(激光器件課件)第三章 典型的半導(dǎo)體激光器

(激光器件課件）第三章典型的半導(dǎo)體激光器(激光器件課件）第三章典型的半導(dǎo)體激光器1（一）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體材料都是GaAs,所形成的p-n結(jié)為同質(zhì)結(jié)(HOS)

加上正向偏壓時，電子向p-n結(jié)注入，并在偏向p區(qū)一側(cè)的激活區(qū)內(nèi)復(fù)合輻射;當(dāng)正向偏壓較大時，考慮到空穴注入，激活區(qū)變寬。激活區(qū)的折射率略高于p區(qū)和n區(qū)，“光波導(dǎo)效應(yīng)”不明顯，光波在激活區(qū)內(nèi)傳播時，有嚴(yán)重的衍射損失。（一）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體材2

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的闡值電流密度很高，達(dá)3x104～5104A/cm2，這樣高的電流密度，將使器件發(fā)熱。

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器難于在室溫下連續(xù)工作，而只能低重復(fù)率（幾kHz～幾十kHz)脈沖工作。同質(zhì)結(jié)激光器幾乎無法實(shí)用化，結(jié)構(gòu)需改進(jìn)！同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的闡值電流密度很高，達(dá)3x3（二）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(SHL）

單異質(zhì)結(jié)是由p-GaAs與p-GaAlAs形成的。施加正向偏壓時，電子由n區(qū)注入p-GaAs。由于異質(zhì)結(jié)高勢壘的限制，激活區(qū)厚度d2m；因p-GaAlAs折射率小，“光波導(dǎo)效應(yīng)”顯著，將光波傳輸限制在激活區(qū)內(nèi)。閾值電流密度降低了1～2個數(shù)量級，約8000A/cm2。窄帶隙有源材料被夾在寬帶隙的材料之間形成（二）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(SHL）4二、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DHL）

施加正向偏壓時,激活區(qū)內(nèi)注入的電子和空穴。由于兩側(cè)高勢壘的限制，深度劇增，激活區(qū)厚度變窄，d=0.5m。

由于激活區(qū)兩側(cè)折射率差都很大，“光波導(dǎo)效應(yīng)非常顯著，使光波傳輸損耗大大減小。閾值電流密度更低，可降到(102一103)A/cm2。當(dāng)采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作激光器時，閾值電流密度下降到幾A/cm2。目前，這種激光器已成為極為重要的、實(shí)用化的相干光源。二、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DHL）施加正向偏壓時,激活區(qū)5正向偏置時雙異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)載流子分布的對比6中間的窄帶隙層對載流子形成了很好的限制作用正向偏置的同質(zhì)結(jié)正向偏置的雙異質(zhì)結(jié)窄帶隙層一般還具有比較高的折射率，光波導(dǎo)效應(yīng)明顯正向偏置時雙異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)載流子分布的對比6中間的窄帶隙層對6（三）分布反饋（DFB）激光器動態(tài)單縱模激光器：在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。分布反饋半導(dǎo)體激光器：在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期光柵構(gòu)成的。光柵結(jié)構(gòu)制作在限制層中（三）分布反饋（DFB）激光器動態(tài)單縱模激光器：在高速調(diào)制7DFB激光器與普通激光器的對比DFB激光器的光譜寬度大約為普通型激光器的1/10左右色散的影響大為降低，可以實(shí)現(xiàn)速率為10Gb/s的超高速傳輸DFB激光器與普通激光器的對比DFB激光器的光譜寬度大約為普8分布反饋半導(dǎo)體激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大分布反饋半導(dǎo)體激光器9

圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋圖3.13分布反饋(DFB)激光器10

如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。

光柵周期Λ=m(3.10)ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為(3.11)如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋11DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①易形成單縱模振蕩；②譜線窄，方向性好；③高速調(diào)制時動態(tài)譜線展寬很小，單模穩(wěn)定性好；④輸出線性度好。DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：12（四）垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical-cavitysurface-emittinglaser）諧振腔的腔鏡由折射率不同的物質(zhì)層交錯堆積而成從垂直于半導(dǎo)體薄片的方向發(fā)射激光，使激光束的截面成為圓形，減小了激光束的發(fā)散角，克服了原來從半導(dǎo)體側(cè)面發(fā)光的缺點(diǎn)。能夠在同一塊板上集成一百萬只小激光器，其激發(fā)電流僅1mA。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（四）垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射激光器（VCSE13與邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣的差別：制造方法、臨界大小以及光束發(fā)射方向和形狀。用集成電路技術(shù)，每一個表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器可以做得很小，最小可到1m,而每一個邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器最小也有50m.邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器與邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣的差別：邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器表面發(fā)射14半導(dǎo)體激光器的光束整形

1.直接光束整形LDL160-2000/f=100mmSpot2x40mm(FWHM)2mm1.3mm1.3mm40mmLDL80-1000/f=100mmSpot0.4x1.3mm(FWHM)LDL40-250/f=100mmSpot1.3x1.3mm(FWHM)0.4mm1.3mm半導(dǎo)體激光器的光束整形15半導(dǎo)體激光器的光束整形

直接整形聚焦半導(dǎo)體激光器的光束整形直接整形聚16半導(dǎo)體激光器的光束整形

改進(jìn)后的整形聚焦半導(dǎo)體激光器的光束整形改進(jìn)后的整17

18

19(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器20

2、光纖直接耦合包括光纖直接耦合和光纖微透鏡直接耦合兩種。光纖直接耦合就是把端面己處理的平頭光纖直接對向大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面。

21光纖微透鏡直接耦合就是采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大小和形狀的微透鏡直接對向大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面，如半球微透鏡耦合、圓錐微透鏡耦合、錐端球面微透鏡耦合、橢雙曲面微透鏡耦合等光纖微透鏡直接耦合就是采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大22(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器23自聚焦透鏡是利用離子交換技術(shù)在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)產(chǎn)生徑向的折射率分布而制成。它的聚光能力是依靠折射率的漸變分布來實(shí)現(xiàn)的，焦距由透鏡長度決定。平端自聚焦透鏡球差較嚴(yán)重，會聚光斑較大，可把前端研磨成球面，補(bǔ)償了透鏡的球差。自聚焦透鏡是利用離子交換技術(shù)在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)產(chǎn)生徑向的折射24圓柱形微透鏡對光束具有一定的會聚作用，能夠把半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束進(jìn)行單方向會聚，同時，柱透鏡可以用光纖來實(shí)現(xiàn)，因而制作簡單，成本低廉。盡管圓柱形微透鏡具有很大像差，但不影響它在光纖耦合中的應(yīng)用。圓柱形微透鏡對光束具有一定的會聚作用，能夠把半導(dǎo)體激光器發(fā)出25(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器26

3.整形耦合這種方法是在近些年才發(fā)展起來的技術(shù)。首先對半導(dǎo)體激光器bar的光束在快軸和慢軸方向上分別準(zhǔn)直。準(zhǔn)直后的光束為一線狀光束。光束整形器的作用是把這一線狀光束進(jìn)行切割成n條，并重新排列成一個預(yù)定的分布，譬如方形。經(jīng)過重排后的光束在聚焦性能上將得到極大地改善，M2因子將縮小n倍，因此對光纖芯徑的要求也將減小n倍，可以用一個透鏡聚焦耦合到一根纖細(xì)的光纖中去。經(jīng)驗(yàn)表明，如果在慢軸準(zhǔn)直中使用透鏡陣列以減少畸變，M2因子還可以有效地減小。和光纖束法相比較，整形耦合法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)光纖芯徑的耦合，因而實(shí)現(xiàn)更高的亮度。

27(l)兩步重排整形法要把線形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光束分裂成n份，在一個方向上實(shí)現(xiàn)不等量的移動，稱為第一次重排;再在另一個方向上實(shí)現(xiàn)不等量的移動，實(shí)現(xiàn)第二次重排。。(l)兩步重排整形法28典型的兩步重排整形法是階梯形鏡法，線形光束先由數(shù)個微小鏡片分割并反射，實(shí)現(xiàn)第一次光束重排。重排后的光束再經(jīng)過第二次反射，實(shí)現(xiàn)第二次重排。第一次重排的結(jié)果是分割后的數(shù)節(jié)光束在一個方向上實(shí)現(xiàn)不同量的平移:第二次重排的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)另一個方向上不同量的平移。快軸光束質(zhì)量降低M倍慢軸光束質(zhì)量提高M(jìn)倍典型的兩步重排整形法是階梯形鏡法，線形光束先由數(shù)個微小鏡片分29(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器30(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器31(2)一步重排整形法兩步重排法的缺點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化和模塊化；另一方面，由于每一次反射都損失一些光能量，致使整形后的效率受到影響。在近期發(fā)展起來的一步重排整形法相比之下很有特色。(2)一步重排整形法32

4.平行反射面耦合

33(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器34兩組波長不同的陣列合束兩組波長不同的陣列合束35四組波長相同的陣列合束帶狀分光片四組波長相同的陣列合束帶狀分光片365.不同波長耦合5.不同波長耦合37單波長泵浦源：940nm或者976nmNumericalAperture0.2光纖耦合直接光纖耦合直接光束質(zhì)量mmmrad/um單波長雙波長3.000W2.000W1.600W1.000W950W1.200W500W600W60/600um600W900W350W450W40/400um100/1000um200W300W100W150W20/200um單波長泵浦源：940nm或者976nmNumerica38第四章半導(dǎo)體激光器的制作工藝盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，制作工藝存在很大的差別，但是基本工藝流程如圖所示：半導(dǎo)體激光器的設(shè)計基本要求:

在一定的輸出功率下電流最?。惠敵龉β首畲?；高的微分效率，小的遠(yuǎn)場發(fā)散角。描述半導(dǎo)體激光器性能的三個主要參數(shù)：

輸出功率轉(zhuǎn)換效率可靠性第四章半導(dǎo)體激光器的制作工藝盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計391.半導(dǎo)體激光器的工藝過程1.半導(dǎo)體激光器的工藝過程402.外延生長技術(shù)

在一個單晶襯底上生長一層或多層同質(zhì)或異質(zhì)的半導(dǎo)體層的技術(shù)稱為外延生長技術(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的外延生長技術(shù)有三種：液相外延（LPE）有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）分子束外延（MBE）2.外延生長技術(shù)41液相外延技術(shù)

LPE指由飽和或過飽和溶液冷卻過程中在單晶襯底上定向生長一層薄膜材料。例如，GaAs外延層就是從As飽和的Ga溶液中生長，As為溶質(zhì)，Ga為溶劑。常用的外延生長設(shè)備有：傾斜爐，垂直爐，多室水平爐。如圖，多室舟LPE生長系統(tǒng)裝置示意圖：液相外延技術(shù)LPE指由飽和或過飽和溶液冷卻過程中在單晶42有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉淀MOCVD技術(shù)是以有機(jī)金屬化合物和氫化物作為晶體生長的原材料進(jìn)行化學(xué)氣相沉淀生長的晶體薄層技術(shù)。示意圖如下：例如以下反應(yīng)式：有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉淀MOCVD技術(shù)是以有機(jī)金屬化合物和43分子束外延MBE是在超高真空的條件下用熱分子或原子束射到加熱襯底上生長外延層的一種晶體生長技術(shù)。分子束外延MBE是在超高真空的條件下用熱分子或原子束44幾種外延技術(shù)的比較：LPEMOCVDMBE生長速度1μm/分或更大0.01—0.5μm/分0.1—0.5μm/分生長厚度較厚可任意控制可隨意控制外延片質(zhì)量厚度、組分不均勻、缺陷、表面變形表面光滑、組分可控、質(zhì)量好表面光滑、摻雜和組分可控、質(zhì)量好厚度控制50nm5nm0—0.5nm生長溫度600—900度900—1000度500—650度安全性較安全較危險最安全設(shè)備簡單較復(fù)雜復(fù)雜設(shè)備投資便宜較貴昂貴適用范圍適合實(shí)驗(yàn)室和小批量生產(chǎn)適合大規(guī)模生產(chǎn)適用于實(shí)驗(yàn)室研究（超晶格、量子阱）幾種外延技術(shù)的比較：LPEMOCVDMBE生長速度1μm/分453.腐蝕（光刻）工藝步驟以正型光刻膠為例：3.腐蝕（光刻）工藝步驟46

利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面474.芯片金屬化（歐姆接觸）

金屬化電極常采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法在n面或p面上覆蓋一層或多層金屬或合金，然后再適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行合金化，形成一個低阻的金屬—半導(dǎo)體結(jié)。歐姆接觸的好壞直接影響正向電阻的大小。正、反向電阻的的線性程度及熱阻的大小，從而影響激光器能否在室溫工作和連續(xù)激射，以及其壽命和可靠性。電極制作三個重要的因素：1.金屬必須充分的粘附。2.提供一個低電阻電接觸。3.激光器芯片中不能引入過大脅變。4.芯片金屬化（歐姆接觸）485.半導(dǎo)體激光器的解離

解離技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸）后的外延片解離成單個芯片，并獲得平行發(fā)射腔面（即F—P腔）的技術(shù)。半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。如圖，用金剛石刀在具有金屬電極的外延片上沿解離面方向切劃，可得到完全平行的腔鏡面，再根據(jù)設(shè)計尺寸切劃出單個芯片。半導(dǎo)體激光器解離工藝示意圖5.半導(dǎo)體激光器的解離解離技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸）后的496.熱沉、燒焊、鍵合熱沉就是激光器工作時產(chǎn)生熱量消散的主要部件。材料的選擇要求：導(dǎo)熱性好、不污染、與芯片物理性質(zhì)匹配、易加工、易燒焊、可靠等。目前使用的主要熱沉材料有：無氧銅、硅、金剛石、純銀等。燒焊就是將激光管芯焊接在熱沉上。目的：增加散熱能力，減小熱沉和管芯之間由于膨脹系數(shù)不同而造成的退化。燒焊方法：真空燒焊、惰性氣體保護(hù)燒焊、直接燒焊等。鍵合有三種方式：超聲焊、熱壓焊、用焊料直接焊。引線為直徑為30—60微米的金絲或幾十微米的金條。6.熱沉、燒焊、鍵合熱沉就是激光器工作時產(chǎn)生熱量消散的主要507.DFB-LD和VCSEL芯片制造7.DFB-LD和VCSEL芯片制造51（1）DFB-LD芯片制造全息曝光干法或濕法刻蝕a)光柵制作（1）DFB-LD芯片制造全息曝光a)光柵制作52DFB-LD低折射率層腐蝕停止層包層帽層：接觸層b)二次外延生長DFB-LD低折射率層b)二次外延生長53DFB-LDc)一次光刻：刻出雙溝圖形DFB-LDc)一次光刻：刻出雙溝圖形54DFB-LDd)脊波導(dǎo)腐蝕:選擇性腐蝕到四元停止層

DFB-LDd)脊波導(dǎo)腐蝕:選擇性腐蝕到四元停止層55DFB-LDPECVD生長SiO2自對準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕e)套刻DFB-LDPECVD生長SiO2e)套刻56DFB-LDf)三次光刻：電極圖形DFB-LDf)三次光刻：電極圖形57DFB-LDP面濺射TiPtAu減薄N面TiAug)歐姆接觸DFB-LDP面濺射TiPtAug)歐姆接觸58DFB-LD先解理成條端面鍍膜:

高反膜\增透膜高反膜80-90%，增透膜5-10%

端面鍍膜的作用:

a.

增大出光功率，

b.

減小閾值電流

h)端面鍍膜DFB-LD先解理成條h)端面鍍膜59(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或濕法腐蝕(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或濕法腐蝕60VCSEL芯片制造b)濕氮氧化VCSEL芯片制造b)濕氮氧化61VCSEL芯片制造c)PECVD生長SiO2，填充聚酰亞胺VCSEL芯片制造c)PECVD生長SiO2，62VCSEL芯片制造d)歐姆接觸VCSEL芯片制造d)歐姆接觸63

第五章半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測距儀來瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

LD和LED的主要區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。第五章半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特64

半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20－50-20－50-20－50-20－50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-265分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25oC)2015外量子效率/%15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度1.31.55工作波長分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能20~4066010002000300040005000600070000123456Penetration[mm]Speed[mm/min]LPSSSpot=0.3mmLDFSpot=0.4mmLDF400-850和Nd:YAG激光器加工比較LDF400-8501,8mm1,2mm0,70mmLPSS,500WLPSS,1000W01000200030004000500060007000067LDF1000-4000光纖耦合系統(tǒng)焊接性能0,01,02,03,04,05,06,07,00,01,02,03,04,05,06,07,08,0weldspeed[m/min]penetrationdepth[mm]3500W2800W2000W800Wpoweratworkpiece6.4mmLDF1000-4000光纖耦合系統(tǒng)焊接性能0,01,068水漕的焊接（WeldingofKitchenSinks）半導(dǎo)體激光器安裝在機(jī)器手上非常光滑的表面不需要在拋光激光功率:1–2kW水漕的焊接（WeldingofKitchenSinks69半導(dǎo)體激光器,光纖耦合系統(tǒng)LDL80-1000功率：1000W輪班生產(chǎn)多激光頭系統(tǒng)變壓器的焊接（WeldingofTransformerPlates）半導(dǎo)體激光器,光纖耦合系統(tǒng)LDL80-1000變壓器的焊70表面硬化（Hardening）:比較結(jié)果Nd:Yag-LaserDiode-LaserDiode-Laser20mm表面硬化（Hardening）:比較結(jié)果Nd:Yag-La71半導(dǎo)體激光器硬化（HardeningwithDiodeLaser）不同形狀的硬化邊緣的硬化溫度可控硬化半導(dǎo)體激光器硬化（HardeningwithDiode72

功率:3000-6000W

光束質(zhì)量:200-400mmmrad

特殊的光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)入氣缸加工Photo:UniBayreuth氣缸硅合金化（AlloyingofAlCylinderLinerswithSi）功率:3000-6000WPhoto:Uni73半導(dǎo)體激光器熔覆（CladdingwithDiodeLaser）工具（MachiningTool）柱面開槽（CylinderforCutting）立體化的玻璃生產(chǎn)工具3D-partforTreatmentofGlassPhotos:Stiefelmayer半導(dǎo)體激光器熔覆（CladdingwithDiodeL74

光纖耦合系統(tǒng)LDF1500-4000:

修復(fù)價值昂貴的器件表面保護(hù)（Wearprotection）高效和高性價比的加工方式成功取代CO2激光器光纖耦合半導(dǎo)體激光器熔覆（CladdingwithFiber-CoupledLaser）Photos:TechnogeniaLCT,UK光纖耦合系統(tǒng)LDF1500-4000:光纖耦合半導(dǎo)體激75典型加工圖例:汽車工業(yè)（AutomotiveIndustry）SchaltboxAirFlowSensorCarKey典型加工圖例:汽車工業(yè)（AutomotiveIndus76塑料焊接（PlasticWelding）:圖例塑料材料焊接液體傾注器件PMMA無焊縫焊接泡沫和塑料焊接塑料焊接（PlasticWelding）:圖例塑料材料焊77(激光器件課件）第三章典型的半導(dǎo)體激光器(激光器件課件）第三章典型的半導(dǎo)體激光器78（一）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體材料都是GaAs,所形成的p-n結(jié)為同質(zhì)結(jié)(HOS)

加上正向偏壓時，電子向p-n結(jié)注入，并在偏向p區(qū)一側(cè)的激活區(qū)內(nèi)復(fù)合輻射;當(dāng)正向偏壓較大時，考慮到空穴注入，激活區(qū)變寬。激活區(qū)的折射率略高于p區(qū)和n區(qū)，“光波導(dǎo)效應(yīng)”不明顯，光波在激活區(qū)內(nèi)傳播時，有嚴(yán)重的衍射損失。（一）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體材79

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的闡值電流密度很高，達(dá)3x104～5104A/cm2，這樣高的電流密度，將使器件發(fā)熱。

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器難于在室溫下連續(xù)工作，而只能低重復(fù)率（幾kHz～幾十kHz)脈沖工作。同質(zhì)結(jié)激光器幾乎無法實(shí)用化，結(jié)構(gòu)需改進(jìn)！同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的闡值電流密度很高，達(dá)3x80（二）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(SHL）

單異質(zhì)結(jié)是由p-GaAs與p-GaAlAs形成的。施加正向偏壓時，電子由n區(qū)注入p-GaAs。由于異質(zhì)結(jié)高勢壘的限制，激活區(qū)厚度d2m；因p-GaAlAs折射率小，“光波導(dǎo)效應(yīng)”顯著，將光波傳輸限制在激活區(qū)內(nèi)。閾值電流密度降低了1～2個數(shù)量級，約8000A/cm2。窄帶隙有源材料被夾在寬帶隙的材料之間形成（二）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(SHL）81二、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DHL）

施加正向偏壓時,激活區(qū)內(nèi)注入的電子和空穴。由于兩側(cè)高勢壘的限制，深度劇增，激活區(qū)厚度變窄，d=0.5m。

由于激活區(qū)兩側(cè)折射率差都很大，“光波導(dǎo)效應(yīng)非常顯著，使光波傳輸損耗大大減小。閾值電流密度更低，可降到(102一103)A/cm2。當(dāng)采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作激光器時，閾值電流密度下降到幾A/cm2。目前，這種激光器已成為極為重要的、實(shí)用化的相干光源。二、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DHL）施加正向偏壓時,激活區(qū)82正向偏置時雙異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)載流子分布的對比83中間的窄帶隙層對載流子形成了很好的限制作用正向偏置的同質(zhì)結(jié)正向偏置的雙異質(zhì)結(jié)窄帶隙層一般還具有比較高的折射率，光波導(dǎo)效應(yīng)明顯正向偏置時雙異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)載流子分布的對比6中間的窄帶隙層對83（三）分布反饋（DFB）激光器動態(tài)單縱模激光器：在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。分布反饋半導(dǎo)體激光器：在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期光柵構(gòu)成的。光柵結(jié)構(gòu)制作在限制層中（三）分布反饋（DFB）激光器動態(tài)單縱模激光器：在高速調(diào)制84DFB激光器與普通激光器的對比DFB激光器的光譜寬度大約為普通型激光器的1/10左右色散的影響大為降低，可以實(shí)現(xiàn)速率為10Gb/s的超高速傳輸DFB激光器與普通激光器的對比DFB激光器的光譜寬度大約為普85分布反饋半導(dǎo)體激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大分布反饋半導(dǎo)體激光器86

圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋圖3.13分布反饋(DFB)激光器87

如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。

光柵周期Λ=m(3.10)ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為(3.11)如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋88DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①易形成單縱模振蕩；②譜線窄，方向性好；③高速調(diào)制時動態(tài)譜線展寬很小，單模穩(wěn)定性好；④輸出線性度好。DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：89（四）垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical-cavitysurface-emittinglaser）諧振腔的腔鏡由折射率不同的物質(zhì)層交錯堆積而成從垂直于半導(dǎo)體薄片的方向發(fā)射激光，使激光束的截面成為圓形，減小了激光束的發(fā)散角，克服了原來從半導(dǎo)體側(cè)面發(fā)光的缺點(diǎn)。能夠在同一塊板上集成一百萬只小激光器，其激發(fā)電流僅1mA。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（四）垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射激光器（VCSE90與邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣的差別：制造方法、臨界大小以及光束發(fā)射方向和形狀。用集成電路技術(shù)，每一個表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器可以做得很小，最小可到1m,而每一個邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器最小也有50m.邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器與邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣的差別：邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器表面發(fā)射91半導(dǎo)體激光器的光束整形

1.直接光束整形LDL160-2000/f=100mmSpot2x40mm(FWHM)2mm1.3mm1.3mm40mmLDL80-1000/f=100mmSpot0.4x1.3mm(FWHM)LDL40-250/f=100mmSpot1.3x1.3mm(FWHM)0.4mm1.3mm半導(dǎo)體激光器的光束整形92半導(dǎo)體激光器的光束整形

直接整形聚焦半導(dǎo)體激光器的光束整形直接整形聚93半導(dǎo)體激光器的光束整形

改進(jìn)后的整形聚焦半導(dǎo)體激光器的光束整形改進(jìn)后的整94

95

96(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器97

2、光纖直接耦合包括光纖直接耦合和光纖微透鏡直接耦合兩種。光纖直接耦合就是把端面己處理的平頭光纖直接對向大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面。

98光纖微透鏡直接耦合就是采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大小和形狀的微透鏡直接對向大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面，如半球微透鏡耦合、圓錐微透鏡耦合、錐端球面微透鏡耦合、橢雙曲面微透鏡耦合等光纖微透鏡直接耦合就是采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大99(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器100自聚焦透鏡是利用離子交換技術(shù)在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)產(chǎn)生徑向的折射率分布而制成。它的聚光能力是依靠折射率的漸變分布來實(shí)現(xiàn)的，焦距由透鏡長度決定。平端自聚焦透鏡球差較嚴(yán)重，會聚光斑較大，可把前端研磨成球面，補(bǔ)償了透鏡的球差。自聚焦透鏡是利用離子交換技術(shù)在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)產(chǎn)生徑向的折射101圓柱形微透鏡對光束具有一定的會聚作用，能夠把半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束進(jìn)行單方向會聚，同時，柱透鏡可以用光纖來實(shí)現(xiàn)，因而制作簡單，成本低廉。盡管圓柱形微透鏡具有很大像差，但不影響它在光纖耦合中的應(yīng)用。圓柱形微透鏡對光束具有一定的會聚作用，能夠把半導(dǎo)體激光器發(fā)出102(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器103

3.整形耦合這種方法是在近些年才發(fā)展起來的技術(shù)。首先對半導(dǎo)體激光器bar的光束在快軸和慢軸方向上分別準(zhǔn)直。準(zhǔn)直后的光束為一線狀光束。光束整形器的作用是把這一線狀光束進(jìn)行切割成n條，并重新排列成一個預(yù)定的分布，譬如方形。經(jīng)過重排后的光束在聚焦性能上將得到極大地改善，M2因子將縮小n倍，因此對光纖芯徑的要求也將減小n倍，可以用一個透鏡聚焦耦合到一根纖細(xì)的光纖中去。經(jīng)驗(yàn)表明，如果在慢軸準(zhǔn)直中使用透鏡陣列以減少畸變，M2因子還可以有效地減小。和光纖束法相比較，整形耦合法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)光纖芯徑的耦合，因而實(shí)現(xiàn)更高的亮度。

104(l)兩步重排整形法要把線形光束分割、排列成矩形分布，首先是把先行光束分裂成n份，在一個方向上實(shí)現(xiàn)不等量的移動，稱為第一次重排;再在另一個方向上實(shí)現(xiàn)不等量的移動，實(shí)現(xiàn)第二次重排。。(l)兩步重排整形法105典型的兩步重排整形法是階梯形鏡法，線形光束先由數(shù)個微小鏡片分割并反射，實(shí)現(xiàn)第一次光束重排。重排后的光束再經(jīng)過第二次反射，實(shí)現(xiàn)第二次重排。第一次重排的結(jié)果是分割后的數(shù)節(jié)光束在一個方向上實(shí)現(xiàn)不同量的平移:第二次重排的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)另一個方向上不同量的平移?？燧S光束質(zhì)量降低M倍慢軸光束質(zhì)量提高M(jìn)倍典型的兩步重排整形法是階梯形鏡法，線形光束先由數(shù)個微小鏡片分106(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器107(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器108(2)一步重排整形法兩步重排法的缺點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化和模塊化；另一方面，由于每一次反射都損失一些光能量，致使整形后的效率受到影響。在近期發(fā)展起來的一步重排整形法相比之下很有特色。(2)一步重排整形法109

4.平行反射面耦合

110(激光器件課件)第三章典型的半導(dǎo)體激光器111兩組波長不同的陣列合束兩組波長不同的陣列合束112四組波長相同的陣列合束帶狀分光片四組波長相同的陣列合束帶狀分光片1135.不同波長耦合5.不同波長耦合114單波長泵浦源：940nm或者976nmNumericalAperture0.2光纖耦合直接光纖耦合直接光束質(zhì)量mmmrad/um單波長雙波長3.000W2.000W1.600W1.000W950W1.200W500W600W60/600um600W900W350W450W40/400um100/1000um200W300W100W150W20/200um單波長泵浦源：940nm或者976nmNumerica115第四章半導(dǎo)體激光器的制作工藝盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，制作工藝存在很大的差別，但是基本工藝流程如圖所示：半導(dǎo)體激光器的設(shè)計基本要求:

在一定的輸出功率下電流最??；輸出功率最大；高的微分效率，小的遠(yuǎn)場發(fā)散角。描述半導(dǎo)體激光器性能的三個主要參數(shù)：

輸出功率轉(zhuǎn)換效率可靠性第四章半導(dǎo)體激光器的制作工藝盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計1161.半導(dǎo)體激光器的工藝過程1.半導(dǎo)體激光器的工藝過程1172.外延生長技術(shù)

在一個單晶襯底上生長一層或多層同質(zhì)或異質(zhì)的半導(dǎo)體層的技術(shù)稱為外延生長技術(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的外延生長技術(shù)有三種：液相外延（LPE）有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）分子束外延（MBE）2.外延生長技術(shù)118液相外延技術(shù)

LPE指由飽和或過飽和溶液冷卻過程中在單晶襯底上定向生長一層薄膜材料。例如，GaAs外延層就是從As飽和的Ga溶液中生長，As為溶質(zhì)，Ga為溶劑。常用的外延生長設(shè)備有：傾斜爐，垂直爐，多室水平爐。如圖，多室舟LPE生長系統(tǒng)裝置示意圖：液相外延技術(shù)LPE指由飽和或過飽和溶液冷卻過程中在單晶119有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉淀MOCVD技術(shù)是以有機(jī)金屬化合物和氫化物作為晶體生長的原材料進(jìn)行化學(xué)氣相沉淀生長的晶體薄層技術(shù)。示意圖如下：例如以下反應(yīng)式：有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉淀MOCVD技術(shù)是以有機(jī)金屬化合物和120分子束外延MBE是在超高真空的條件下用熱分子或原子束射到加熱襯底上生長外延層的一種晶體生長技術(shù)。分子束外延MBE是在超高真空的條件下用熱分子或原子束121幾種外延技術(shù)的比較：LPEMOCVDMBE生長速度1μm/分或更大0.01—0.5μm/分0.1—0.5μm/分生長厚度較厚可任意控制可隨意控制外延片質(zhì)量厚度、組分不均勻、缺陷、表面變形表面光滑、組分可控、質(zhì)量好表面光滑、摻雜和組分可控、質(zhì)量好厚度控制50nm5nm0—0.5nm生長溫度600—900度900—1000度500—650度安全性較安全較危險最安全設(shè)備簡單較復(fù)雜復(fù)雜設(shè)備投資便宜較貴昂貴適用范圍適合實(shí)驗(yàn)室和小批量生產(chǎn)適合大規(guī)模生產(chǎn)適用于實(shí)驗(yàn)室研究（超晶格、量子阱）幾種外延技術(shù)的比較：LPEMOCVDMBE生長速度1μm/分1223.腐蝕（光刻）工藝步驟以正型光刻膠為例：3.腐蝕（光刻）工藝步驟123

利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面利用晶向和腐蝕液的差別可得到不同的腐蝕橫截面1244.芯片金屬化（歐姆接觸）

金屬化電極常采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法在n面或p面上覆蓋一層或多層金屬或合金，然后再適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行合金化，形成一個低阻的金屬—半導(dǎo)體結(jié)。歐姆接觸的好壞直接影響正向電阻的大小。正、反向電阻的的線性程度及熱阻的大小，從而影響激光器能否在室溫工作和連續(xù)激射，以及其壽命和可靠性。電極制作三個重要的因素：1.金屬必須充分的粘附。2.提供一個低電阻電接觸。3.激光器芯片中不能引入過大脅變。4.芯片金屬化（歐姆接觸）1255.半導(dǎo)體激光器的解離

解離技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸）后的外延片解離成單個芯片，并獲得平行發(fā)射腔面（即F—P腔）的技術(shù)。半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。如圖，用金剛石刀在具有金屬電極的外延片上沿解離面方向切劃，可得到完全平行的腔鏡面，再根據(jù)設(shè)計尺寸切劃出單個芯片。半導(dǎo)體激光器解離工藝示意圖5.半導(dǎo)體激光器的解離解離技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸）后的1266.熱沉、燒焊、鍵合熱沉就是激光器工作時產(chǎn)生熱量消散的主要部件。材料的選擇要求：導(dǎo)熱性好、不污染、與芯片物理性質(zhì)匹配、易加工、易燒焊、可靠等。目前使用的主要熱沉材料有：無氧銅、硅、金剛石、純銀等。燒焊就是將激光管芯焊接在熱沉上。目的：增加散熱能力，減小熱沉和管芯之間由于膨脹系數(shù)不同而造成的退化。燒焊方法：真空燒焊、惰性氣體保護(hù)燒焊、直接燒焊等。鍵合有三種方式：超聲焊、熱壓焊、用焊料直接焊。引線為直徑為30—60微米的金絲或幾十微米的金條。6.熱沉、燒焊、鍵合熱沉就是激光器工作時產(chǎn)生熱量消散的主要1277.DFB-LD和VCSEL芯片制造7.DFB-LD和VCSEL芯片制造128（1）DFB-LD芯片制造全息曝光干法或濕法刻蝕a)光柵制作（1）DFB-LD芯片制造全息曝光a)光柵制作129DFB-LD低折射率層腐蝕停止層包層帽層：接觸層b)二次外延生長DFB-LD低折射率層b)二次外延生長130DFB-LDc)一次光刻：刻出雙溝圖形DFB-LDc)一次光刻：刻出雙溝圖形131DFB-LDd)脊波導(dǎo)腐蝕:選擇性腐蝕到四元停止層

DFB-LDd)脊波導(dǎo)腐蝕:選擇性腐蝕到四元停止層132DFB-LDPECVD生長SiO2自對準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕e)套刻DFB-LDPECVD生長SiO2e)套刻133DFB-LDf)三次光刻：電極圖形DFB-LDf)三次光刻：電極圖形134DFB-LDP面濺射TiPtAu減薄N面TiAug)歐姆接觸DFB-LDP面濺射TiPtAug)歐姆接觸135DFB-LD先解理成條端面鍍膜:

高反膜\增透膜高反膜80-90%，增透膜5-10%

端面鍍膜的作用:

a.

增大出光功率，

b.

減小閾值電流

h)端面鍍膜DFB-LD先解理成條h)端面鍍膜136(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或濕法腐蝕(2)VCSEL芯片制造a)一次光刻、干法或濕法腐蝕137VCSEL芯片制造b)濕氮氧化VCSEL芯片制造b)濕氮氧化138VCSEL芯片制造c)PECVD生長SiO2，填充聚酰亞胺VCSEL芯片制造c)PECVD生長SiO2，139VCSEL芯片制造d)歐姆接觸VCSEL芯片制造d)歐姆接觸140

第五章半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測距儀來瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。

LD和LED的主要區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。第五章半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特141

半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20－50-20－50-20－50-20－50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流I