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激光百科

三種類型的QCL - 什么是半導體激光器

rongpuiwing 來源:電子發(fā)燒友2018-11-28 我要評論(0 )   

什么是半導體激光器?半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。。其工作原理是通過一定的激勵方式,在半導

什么是半導體激光器?

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。。其工作原理是通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處于粒子數反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時,便產生受激發(fā)射作用。半導體激光器的激勵方式主要有三種,即電注入式,光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體激光器,一般是由砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等材料制成的半導體面結型二極管,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結平面區(qū)域產生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器,一般用N型或P型半導體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質,以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體激光器,一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質,通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中,性能較好,應用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極管激光器。

什么是半導體激光器

半導體激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激發(fā),在1970年實現室溫下連續(xù)輸出。后來經過改良,開發(fā)出雙異質接合型激光及條紋型構造的激光二極管(Laser diode)等,廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器(激光筆),是目前生產量最大的激光器。

激光二極體的優(yōu)點有:效率高、體積小、重量輕且價格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%,P-N型也達到數%~25%,總而言之能量效率高是其最大特色。另外,它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍,而光脈沖輸出達50W(脈寬100ns)等級的產品也已商業(yè)化,作為激光雷達或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。

半導體激光器主要性能參數定義

1.P-I 特性及閾值電流

P-I特性揭示了LD輸出光功率與注入電流之間的變化規(guī)律,因此是LD最重要的特性之一。

什么是半導體激光器

由P-I曲線可知,LD是閾值型器件,隨注入電流的不同而經歷了幾個典型階段。

當注入電流較小時,有源區(qū)里不能實現粒子數反轉,自發(fā)輻射占主導地位,LD發(fā)射普通的熒光,光譜很寬,其工作狀態(tài)類似于一般的發(fā)光二極管。

隨著注入電流的加大,有源區(qū)里實現了粒子數反轉,受激輻射開始占主導地位,但當注入電流仍小于閾值電流時,諧振腔里的增益還不足以克服損耗,不能在腔內建立起一定模式的振蕩,LD發(fā)射的僅僅是較強的熒光,稱為“超輻射”狀態(tài)。

只有當注入電流達到閾值以后,才能發(fā)射譜線尖銳、模式明確的激光,光譜突然變窄并出現單峰(或多峰)。

2.激光器線寬

半導體的激光器的線寬是多少?有的用nm表示,有的用Hz表示,計算公式是什么?經常會提到激光器的線寬《0.0001 nm 換算成“Hz”是多少赫茲???

線寬即為激光某一單獨模式的光譜寬度,一般表達形式:nm,Hz,cm-1。該參數與激光本身的波長由關系。

什么是半導體激光器

3. 邊模抑制比(SSR)

邊模抑制比是指在發(fā)射光譜中,在規(guī)定的輸出功率和規(guī)定的調制(或CW)時最高光譜峰值強度與次高光譜峰值強度之比。

什么是半導體激光器

4. 振蕩腔

什么是半導體激光器

諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大,而把其他頻率和方向的光加以抑制。凡不沿諧振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外; 沿軸線運動的光子將在腔內繼續(xù)前進,并經兩反射鏡的反射不斷往返運行產生振蕩,運行時不斷與受激粒子相遇而產生受激輻射,沿軸線運行的光子將不斷增殖,在腔內形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束,這就是激光。為把激光引出腔外,可把一面反射鏡做成部分透射的,透射部分成為可利用的激光,反射部分留在腔內繼續(xù)增殖光子。

光學諧振腔的作用有:

①提供反饋能量,

②選擇光波的方向和頻率。

諧振腔內可能存在的頻率和方向稱為本征模。兩反射鏡的曲率半徑和間距(腔長)決定了諧振腔對本征模的限制情況。不同類型的諧振腔有不同的模式結構和限模特性。

5. 三種類型的QCL

按振蕩腔設計的差異,QCL可以分為三大類:

什么是半導體激光器

圖1:QC激光器的基本結構包括FP-QCL(上圖)、DFB-QCL(中圖)和ECqcL(下圖)。增益介質顯

示為灰色,波長選擇機制為藍色,鍍膜面為橙色,輸出光束為紅色。

FP-QCL:最簡單的結構是F-P(法布里-珀羅)腔激光器(FP-QCL)。在F-P 結構中,切割面(天然理解面)為激光提供反饋,有時也使用介質膜以優(yōu)化輸出。

DFB-QCL:第二種結構是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結構(DFB-QCL)可以輸出較窄的光譜,但是輸出功率卻比FP-QCL結構低很多。通過最大范圍的溫度調諧,DFB-QCL還可以提供有限的波長調諧(通過緩慢的溫度調諧獲得10~20cm-1的調諧范圍,或者通過快速注入電流加熱調諧獲得2~3cm-1的范圍)。

什么是半導體激光器

只有滿足下式的那些特定波長的光才會受到強烈反射,從而實現動態(tài)單縱模 工作。式也稱為分布反饋條件(一般m取1)。

什么是半導體激光器

EcqcL: 將QC芯片和外腔結合起來,形成ECqcL。這種結構既可以提供窄光譜輸出,又可以在QC芯片整個增益帶寬上(數百cm-1)提供快調諧(速度超過10ms)。由于ECqcL結構使用低損耗元件,因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運作。

三種類型的光通信激光器

在常用的三種激光中,FP激光比DFB激光容易產生,但FP激光的光線較寬(》1nm),波長的溫度漂移也較大(0.5nm/℃), 因此不適用于高速和/或遠程應用。

DFB激光的光線則相對較窄(《0.04nm),波長對溫度的漂移也較?。?.1nm/℃),因此就比較適合高性能的通信應用。但DFB激光也有缺陷。首先,它工作在1500nm波段時很容易產生啁啾,因此通常需要外加調制器(在1300nm波段此局限并不重要);其次,它沒有FP或VCSEL激光那樣容易產生,而且所需的閾值電流也比VCSEL激光大。

VCSEL激光的優(yōu)點是線寬較窄(0.35nm)且波長對溫度漂移較?。?.06nm/℃)。另外,VCSEL激光的閾值電流也較小 (1mA),在相同的輸出功率下,它比DFB激光和FP激光的效率更高,而且不象DFB激光那樣容易產生啁啾。因而,即使速度為10Gbps的數據也可以直接采用VCSEL激光調制。最后,比起其它激光,制造和調整準直VCSEL都比較容易,這樣就能夠生產低成本基于VCSEL的收發(fā)器。這些特性看起來足以使VCSEL成為高性能通信應用的理想解決方案。其中850nm的VCSEL已經獲得大規(guī)模的應用,但是由于長波長(1310nm、1550nm)的VCSEL具有輸出功率不足以及制造工藝復雜等缺點,一直未能獲得大規(guī)模應用。

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半導體激光器QCL電流
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