複合腔半導體雷射器

利用光反饋與半導體雷射器-起構成複合腔半導體雷射器(CCSL),在這種情況下,光反饋影響輸出雷射的特性取決於很多因素,包括雷射器的反射端面到反射器的距離,雷射器輸出的功率大小和光反饋強度。

基本介紹

• 中文名：複合腔半導體雷射器
• 外文名：composite cavity semiconductor laser

1半導體雷射器的發展

隨著社會的不斷發展進步,人類己經步入了嶄新的資訊時代,信息技術也隨之成為當今全球性的戰略技術。以光電子和微電子為基礎所支持的通信和網路技術己經成為高技術的核心,正在深刻影響著國民經濟、國防建設的各個領域。半導體雷射器以其轉換效率高、體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、能直接調製以及與其它半導體器件集成的能力強等優點而成為信息技術的關鍵器件,並在其中起著舉足輕重的作用。

回顧半導體雷射器發展的歷程,半導體雷射器的發展總體上可分為三個階段:同質結構注入型雷射器,單異質結注入型雷射器和雙異質結注入型雷射器。早在1953年9月,美國的馮·紐曼仃在他-篇未發表的論文手稿中第-個論述了在半導體中產生受激發射的可能性;認為可以通過向PN結注入少數載流子來實現受激發射;計算了在兩個布里淵區之間的輻射躍遷速率。蘇聯列別捷夫物理研究所的巴索夫(Basov)等也在1958年首次公開發表文章提出在半導體中實現負溫態(即粒子數反轉)的理論論述。他們又於1961年最先公開發表將載流子注入半導體PN結以實現“注入雷射器”的論述,並論證了在如隧道二極體中那樣高度簡併的PN結中實現粒子數反轉(這是產生受激發射的必要條件)的可能性,而且還認為有源區周圍高密度的多數載流子造成有源區邊界兩邊的折射率有-差值,因而產生光波導效應。這些理論對其後半導體雷射器的出現起了積極的促進作用。

1961年伯納德(Bernard)與杜拉福格(Duraffourg)利用準費米能級的概念推導出在半導體有源介質中實現粒子數反轉的條件-對應於非平衡電子、空穴杯度的準費米能級差必須大於受激發射能量,並注意到其中輻射複合效率很高的實驗結果。這-條件對次年半導體雷射器的研究成功起到了重要的理論指導作用。當時,人們在理論上認為半導體雷射器應該是在直接帶隙半導體PN結中,用注入載流子的方法實現由伯納德-杜拉福格條件所控制的粒子數反轉,由高度簡併的電子和空穴複合所產生的受雷射輻射在光學諧振腔內振盪並得到放大,最後產生相干雷射輸出。正是在上述理論的直接和間接影響,以及1960年產生的紅寶石雷射器的推動下,雷射理論、雷射技術、雷射器件和套用都獲得了飛速發展。

1963年巴索夫也報導研製成。PN結半導體雷射器。隨後,人們在製造工藝、器件結構設計、閉值、溫度特性和光學性質方面的研究相繼有許多成果發表。這些都是屬於半導體雷射器的第-代發展階段—同質結構注入型雷射器。它們都是寬接觸同質結的,是在體材料上採用雜質擴散的辦法來形成P-N結。並且己經具備了任何激射作用的三要素—1.P-N結區的電子-空穴複合,提供光增益;2.垂直於結的兩個解理端面形成P-P諧振腔提供光反饋;3.正向偏置P-N結提供載流子注入。但是,此類雷射器有-個共同的致命弱點,即受激發射闡值電流密度特別高。因此只能在液氮溫度(或更低)和脈衝狀態(脈寬,占空比<0.1%)下工作。

1967年伍德爾成功地用LPE在GaAs生長了AIGaAs。同時,美國貝爾實驗室的潘尼希-反過去用擴散法形成同質PN結的慣例,用液相外延的方法研究成理GaAIAs/GaAs單異質結雷射器,實現了在室溫下脈衝工作的半導體雷射器,室溫闡值電流密度為8.6*10A/cm,從而實現了半導體雷射器發展史上的-個重要突破。這時半導體雷射器進人了第二發展階段-單異質結注人型雷射器(SHLD)。它們是利用異質結提供的勢壘把注人電子限制在G幾AsP-N結的P區之內,以此來降低闡值電流密度J_th、,其數值比同質結雷射器降低了-個數量級。

與其它類型的雷射器相比,半導體雷射器有以下無可比擬的優點:(1)半導體雷射器是直接的電子-光子轉換器,因而它的轉換效率很高,其電光轉換效率高達50%以上;(2)半導體雷射器的使用壽命最長。目前用於光纖通訊的半導體雷射器,其工作壽命可達數十萬乃至百萬小時,用於固體雷射器泵浦源(DPSSLS)及材料加工的千瓦級大功率半導體雷射器,其工作壽命可達-萬小時以上;(3)具有高的直接調製能力公(20GHz),也是半導體雷射器有別於其它雷射器的-個重要特點;(4)另外,它所據有的體積小、重量輕、高的性能價格比,這也是其它雷射器無法比擬的。這些優異的特性使得半導體雷射器在光通信、光信息存取、雷射印刷與複印、泵浦大功率固體雷射器、雷射材料加工、雷射武器、生物和醫學等領域獲得了非常重要的套用。半導體雷射器作為光電子產業的關鍵器件成為世界各國競相發展的高新技術。美國、日本、德國等已開發國家在半導體雷射器的研製和套用方面處於領先地位。2002年在套用光通訊、光存儲等領域的半導體雷射源全球市場為24.08億美元,到2003年增至28.9億美元。2000年市場預測:泵浦雷射器市場將從2000年的6億美元增加到2004年的25億美元,平均年增長率超過40%。實際上2001年的泵浦雷射器市場己超過13億美元,遠超過2000年的市場預測。

為增強雷射產業在國際市場上的競爭力,各主要的工業國紛紛制定工業計畫,加快雷射產業的發展,加強本國雷射技術在國際上的科技實力,從而保證本國經濟的持續、快速發展。如:為建立雷射技術的研究基地,減少在加工領域雷射套用的障礙,以確保在雷射技術領域的國際競爭力,德國於1993年在工業界提出了21世紀雷射領域的“laser2000”概念,其戰略目標是:開創21世紀雷射技術領域科學技術基礎。支持革新雷射技術,以保證和加強雷射器生產與雷射工業套用在國際上的競爭力。消除雷射套用中的科學技術障礙。並把高功率二極體雷射器和二極體泵浦固體雷射器作為新-代雷射器研究的基礎。德國在1994-1997年之間成功實行的“半導體雷射器的革新系統”計畫,使德國從二極體雷射器的研製到大功率半導體雷射器的禍合輸出再到泵浦高功率的固體雷射器實現了全面發展。考慮到半導體雷射器必將在世界工業加工市場上引起深刻的革命,德國從1998年開始實行了歷時5年的MDS計畫,意在提高半導體雷射器技術並加大其在工業領域的套用範圍。

總之,由於各種套用的需要,半導體雷射器正在向提高光束質量上發展,即減少光束髮散角以提高空間相干性;提高高速調製下的所謂動態單縱模特性;壓窄光譜線寬以提高光束的時間相干性;進-步提高溫度穩定性(即獲得高的特徵溫度),半導體雷射器的套用範圍正在不斷拓寬。

2研究複合腔半導體雷射器的意義

在實際的套用中,半導體雷射器激發出的雷射總有部分能量的光反射回雷射器的諧振腔內,形成反饋光,如:耦合光纖的兩端面產生反射而導致的反饋光,光纖的缺陷和結合處的反射也可導致光反饋,光學非線性的背向散射光等。利用光反饋與半導體雷射器-起構成複合腔半導體雷射器(CCSL),在這種情況下,光反饋影響輸出雷射的特性取決於很多因素,包括雷射器的反射端面到反射器的距離,雷射器輸出的功率大小和光反饋強度。總體上它們都會使雷射器的強度噪聲和相位噪聲增加,影響半導體雷射器正常性能的發揮。可以說人們不可避免的與複合腔半導體雷射器打交道,由於外光反饋的引入使得半導體雷射器呈現出-些新的物理現象,如線寬壓縮,相干塌陷,雙穩等,故二十多年來,對複合腔半導體雷射器的研究-直受到人們的關注。另-方面,隨著光電子技術日新月異的發展,諧振型光學陀螺在慣性領域已成為極有潛力的器件,其的基本原理是Sagnac效應。如有代表性的諧振式光纖陀螺核心器件是光纖環形諧振腔,諧振式光纖陀螺的極限靈敏度由諧振腔的清晰度和光探測器的散粒噪聲決定,而諧振腔的清晰度和雷射器的線寬和輸出功率有著重大的關係。諧振型光纖陀螺的關鍵器件有環形諧振腔和窄線寬光源。考慮到今後整個諧振型光纖陀螺的集成和實現陀螺對諧振頻率的快速有效跟蹤,系統設計中,需要採用大功率、窄線寬、單縱模半導體雷射器作為工ORS的光源。設計和分析大功率、窄線寬、單縱模半導體雷射器的特性這將是本論文的主要研究內容和目的所在,而複合腔半導體雷射器正具有優良的窄線寬、單縱模、高功率的特性,恰滿足諧振型光纖陀螺光源所需標準。

3發展套用及研究現狀

80年代初,由於當時的半導體雷射器不能單頻工作,-些著名的大學及研究所如美國的麻省理工學院、華盛頓海軍實驗室、英國的國家電信研究所,日本的東京工業大學等採用外腔對多模半導體雷射器進行選模和壓窄線寬,同時通過複合腔對半導體雷射器內部工作機理和特性進行研究,國內清華大學等單位的複合腔工作也是從那時開始的。

到了80年代中後期,雖然分布反饋式動態單模半導體雷射器(DFB,DBR)逐漸走向實用,複合腔半導體雷射器的研究不僅沒有減弱,反而有更多的國家及單位加入這-行列。據粗略估計,這-時期至少有美國、英國、法國、德國、日本、俄羅斯、瑞士、丹麥等近20個國家,四、五十個單位從事用複合腔改善半導體雷射特性及其套用的研究,其中除少數大學外,多數是從事通信研究及半導體雷射器製作的大、大研究所,如日本的NEC,NTT,Fujutsu和美國的AT&T等,他們自己研究外腔半導體雷射器並用於自己的頻分復用(在-根光纖中同時傳輸多路不同波長的光信號,每兩路光波之間的頻率間隔約為和相干光通信系統,以及相干計量檢測、光譜頻標等套用中。

90年代以來,研究熱點轉移到大範圍連續調諧、頻率穩定和擴展套用等方面,並陸續有商品推出,至今己有美國的惠普等十餘家生產。國內清華大學在這-領域的研究工作-直處於國際先進水平行列,自1989年以來己提供20餘只複合腔半導體雷射器及與之配套的溫度控制、光檢測、穩頻技術等,供國內頻分復用及相千光通信系統、光交換系統研製,光放大器、光調製器、光隔離器、光纖及光纖器件測試,高解析度光譜分析,大尺寸無導軌測距,飛行目標速度、位移監側,無損探傷,化學雷射器研製及基礎物理研究等領域使用,取得了滿意的效果,並已研製出程控連續調諧複合腔半導體雷射器。