2.1半导体激光器在线视频

同学们

大家好

我是华北电力大学的马永红老师

今天我们来讲

光电子技术器件与电力应用的第二章

光电子有源与无源光器件

光器件是光电子系统的基石

本章系统的概述

各种有源与无源光器件

具体的内容包括

半导体激光器

光放大器

光探测器

无源光波导器件

以及电光波导调制器及其应用

对有源器件与无源器件的

判断的标准

我们可以做如下的一个说明

具体的来说

如果它的功能的实现

是需要发生光电能量转换过程

那么这种器件

我们就把它称为有源器件

否则

就称为无源器件

根据这个定义

那么这一章的前三节

实际上是属于有源器件

后面两节属于无源器件

激光是受激辐射光放大的简称

它具有单色性好

相干性好

方向性好

和亮度高的特点

激光器是光电子系统的

特色性光源器件

一般由工作物质

泵浦源和谐振腔组成

激光的产生

需要满足粒子数反转

减少振荡模式两个必要条件

和阈值起振

以及增益饱和稳定振荡两个充分条件

激光器按工作物质可分为

固体

气体

和液体三大类

下面我们重点地讨论

固体激光器中的半导体激光器

半导体激光器简称为LD

是以半导体材料作为工作物质

它具有体积小

效率高

结构简单

价格便宜等一系列的优点

目前

LD是光通信

光传感

光存储

激光打印

及固体激光泵浦

光纤放大器泵浦中

不可替代的重要光源

它在激光器市场的份额可以占到99%

那么我们现在就来看半导体激光器

上面这个图

就是半导体激光器的一个产品的结构图

我们这一节的目的

就是弄清楚

半导体激光器到底是什么样的一个原理

首先我们来看一下它的发光的机理

半导体激光器的核心

是一个重掺杂的PN结

图a

给出了重掺杂的P型N型半导体的能带

从这个图里面大家可以看到

重掺杂使N型半导体的费米能级

进入了导带

而P型半导体的费米能级

进入了价带

当P型和N型半导体结合形成PN结时

由于一个平衡的系统只能有一个费米能级

所以

P区的能级

要提高

N区的能级要降低

那PN结的能带在这个自建电场的作用下

发生弯曲

如这个图所示

这个自建的电场的方向

我们大家知道

是由N指向P

所以它的能带的弯曲是P高于N

这样电子要从N区跑到P区

它就必须克服这样一个势垒的限制

才能跑到P区去

当外加正向电压时

正向的电压

也就是说

在P区加正

N区加负

刚好和刚才的内电电场是相反的

那这样的话

PN结的势垒就会降低

那这样就便利了

它里边的电子空穴对的这样一个运动

在电压足够高时

P区的空穴

和N区的电子就会大量的扩散

并向结区注入

如图所示

在PN结的空间电荷层附近

导带和价带之间的

这个电子就会形成粒子数反转

成为激活区

导带和价带之间的这个电子

和相应的空穴进行复合

那就会向外发光

从而产生激光

这就是PN结

也就是说我们前面说的

半导体激光器发光的最核心的道理

也就是说

它是给PN结加正向偏压

使它里边的

电子和空穴在结区复合

从而向外发光

那我们来看一下半导体激光器的结构

半导体激光器的结构

如下面这个图所示

这个图给出的是以

砷化镓材料

作为半导体的工作物质的这样一个结构

它的核心按照刚才所说的

就是一个PN结

那它结的这个端面

按照晶体的解理面来剖切

这里的a图给出了它的内芯的结构

大家从这个图里面大家可以看到

有P区有N区

那在P区N区的中间

就形成了它的PN结

它的解理面

是一个光滑的平面

实际上可以作为PN结结区的镜面

也就是说形成激光器反射的谐振腔

这个b图是它的外形图

大家可以看到

除了刚才的所说的核心部分以外

下面加了一个散热层

再加上电极

实际上就构成了

刚才我们看到的

半导体激光器的里面最核心的部分

实际上就包括这些部件

它的解理面非常光滑

刚才已经说了

那就把它作为

激光器的谐振腔

而不像普通的激光器一样

我们要单独的用光学的镜子

来构成它的镜面

这实际上是用的

材料的两个解理面直接作为它的这个镜面的

那在上下电极上施加正向电压

就是刚才所说的

我们在P加正

在N区加负

这样的话

结区就会产生了这样一个双兼并的能带结构

即供给了它的工作的电流

那产生的激光

就可以从刚才的解理面的一侧

或者两侧来输出

这个图给出了以砷化镓

铝镓砷材料体系

作为基本的材料的

F-P的同质

单异质

双异质结的

半导体激光器的这样一个结构图

有三个图

最左边这个图a图就是叫做同质结

为什么叫同质结

大家看这个图

它的P型和N型

用的是同一种材料砷化镓

所以叫同质结

中间这个图

大家可以看到它的P区

除了砷化镓以外

它在上面还夹着一层铝镓砷

是另外一种材料

这种材料的

它的折射率要高

要高

所以叫做单异质结

再看c图

c图在它的P区

用了铝镓砷这种高折射率的材料

在它的N区

也用了铝镓砷

这样一个高折射率的材料

中间夹的P型的砷化镓

所以这个叫做双异质结

双异质结

这是同质

单异质

双异质结LD结构的图

那这里的同质结的PN结

由于它基于同一种材料

所以它制造起来结构比较简单

但它的缺点是

室温的阈值电流比较高

所以使它不能连续工作

图b的单异质结P区

我们刚才看到了由

砷化镓和铝镓砷两种材料构成

而铝镓砷的折射率

比砷化镓的要高

所以它相当于

在一端相当于堵了一堵墙一样

所以这样的话使它的这个阈值电流会降低

比刚才的同质结会降低一个数量级

所以这种激光器可以在室温下

脉冲形式工作

那刚才的第三个图是双异质结

它实际上把砷化镓这种材料

夹在了两个高折射率的

铝镓砷材料中间

所以双异质结激活区中

注入的电子和空穴

就被两侧的这个高的势垒

给限制住了

那它限制以后

实际上极大的降低了它的阈值

同时刚才说了两端的那个折射率比较大

所以它实现了这个光波导效应

那这样使光波的传输损耗大大的降低

所以

双异质结

激光器的阈值电流比刚才的两种更低

它在室温下可以获得

几到几十毫瓦的连续的输出

这也就是说

我们制造激光器的时候

有的时候

为什么要用双异质结的这样一个原因

前面我们已经说过了

光通信的起源

一个是低损耗光纤的出现

另外一个是什么了

就是室温下可连续运转的激光器

室温下连续运转

当然你要降低它的阈值电流

因为只有电流降低了

它这样的话

它对外的发热才会降低

所以

这个双异质结实际上对它室温运转

起到了一个非常大的这样一个作用

而且

这里可以看到它是室温下是连续运转的

好

那我们来看一下

半导体激光器的封装

它也是半导体激光器的一个核心的内容

目前最为广泛的封装技术

主要有双列直插

就是这里的最左边这个a图

双列直插型

还有这种蝶形

前面我们看到的主要就是这种蝶形的

LD激光器

还有这种同轴的封装

就是像c大家看到的一般的

电子元器件大多是这种形状

这就是半导体激光器的三种封装的形式

实际上它外面的壳子

就相当于它的一个散热片

就是自然的散热就可以了

不用像大型的激光器

我们有的要用水冷

有的要用液氮等等

这个就是

用它的壳子就可以散热就行了

好

那我们再看一下

可调谐的半导体激光器

随着波分复用技术的发展

需要在特殊的波段

来实现可精确调谐的半导体激光器

我们把它简称为TLD

目前常用的

调谐的方式

有分布反馈式简称为DFB

外腔式

分布布拉格反射式简称为DBR

以及垂直腔面发射式

简称为（VCSEL）-TLD

就是说有这四种形式

它都可以实现它发射波长的调谐

那这个调谐的基本的方法是什么

就是通过电流

温度

以及微机械电子系统

简称为（MEMS）

三种基本的技术

来实现它的波长的调谐

那我们来看这个图

就是一个分布反馈式的

可调谐的激光器的结构

这个和刚才的主要的区别

就是在这个里面大家可以看到

在它的工作物质里面

加了一个什么光栅

这个光栅实际上是一个布拉格光栅

它分布在整个它的谐振腔内

那这样大家知道布拉格光栅

需要满足布拉格反射的条件的这个光

才可以在里边稳定存在

最终会产生单纵模的激光输出

也就是DFB激光器它输出一个单纵模

那它的调谐是怎么来做的

它是通过改变注入的电流

就是我的电流的大小

或者给它加热

加热

这些两种方式都可以改变它的折射率

而布拉格光栅的它的波长

实际上是与这个折射率是有关系的

所以改变了折射率

实际上也就相当于

就可以改变它的波长

所以就可以实现激光波长的调谐

但这类激光器

它的调谐的时候只能粗调

且它调谐的范围是有限的

这是第一种

DFB-TLD激光器的结构

这是它的调谐的机理

第二

我们来看一下一个外腔式的

TLD的结构

如这个图

这个图里面LD在一个解理面上

镀上了抗反膜

大家可以看在这个左端抗反膜

那将一个固定的反射型的衍射光栅

大家可以看这个图里面有个衍射光栅

作为色散的元件

通过压电陶瓷来控制这个镜面

绕着一个虚的支点旋转

我这里用红色表示了

它可以绕着这里的一个虚支点进行旋转

利用反馈光

与有源区内光场的互作用

就可以实现它输出波长的调谐

实际上在转动的时候

我们可以看到

衍射光栅它实际上取得衍射光栅的

不同方向的光

而这不同的方向实际对应的是不同的波长

这是它的调谐的机理

这类TLD的机械调谐

具有一定的滞后性

所以它的实用的范围也比较有限

但是它是可以实现波长调谐的

我们再看一下

下一种形式叫DBR-TLD的结构

它的DBR和刚才的DFB的这个区别

大家可以看到

它的这个光栅呀

不像刚才DFB一样在整个的有源区

它只是在一侧

或者在两侧

没有在整个的范围内

同样满足布拉格反射条件的这个模式

最终就可以实现激光的输出

没有问题

对不对单纵模输出

它这里还引入了一个相位区

然后

使得刚才的这个调谐的范围可以更大

它波长的选择更为精确

因为我们刚才已经说了

DFB的结构它的调节是粗调的

这里引入了一个相位区

也就是说它的调谐不光是利用

DFB的本身的调谐

还引入了相位区作为辅助的这样的调谐

所以它的调谐的这个精度会更高

它的调节的速度也比较快

但是它输出的线宽比较宽

它的控制相对比较复杂

因为它这里大家可以看到

有相位区有光栅区

对不对

所以它的调节控制的参数多

那当然它的控制相对来说就比较复杂

然后我们再看一下

垂直腔面发射的TLD的结构

那垂直腔面发射这个意思

大家可以看到啥叫垂直腔面

就是发射光是沿着垂直方向

刚才大家看到的激光器

都是沿着水平方向发射的

垂直发射

实际上就是克服了一般的腔镜

它不能进行二维或者三维

阵列集成的这样的问题

所以它从垂直方向

所以这就可以形成

大的这样一个激光的发射阵列

那这种TLD

它由有源区和上下的DBR来组成

大家看这里这个图

DBR是可以移动的

下部分与衬底相连

这两个之间是一个

厚度可以改变的一个空气隙

和量子阱结构的有源区

所以

它的主要的调谐是改变这个空气隙的

厚度来做到的

那它是怎么样改变的空气隙的厚度的

实际上是用静电作用

也就说工作的时候

我们在有源区加上正向电压

注入电流

当然就可以产生受激辐射

我们在上部分的DBR上

加上一个反向电压

由静电作用

实际上就可以实现它的这个

沿着衬底方向

向着衬底方向的这样一个移动

要是腔长改变了

那它最终输出的波长就改变

这是它调节的机理

这类TLD

它的谐振腔的腔比较短

所以它的纵模的间距很大

可以实现波长的连续调谐

而且不出现跳模现象

它的缺点是调节的速度

还不足够快

好

我们对这一节作一个小结

这一节我们讲了半导体激光器

主要的讨论的半导体激光器的发光的机理

它的基本的结构

以及四种形式的

可调谐的半导体激光器

那下一节

我们进入光放大器的学习

好

今天的课就讲到这里

谢谢大家