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产品名称: 第三章-半导体激光二极管和激光器组件网上赌彩

发布日期: 2020-07-24 08:16

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简述:  第三章-半导体激光二极管和激光器组件_物理_自然科学_专业原料。第三章-半导体激光二极管和激光器组件 第三章 半导体激光二极管的使用和分类 3.1 半导体激光二极管的使用 1 激光器

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  第三章-半导体激光二极管和激光器组件_物理_自然科学_专业原料。第三章-半导体激光二极管和激光器组件

  第三章 半导体激光二极管的使用和分类 3.1 半导体激光二极管的使用 1 激光器被视为20世纪的三大发现(还 有半导体和原子能)之一,迥殊是半 导体激光二极管(LD)倍受器重,最 具适用价钱的半导体LD是PN结电流注 入的LD。正在履历了低落阈值电流、横 模支配、纵模支配和波长支配阶段之 后,现正在正向高速化、大功率化、二 维和三维集成化宗旨以及超长波长和 可睹光两个波段延迟。 2 和其他激光器比拟,半导体LD因具 有体积小、重量轻、低功率(低电 压、小电流)驱动、高功用输出、 调制利便(可直接调制)、寿命长 和易于集成等一系列长处而得平凡 使用,外3-1列出半导体LD的片面 使用,光纤通讯是这些使用中最重 要的片面。 3 半导体LD正在光纤通讯中的使用苛重搜罗: 1. 种种数据、图像等传输体例的发射光 源; 2. 光纤CATV体例的光源; 3. 掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼光纤放 大器(RFA)的泵浦源; 4. 将来全光通讯汇集诸如全光波长转换 器、光互换、光道由、光转发等症结设 备的光源。 4 半导体激光二极管的分类: 半导体的分类本事许众,有按机闭分 类,也有按波导机制分类,尚有按( LD)的功能参数分类和按波长分类。 正在按机闭分类中,可将LD分为法布里 -珀罗(F-P)型 、分散反应(DFB )和分散反射器(DBR)LD 、量子阱 (QW)LD 和笔直腔面发射激光器( VCSEL);正在按波导机制分类中,可 分为增益扶引 和折射率扶引LD; 5 正在按LD功能参数分类中,可分为低阈 值LD、高特质温度(T0)LD、超高速 LD、大功率LD、动态单模LD等;正在按 波长分类中,可分为可睹光、短波长 LD、长波长LD和超长波长LD(搜罗中 、远红外波段)。正在诸众分类法中, 最根基的是机闭分类。 6 3.2 法布里-珀罗型激光二极管 3.2.1 构成 法布里珀罗(F-P)型激光二极管( LD)是最常睹和最广泛的LD,这种由 外延滋长的有源层和有源层双方的限 制层组成,谐振腔由晶体的两个解理 面组成。光纤通讯用的F-P型LD每每 为双异质结(DH)LD,有源层能够 是N 型,也能够是P型。 7 当DH机闭LD施加正向偏置时,则电子从 N型控制层,空穴从P型控制层注入到有 源层。因为带隙差形成的异质结势垒的 存正在,注入到有源层中的电子和空穴不 能扩散而被控制正在薄的有源层中,因而 容易完成粒子数反转,尽管惟有很小电 流流过,薄有源层中的电子和空穴浓度 也会很高。并且激光振荡形成的光增益 正比于所注入的电子和空穴浓度,以是 有源层愈薄时,用很小的电流就可得到 很大的增益。 8 另一方面,窄带隙有源层的折射率比控制 层的折射率大,光向折射率大的区域聚积, 以是光也被控制正在有源层中。当有源层中 变成反转分散的电子从导带跃迁到价带 (或杂质能级),与空穴复合开释出光子, 这些光子正在由两个解理面变成的谐振腔中 往还反射宣传继续巩固而得到光增益,当 光增益大于谐振腔的损耗时,便有激光向 外射出,如图3-1 所示。 9 10 3.2.2 根基作事道理 要完成半导体F-P 型LD激射作事, 务必餍足四个根基前提:要有能完成 电子和光场彼此效用的作事物质;要 有注入能量的泵浦源(光泵或者电泵 浦);要有一个F-P 谐振腔;要餍足 振荡前提。 11 1. 光的自愿发射、受激摄取和受激起射 12 振荡前提: 当增益赶过由片面反射和散射等 众种要素惹起的总损耗时,颠末 谐振腔的选频效用。特定频率的 光波正在谐振腔内积聚能量并通过 反射镜射出,射出的光便是激光 (闭系光) 13 3.2.3 LD的形式及形式支配 LD的形式是指也许正在激光谐振腔内 存正在的巩固的光波的根基体例。正在 激光振荡时,光波正在谐振腔内变成 三品种型的驻波,即正在两个异质结 间变成的驻波、平行于有源层宗旨 上变成的驻波和两个反射面间变成 的驻波,如图3-4 所示。 14 15 两个反射面间变成的驻波称为纵模, 其他两个驻波称为横模,笔直于有源 层宗旨的横模称为笔直横模,平行于 有源层宗旨的横模称为水准横模(侧 向形式)。普通使用都哀求LD正在基横 模单纵模下作事,以是务必实行形式 支配。 16 1. 笔直横模的支配 对待对称的三层平面波导的LD,有源层 的折射率为 n 2 ,两个控制层的折射率 差别为 n 1 和 n 3 ,且两个控制层的带隙 差别为 E g 1 和E g 3 ,因为是对称的机闭, Eg 1 ? Eg 3 1 ?n 3 ?n 2 , 故 n 。笔直横模 M ? 1 的有源层厚度( d ) 的截止前提为: d? ? 2 n ?n 2 2 2 1 ?3 ? 3? 17 式中 ? 是峰值波长,对待 G a A l A sG /a A s D H L D 0 . 7 0 . 3 来说,有源层折射率 n2 ? 3.56 n 3 .4 0 1? 3? ,控制层折射率 n .9 ? m,则形成基 ,若取波长 ??0 横模 M ? 1 的有源层厚度的前提是 d?0 .4 5 ? m 18 2. 水准横模的支配 水准横模(S)的数目取决于LD的条宽( W),以增益波导LD为例,水准横模S可 吐露为: W 2 2? ? 2 S?ln? 1 ? n n 4? 2 ? ? ? ? (3 ? 4 ) 式中, n 4 为有源区因增益波导而形成的有 效折射率。当 S ? 1 时, 能够算出 W?10?m 19 由此可睹,完成基横模作事的半导体激 光器的症结是支配有源层厚度和激光器 的条宽。最常用的基横模作事的半导体 激光器机闭有隐埋异质结(BH)、平面隐 埋异质结(PBH)、双沟平面隐埋异质 结(DC-PBH)和脊形波导(RW)等结 构,图3-5差别示出种种激光二极管的结 构图。以这些机闭为底子,将有源层改 为量子阱机闭或者正在有源层刻制Bragg光 栅,便成为一系列新型激光二极管,可 以极大改进激光二极管的功能。 20 3. 纵模支配 正在基横模前提下,纵向 谱分散: 2 nL 2 ? 1 ? 1 ?q ? q q 形式确定了光 q? 1 ,2 ,3 式中,L 是LD的腔长,由(3-5)式可知, LD的辐射谱是一个众线状的光谱,其模 间的波长差 ? ? 为: ? ? ?? 2 n 2L 2 (3-6) 21 正在阈值电流左近可看到许众纵模。但如 果输出功率较大时,则险些只存正在单纵 模,这阐述纵模受到横模的激烈影响。 这种LD 正在高速调制下,或正在温度和注 入电流改变时,不再维护原激射形式, 而会展现形式跳跃和谱线展宽,这对高 速使用至极倒霉。为了维护单模,减小 光谱展宽,务必磋议动态单模激光器。 22 目前有不妨完成动态单模的有短腔激 光器、耦合腔激光器、外腔激光器、 长腔激光器、注入锁定激光器和分散 反应激光器 反射器激光器,其平分 布反应激光器及分散Bragg反射器激 光器是光纤通讯最有出息的适用化器 件。 23 3.3 分散反应激光二极管和 分散Bragg 反射器激光二极管 3.3.1 分散反应激光二极管 分散反应激光二极管型(DFB LD)和 F-P型激光二极管 的苛重区别正在于它没有 集总反射的谐振腔反射镜,它的反射机构 是由有源区波导上的 Bragg 光栅供应的, 这种反射机构是一种分散式的反应机构, 因此得名分散反应激光二极管。 24 正由于这一非集总式的反应机构,使 得它的功能远远赶过广泛F-P LD,特 别是Bragg光栅的选频性能使得它具 有十分好的单色性和宗旨性。其余, 正由于它没有利用晶体解理面行动反 射镜,使得它更容易集成化,正在光电 子集成电道(OEIC) 中有着至极诱人的 长处。 25 DFB LD 的机闭和根基作事道理。 图3-6是DFB-LD 的示意机闭,正在有 源区介质外貌上利用全息光刻法做成 周期性的波纹样子,波纹的周期为Λ, 只须用泵浦(光泵浦或电泵浦)激起, 形成足够的粒子数反转。则介质就具 备增益前提。倘使波纹的深度餍足一 定哀求,则正在两头就可获得激光输出。 26 27 所发射的激光波长餍足: 2 n e f f? ? ? m m ? 0 , 1 ,2 ??? (3-7) 28 这种光栅式的机闭统统能够起到一个谐振 腔的效用,它所发射的激光的波长,统统 由光栅的周期来确定。以是,有不妨通过 调换光栅的周期来调理发射波长,乃至可 以使正在自愿发射的长波边或短波边左近激 射。这一点F-P型LD是不不妨做到的,FP型LD的发射波长只可位于自愿发射的中 心频率左近。由此可睹比拟,DFB LD和 F-P型LD比拟,其发射频率的选拔规模很 宽,能够正在自愿发射频率规模内自正在地选 择发射波长。 29 对DFB LD 来说,惟有一个横模所对应的 Bragg波长材干落入自愿发射光谱内。因而, DFB LD 具有很好的横模选拔功能,容易实 现单横模作事。除此以外,DFB LD 的输出 是统统偏振的TE 波,而F-P 型LD 却输出不 统统偏振的TE波,因而,DFB-LD 具有比 F-P 型LD更好的偏振特质,故它的谱线宽 度十分的窄。 目前DFB LD 已成为中长距 离光纤通讯使用的苛重激光器,迥殊是正在 1.3微米和1.55微米光纤通讯体例中。正在光 纤有线电视(CATV)传输体例中,DFB LD 已成为不成取代的光源。 30 通过制制分别光栅周期的DFB LD 并通过一个光波导耦合便可输轶群 具分别波长的光 (如图3-7所示),如许的众频道集 成化的激光器正在众频道高速数据传 输中迥殊有效。其余,还可诈欺这 种激光器来完成混频。 31 32 33 分散Bragg 反射器(DBR)激光二极管 虽然DFB LD 有许众长处,但并非尽善 尽美,比如,为了制制光栅, DFB LD 必要 丰富的二次外延滋长工艺,正在制制出光栅 沟槽之后因为二次外延的回熔,不妨吃掉 已变成的光栅,以致光栅变得残破不全, 导致谐振腔内的散射损耗增长,从而使LD 的内量子功用低落。 34 图 3-8 示出 DBR LD 的示意机闭 ,它和 DFB LD的差异正在于它的周期性沟槽不正在 有源波导层外貌上,而是正在有源层波导两 外侧的无源波导上,这两个无源的周期波 纹波导充任 Bragg反射镜效用,正在自愿发 射光谱中,惟有正在Bragg 频率左近的光波 材干供应有用的反应。因为有源波导的增 益特质和无源周期波导的反射,使惟有正在 Bragg 频率左近的光波能餍足振荡前提, 从而发射出激光。 35 36 正在将来的通讯和CATV共纤传输的 波 分 复 用 ( WDM ) 系 统 中 , DBRLD 倍 受 青 睐 , 因 为 具 有 DBRLD精华的宽带波长可调特质。 37 3.3.3 光纤通讯体例 对DFB LD和DBR LD的哀求 跟着大容量长距传输的 DWDM 体例 或城域网接入网的大批采用,对 DFB LD 和DBR LD 提出更高哀求,这些哀求是窄 线宽、低啁啾、可调谐、波长可选拔和 集成光源。虽然商用DFB或DBR LD的谱线MHz 以下,但正在高速直接 调制时,器件仍存正在内正在的频率啁啾, 使激光谱线 通过器件策画、原料滋长、制备工艺等办法 来完成具有低啁啾的DFB 或DBR LD。为了 克制DFB或DBR LD 直接调制时存正在的弱点, 也可采用外调制技艺,最适合于 DFB 或DBR LD 的 外 调 制 器 是 电 吸 收 半 导 体 调 制 器 (EAM)。因为LD和电摄取调制器同属一种 InP 原料,也许用光子集成技艺,把 DFB 或 DBR 和电摄取调制器单片地集成正在一齐,称 之为电摄取调制激光器。 39 单片集成光源是搜罗DFB和DBR激光二 极管正在内的完全半导体激光光源的起色 宗旨,它不但保存DFB或DBR激光器工 作巩固的长处,并且避免与其他器件如 光波分复用器、EA调制器、光放大器等 单位的输出/输入光纤的损耗,同时还减 少种种单位器件的封装症结,低落器件 的代价。目前,不但可完成数十个单位 DFB激光器的单片集成,并且还可完成 众个信道DFB激光器和EA调制器和/或放 大器等单位器件的单片集成。 40 因半导体原料固有特质受境况温 度的改变或者器件自己的老化等 要素,都邑使DFB 或DBR 激光器 及其集成光源的激光作事频率 (或作事波长)随之漂移,由此 引 发 出 WDM 应 用 中 光 源 频 率 (或波长)的持久巩固性题目。 41 为管理光源频率(或波长)的巩固题目, 能够两个方面入手:一是优化器件策画、 修正制备工艺,降低器件的牢靠性;二是 通过封装技艺来确保光源作事频率的巩固 性,常用的主见是采用帕尔帖制冷器来自 动支配巩固光源热浸的温度或者采用搀杂 集成频率巩固元件和反应支配回道。把上 述的温控回道、频率巩固支配电道、光源 驱动回道集成封装正在一齐成为可供适用的 组件。 42 3.4 量子阱激光器 3.4.1 超晶格和量子阱的观点 自从江崎提出超晶格原料的新性能特质之后, 人们诈欺分子束外延MBE技艺使半导体超晶格 和量子阱原料的磋议得到宏大打破,并且正在材 料使用方面到达更新统统一代微波和光电子器 件的水准。诈欺MBE 技艺人工创制半导体超 晶格原料,这种新原料的周期机闭是能够按人 们的哀求恣意调换的,对个中运动的电子和空 穴附加了人工的新周期势,也便是说,电子的 波函数自己可被人们所支配。 43 从这个意思来说,超晶格原料是新的人工 物质。诈欺这种新原料制制的异质结机闭, 不但具有十分好的界面质地,并且它的势 垒轮廓和杂质分散还可按策画者的意图和 必要来滋长,其薄膜层的尺寸(厚度)可 以支配到原子间隔绝的精度,正在这种尺寸 规模的原料中展现很众自然晶体中不曾出 现过的新物理形象,即量子效应。 44 普通双异质机闭(DH)激光二极管有源层的 最佳厚度约为0.15微米,这时有源层中的载 流子状况按单电子近似,用布洛赫波函数描 述,激光的辐射跃迁发作正在两个能量之间, 倘使有源层厚度进一步淘汰,将会使LD 的 阈值电流密度显着增长。可是,当其有源层 厚度减至德布罗意波长或者说减至能够和波 尔半径比拟拟时,则使半导体的本质发作根 本改变,半导体的能带机闭、载流子有用质 量、载流子运动本质会展现新的效应 量子效 应,相应的势阱称为量子阱。 45 每每所说的超晶格是指原料而言,它是两 种或两种以上本质分别的薄膜彼此瓜代生 长而变成的众层机闭的晶体。正在这种超晶 格原料中,人们能够恣意调换薄膜的厚度, 支配它的周期长度。普通来说,它的周期 长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更 长,因此得名“超晶格”。而量子阱是针 对物理效应而言,例如一个超晶格原料具 有量子效应,那么,诈欺这种效应制制出 的器件称为量子阱器件。无论是超晶格或 是量子阱,它们的协同特征都务必具有量 子尺寸效应。 46 超晶格能够分为组分超晶格、应变超晶格 和掺杂超晶格。 ?组分超晶格 组分超晶格是指由禁带宽度分别的两种半 导体超薄层相间滋长的众层机闭,如图310所示。半导体量子阱激光器众采用这种 众层机闭,其组成势阱的窄禁带薄膜厚度 可与电子的德布罗意波长比拟拟,而组成 势垒的宽禁带薄膜层的厚度要足以禁止相 47 邻势阱中的电子波函数发作耦合。当阱原料 的厚度小于德布罗意波长时,滋长宗旨上的 布里渊区就被盘据成若干个小的布里渊区, 这就控制了势阱中电子(或空穴)正在滋长方 向上的运动能带,每个子带相应变成笔直于 外貌宗旨的特定量子化能级,其态密度和能 量呈台阶状分散。因而,阱中的电子(或空 穴)的运动是准二维运动,这便是量子阱中 特殊的二维电子气,它确定了量子阱机闭与 体原料大相径庭的电学、光学及输运特质。 用较广泛的话讲,当超晶格周期小于电子平 均自正在程时,这种超晶格就展现量子化形象。 48 49 2. 应变超晶格 正在创制超晶格原料进程中创造,倘使众层薄 膜的厚度至极薄时,正在晶体滋长时反而不大 形成位错,也便是正在弹性形变范围之内的超 薄膜中,晶体自己发作应变,歼灭缺陷的产 生。因而,美妙地诈欺这种本质,能够正在晶 格常数相差较大的原料之间变成应变超晶格。 应变超晶格的凯旋,不但增长了超晶格原材 料选拔的自正在度和分别原原料的超晶格的种 类,并且正在应变超晶格中还创造了很众普通 超晶格不具备的新性能。 50 3. 掺杂超晶格 所谓掺杂超晶格是指正在统一种半导 体原料中,用瓜代地调换掺杂类型 的本事制成的新型人工周期性机闭 半导体原料,有时还正在n型和p型层 之间加一个极薄的i型层变成n-i-p-i 机闭,这是一种载流子浓度和能隙 均可调制的新型人工周期机闭半导 体。 51 因为掺杂超晶格的有用能隙和载流子 浓度不再是固定褂讪的,而是可用外 部前提实行调治的可变量。也便是说, 可用外加电场或光激起来调换这种超 晶格原料的电导率、光摄取、发光特 性和子带间距。这一特质是掺杂超晶 格与组分超晶格的区别所正在。诈欺它 的电学和光学特质的可调性,能够制 作出很众功能优异的新器件,迥殊适 合制制新型光电子器件。 52 2.超晶格的制备 超晶格的制备每每采用分子束外延 (MBE)本事,这是由于MBE 具有 也许精准支配滋长层厚度的才力, 滋长出极薄的一层一层瓜代滋长的 超晶格。 53 3.4.3 量子阱激光二极管 1.量子阱激光二极管的能带图 根基上讲,量子阱激光二极管(QWLD)是 把普通双异质结( DH )激光二极管的有源 层厚度(d)做成数十纳米以下的机闭。具 有一个载流子势阱和两个势垒的量子阱称 为单量子阱(SQW)LD,具有n个载流子势 阱和( n+1 )势垒的量子阱称为大量子阱 (MQW) LD 。图 3-11 示出量子阱激光二极管 的能带图。 54 55 56 2.量子阱激光二极管的长处 ? 低的阈值电流 ? 高温作事 高温作事的LD倍受青睐,这种LD 无须使 用帕尔贴电子致冷器,不必要积蓄因温度 惹起功能改变的主动功率支配(APC),可 以延伸利用寿命。因而,人们不绝探求正在 较高作事温度下能寻常作事的激光器,量 子阱LD展现,使这个意向造成了实际。 57 (3)窄的谱线)调制速率高 波长的可调谐性是量子阱激光器另一 紧急特质。 58 MQW-DFB激光二极管 倘使将 DH-DFB 激光二极管和 MQW 激光 二极管实行组合,便可获得 MQW-DFB 激 光二极管,这种激光二极管具有量子阱的 有源区和 Bragg 光栅,即正在量子阱有源层 上制制 Bragg 光栅。如许的激光器不但具 有DFB-LD的单频、易集成、低阈值电流的 长处,并且也具备 MQW-LD 的一系列长处, 图 3-20 示出 MQW-DFB LD 和 DH-DFB LD 正在分别调制电平下光谱较量。 59 60 3.5 笔直腔面发射激光器 为了修建将来众媒体消息汇集通讯社 会的底子步骤,光电技艺的紧急性日 益拉长。迥殊是下一代的光通讯汇集 和算计机光互连的体例中,哀求开垦 更大传输容量的体例和新型光电器件 。现正在,光通讯体例民众依然点到点 的传输,这种点到点的传输体例已满 足不了强大消息量的传输,必要开辟 并行的光传输体例和器件。 61 算计机迥殊是以微处罚机功能的降低和低 代价化为契机,利用一面算计机的群体剧 增,危急必要高水准算计机的平行互连, 于是起头研究Gb/s以上速度和10信道以上 的并行光体例。再者,正在光存储器中,需 要高速、高密度的存取体例。然而,以解 理腔为底子的半导体激光器远不行餍足这 些哀求,由于如许的激光器不行实行二维 乃至三维的集成。为克制这一错误,提出 了从笔直于衬底宗旨出光的面发射激光器。 62 3.5.1 面发射激光器的根基观点 面发射激光器(SE LD)与通例解理腔激 光器的基础区别正在于它的光输出笔直于或 倾斜于衬底,其类型苛重有三种:笔直腔 型、水准腔型(搜罗利用高阶耦合光栅的 DBR或DFB 机闭和利用45度角偏转器结 构)和向上弯腔型激光器。图3-22和外3-4 差别给出这三种面发射激光器的构形和基 本特质。 63 64 图3-22 面发射激光器的三种构形 65 3.5.2 VCSEL的构形 VCSEL 是 英 文 Vertical Cavity Surface Emitting Laser 首 字 母 的 缩 写 , 形 象 地 说 , VCSEL 是一种电流和发射光束宗旨都与芯片 外貌笔直的激光器,它的展现就像当年LED出 现相同受到器重。 66 图3-23 是VCSEL机闭的道理图,和常 规激光器相同,它的有源区位于两个 控制层之图是间,并组成双异质结 (DH)构形。为了能使注入电流控制 正在有源区内,诈欺隐埋制制技艺使注 入电流统统被控制正在直径为 D 的圆形 有源区中。 67 与通例激光大相径庭的地方是腔长的观点, 的腔长是隐埋DH 机闭的纵向长度, 普通 为5-10微米,而它的谐振腔的两个反射 镜不再是晶体的解理面,它的一个反射镜 树立正在P边(键合边),另一个反射镜设 置正在N 边(衬底边或光输出边)上。反射 镜1 的直径大于形式雀斑尺寸,网上赌彩反射镜2 的直径与有源区直径D相当。 68 为了增长反射镜2 的反射率,引入与反 射镜2远隔的环形电极。 因为VCSEL的机闭特征,因此它的机闭 策画参数分别于通例激光二极管,它的 苛重机闭策画参数搜罗腔长(L)、有源 区厚度(d)、有源区直径(D)和前、 后反射镜的反射率等。 69 70 (1) VCSEL是一种发光功用很高的 器 件 。 以 850nm 波 长 的 为 例 , 正在 10mA 驱动时能够得到高达 1.5mW 输 出光功率。如恰当地利用VCSEL可更 加容易地策画吸取电道,由于更众的 光功率可从的输出端获得,如许使接 收电道的圆活度策画能够不像以前那 样苛苛且不丧失任何光预算,尽管正在 高速光传输中有十分头痛的噪声扰乱, 仍可保障所需的信噪比。 71 ( 2 )作事阈值极低,能够从 1mA 以内 逼近1微安。因为VCSEL的阈值极低, 故它的作事电流也不高,普通为5~ 15mA , 这 样 低 的 工 作 电 流 可 以 由 PECL 或 ECL 逻辑电道直接驱动,从而 简化驱动电道的策画。 (3)动态简单波长作事。 72 (4)不但能够单纵模式样作事,也可 以众纵模式样作事,从而淘汰了众模光 纤使用时的闭系和形式噪声,这一特征 至极紧急,由于VCSEL苛重使用于以众 模光纤(62.5微米芯径)为传输前言的 局域网(LAN)中。 (5)高的温度巩固性。 (6)高的驰豫振荡频率。 (7) 高的作事速度 (8)长的寿命。 73 (9)可恣意摆设高密度二维激光阵列。 (10)与大范畴集成电道有好的成亲性。 (11)对完全分别芯径的光纤(从单模光纤到 1mm阁下的大口径光纤)都有好的形式 成亲。 (12)代价低、产量高。 VCSEL采用与广泛DH LED 险些统统相同的生 产工艺,每年能够数百万计地临盆。 74 3.6 激光器组件 激光器组件是指正在一个精细机闭中(如管壳内 ),除激光二极管(LD )芯片外,还摆设其他元 件和完成LD 作事需要的少量电道块的集成器件, 其他元件和电道应搜罗: 1 光远隔器:光远隔器的效用是防备LD 输出的 激光反射,完成光的单向传输,它位于LD 输出边 。 2 监督光电二极管:监督光电二极管的效用是 监督LD的输出功率改变,它位于LD背出光面。 3 尾纤和接连器。 LD的驱动电道(搜罗电源和LD芯片 之间的阻抗成亲电道)。 5 热敏电阻:其效用是衡量组件内的 温度。 6 热电致冷器(TEC):热电致冷器 是一种半导体热电元件,通过调换热 电元件的极性到达加热和冷却方针。 4 7 主动温控电道(ATC):ATC和热敏 电阻相连,其效用是维系LD组件内恒定的 温度(如25度)以保障激光参数的巩固性。 当组件内因LD过热而升温或因境况温度变 化时,位于组件管壳内的热敏电阻随温度 改变而调换其电阻值,通过电阻值改变控 制具有双向输出的温控装配(ATC)的电 流巨细和极性,并通过TEC能疾速地到达 并维护LD的恒定作事温度。比如,当组件 管壳温度大于25 ℃时,TEC 加正偏置,制 冷进程发作;当组件管壳温度小于25℃时, 加负偏置,加热进程发作。 3.7 激光二极管和激光器组件的 常用参数及其测试本事 3.7.2 激光器件的光学和电学特质参数 (或术语)及其测试(或确定)的本事 4. P-I 弧线的线性度 功率线性度,它是权衡实质输出光功率偏 离外面输出光功率的一个量,用百分数 吐露。 7. 激光二极管的驱动电流 激光二极管驱动电流是指正在额定输出光率 下所需的总电流,即阈值电流和调制电 流之和。 8. 阈值电流密度 J th 阈值电流密度不但取决于制制激光二极管 的半导体原料的质地,并且也取决于激光 器件的尺寸和面积。仅从阈值电流的巨细 不行断定一支激光二极管的优劣。 正在算计激光二极管阈值电流密度时,务必 精准地衡量正正在注入电流的激光器的面积。 用条宽下的面积代外激光极管的面积是不 牢靠的,由于因为注人电流的扩展性,往 往使真正流过电流的面积扩张,特别是只 有几微米条宽的脊形机闭的激光二极管。 12. P-I 弧线的斜率 P-I 弧线的斜率吐露每安培(或每毫安) 注入电流有众少瓦(或毫瓦)的激光输 出。 13. 外微分量子功用(? ?P ? q? ? ?d ? 2 ? ?I ? hC ? ? d ) 14. 内量子功用( ? i ) ?? d ? i ? 是激光二极管发射的光 子数与激光二极管形成的光子数 之比。 16. 透后阈值电流密度 J 透后阈值电流密度适合于较量不 同半导体晶片的质地。 0 J 0 是通过画 J th ~ 1 L 闭连弧线 L 闭连弧线 . T 特质温度( 0 ) 正在大无数使用中,老是生机激光二极管能正在温 度升高时一连寻常很好地作事,特别是大功率 激光二极管更是如许。外征这种功能的参数就 是特质温度,用符号 T 0 吐露。 T 0 是权衡激光二极管对温度圆活度的一个 参数。较高的 T 0 意味着当温度迅速增长时, 激光二极管的 I t h 和? d 增长不大。 图3-36 分别温度下的P-I弧线 ? ? ln ? Jth ? (3-25) 25. ? tr t f 上升/低落时刻 ? 图3-47 光脉冲的上升和低落时刻 上升/低落时刻是指LD输出功率的 脉冲响合时间。把光脉冲的上升时刻 界说为从额定光功率的10%升到90% 所需的时刻;把光脉冲低落时刻定 义为从额定光功率的90%降到10%所 需的时刻,如图3-47所示。 图 3-47 光脉冲的上升和低落时刻 32. 串联电阻 激光二极管的串联电阻每每是通过正在作事电流 处 算计器件的电压-电流特质弧线的微商而 确定的。其作法是利用一个算计机次序确定出 LD的V-I弧线 所示。对 一个激光二极管来说,老是生机有较小的串联 电阻。高的串联电阻不妨起因于器件的P 边和 N边的低质地金属化欧姆接触的结果。因而, 串联电阻是评议淀积正在激光二极管上的金属化 接触质地的一个参数。 图3-50 LD的典范弧线V-I和相应的 dV dI ? I 弧线-xAlxAs的带隙Eg 正在 0≤x≤0.37餍足: E ? 1 . 4 2 4 ? 1 . 2 6 6 x ? 0 . 2 6 6 x g 2 当x=0.03,且光功率与驱动电流的比值为 0.5mW/mA,求该三元合金激光器的外量 子功用。 94 2:一峰值发光波长正在800nm的GaAs激光 器,其谐振腔长400μm,且原料折射率n =3.6。倘使增益正在750nmλ850nm的范 围内都大于总损耗系数αt,试求此激光器 中能存正在众少个形式。 95 3.有一分散反应式激光器,它的布喇 格 波 长 为 1570nm , 二 价 光 栅 周 期 Λ=460nm,谐振腔长度为300μm。假 设有一统统对称的 DFB 激光器,求出 其零阶、一阶和二阶受激辐射波长。 96 提示: 布喇格波长λB与光栅周期 Λ之间餍足闭连: 2ne ? ? k ?B 等式中ne是形式的有用折射率,k是光栅的 阶数。正在理念的 DFB 激光器中,纵模波长 对称地分散正在 λB两侧,其波长由下式给出: ? ? 1 ? ??? m ? ? ? B? 2 B 2 n eL e? 2 ? 97 4 : 对待具有强载流子控制效用的 LD 机闭,受激起射的阈值电流密度 Jth 与阈值增益 gth 之间有一个很好的 近似闭连: g th ? βJth 式 中 的 β 是 由 器 件 的 具 体 机闭确定的增益系数。现有一个GaAs-LD, 其光腔长L=250μm、宽W=100 μm,正在 98 寻常作事温度下: β = 2 11 ?0 c m / A - 3 损耗系数: α i ?10cm ? 1 (a)GaAs的折射率n=3.6,算计阈值电流 密度Jth与阈值电流Ith; 99 (b) 如光腔的宽度降为10μm,则此时的 阈值电流Ith为众少? (c) 算计光腔内的光子寿命τph; 100

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