图 Littman结构实物图
Littman外延腔半导体激光器的调试
LD M1
IC
FC WG
Grating
osc
Wavemeter BS PC
1 2 3 4 5
左上：多模激光输出 右上：单模激光输出（波长） 右下：单模激光输出（频率）
决定，若希望B方向是第m级干涉主极大方向，则变换上面的光栅方程形式， B方向的衍射角应满足
2d sin
2
cos
-
2
m
考察图 所示的角度关系，有 α=θ0-和 β=θ-θ0 又因B方向是单槽衍射中央主极大方向，所以 必有α=β，即
则有
+θ=2θ0 和 θ－=2α
因而有 2d sinθ0 cos α=mλ 这就是单槽衍射中央主极大方向同时为第m级干涉主极大方向所应满 足的关系式。
反射式闪耀光栅的角度关系
单 元 衍 射
n
n
N
C D
G
N
H
一个刻槽中，两端边缘光线间光程差
A
B
E
多 单 元 干 涉
F
相邻两槽对应点光线光程差
FH EG d (sin sin )
BD AC a (sin sin )
位相差
位相差
ka (sin sin )
Littman结构
Litterow结构
M. G. Littman and H. J. Metcalf, "Spectrally narrow pulsed dye laser without beam expander App. Opt. 17, 2224 (1978).
半 导 体 激 光 器 的 选 择
若光沿槽面法线方向入射，则α=β=0，因而=θ=θ0。 在这种情况下，有
该式称为主闪耀条件，波长λM称为该光栅的闪耀波长，这时的闪耀方向即为光 栅的闪耀角θ0的方向。 若m=1，有：
2d sin 0 b
此时，单槽衍射中央主极大方向正好落在λb的一级谱线上，又因为反射光栅 的单槽面宽度近似等于刻槽周期，所以λb的其它级光谱(包括零级)均成为缺 级。现在的优质光栅可以把近 80%的能量集中到所需要的λb的一级光谱上， 使其强度变强、 闪耀，λb称为一级闪耀波长。