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啥是激光器的边带?

归档日期:08-07       文本归类:激光近炸引信      文章编辑:爱尚语录

  利用半导体材料内产生的受激辐射和谐振腔提供的光反馈制作的一类半导体器件。主要包括III-V、II-VI和IV-VI族半导体激光器。按激发方式分为激发、电子束激发和PN结注入电流激发三种类型。前两种类型的器件难于实用化。后一种器件也称注入型半导体激光器或激光二极管,由于有体积小,效率高,可直接调制等特点,应用面广,包括光通信、光信息处理等重要领域。其中,激光二极管发展十分迅猛,是半导体激光器的主流。

  2、结构外延材料的生长:量子阱或多量子阱结构材料的外延生长是高性能器件的关键。

  3、器件工艺:作为器件基本工艺的平面工艺仍是难点之一,包括介质膜,钝化,欧姆接触,微细加工等。

  半导体激光器的发展大致经历了三个阶段:同质结激光器、异质结激光器和量子阱结构激光器。在第一阶段,主要是对于半导体激光器基本理论概念的提出。1953年9月,美国的冯·纽曼(John Von Neumann)在他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。Ecsle Normale Superieure 的Pierre Aigrain 在布鲁塞尔的国际会议上,第一个公开发表了在半导体中得到相干光的观点。苏联列别捷夫研究所的Basov 在1958年公开发表了在半导体中实现粒子数反转的理论论述,又于1961年公开发表了将载流子注入半导体PN结实现注入激光器的论述。1960年贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理腔面作光反馈的谐振腔。1961年伯纳德(Bernard)与度拉夫格(Duraffourg)推导出了半导体有源介质实现粒子数反转的条件。

  在上述理论的影响下,1962年,美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结GaAs半导体激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作,毫无实用价值。上述同质结构激光器经历5年的徘徊,1967年,用液相外延的方法制成单异质结激光器,实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年,美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。由于半导体激光器的诸多突出优点,之后,半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、应用范围之广,是目前任何其他激光器所无法比拟的。

  随着半导体激光器性能的不断改进,新的半导体激光材料将激光的波段范围的拓宽,半导体激光器在许多方面得到应用。最早进入实用的是波长为0.83~0.85μm。70年代末,在1.3um和1.55 um得到损耗更小的单模光纤,长波长InGaAsP/InP系激光器也达到实用化。

  可见光半导体激光器受光信息处理技术的需求推动,也在70年代开始开发。量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)技术的日渐成熟,可以生长出原子尺寸的薄层,使注入的载流子呈现量子效应,这种量子阱激光器与以前的体材料激光器相比,具有更优越的特性,如:阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大等。并且,通过生长应变量子阱,使得生长非晶格匹配的外延材料得以实现,拓宽了激光器波长范围。量子阱技术的发展,推动了大功率半导体激光器的发展。

  该系列半导体激光器激射波长在1.1~1.6um.。典型应用是通讯用半导体激光器光源,发射波长为1.3um和1.55 um;另一种是发射波长为1.48 um的激光器,用作掺铒光纤放大器泵浦源。

  到目前为止,光纤通讯领域也是半导体激光器应用的最大市场。1999年,通讯用半导体激光器占了总半导体激光器市场的68.7%。由于光纤传输损耗及色散系数在1.3um和1.55um最低。处于此波长的InGaAsP/InP半导体激光器得到广泛研究。为了提高激光器光束质量、性能及寿命,开发了多种结构激光器,典型的有:脊波导激光器、掩埋新月形激光器、隐埋条形异质结(BH)激光器、双沟道限制隐埋异质结(DC-PBH)激光器等。该类激光器的输出功率在几mW~20mW左右,阈值电流几mA~十几mA。其工作寿命可达数十万小时。

  为适应高速光纤通讯、波分复用系统对单模激光器需求,开发出了动态单模激光器。主要包括分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格(DBR)激光器等。分布反馈激光器就是在激光器光波导区内引入一个光栅,利用光栅只对某一特定波长作择优反馈,实现对某一特定激射波长的选择。分布布拉格反射激光器是在激光器增益区外引入光栅,选模原理类似DFB激光器。该类激光器调制带宽很大,几个GHz数量级或者更大。

  多端可调谐半导体激光器,是波分复用、频分复用系统不可缺少的器件。用多段DFB激光器,通过调整各段电流分配比率可实现2~8nm波长调谐范围。

  1480nm半导体激光器:主要用作EDFA 泵浦源。用1480nm泵浦的EDFA有比980nm泵浦宽且平坦的增益谱。并且,由于光纤在1480nm处损耗较小,可方便地利用传输光缆作远端泵浦而用于中继放大的EDFA。该激光器光纤输出功率约50mw,比980nm激光器小。

  该材料系的发射波长在890nm~1100nm之间。典型的器件是980nm、900nm、1064nm。由于InGaAs比GaAs晶格常数大,二者之间存在晶格失配,体材料无法实现低位错生长。在90年代初,随着量子阱结构材料生长设备的发展,才生长出实用的应变量子阱结构材料。

  980nm和1480nm两种半导体激光器是掺铒光纤放大器的核心器件――――泵浦源。掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无再生中继、接收机的前置放大等。掺铒光纤中有效的泵浦波长是980nm或1480nm。由于用于光通讯系统中,要求泵源激光器与光端机中用作光源的半导体激光器的寿命相当。特别是在海底光纤通讯系统,要求约25年的寿命。

  980nm大功率半导体激光器,是在90年代初随着量子阱材料生长技术的成熟发展起来的新型器件。利用应变InGaAs/GaAs材料实现980nm激射波长。因为要将发射激光耦合进单模光纤,要求激光器必须为基横模工作。从90年代中后期,980激光器在国际上已基本成熟。主要参数为:中心波长980±5nm,根据不同产品,出纤功率在50mW~200mW之间,驱动电流在60mA~300mA。

  900nm 半导体激光器,由于InGaAs材料结构中含In原子很少,晶格与GaAs失配不大,在早期的体材料结构中就有脉冲工作的产品。90年代以后,随着量子阱技术的发展,目前产品器件结构多为量子阱器件。该类器件多为脉冲工作。对单个器件,在脉冲宽度100~200ns、重复频率1k条件下,输出峰值功率达5~10W。多个管芯组装在一个直径小于9mm的管壳内,输出峰值功率达100~150W。

  1064nm半导体激光器,由于InGaAs中含In组分较多,晶格与GaAs失配较大。制作相对难度较大。目前商品单管脉冲输出功率约5W。由于此波长半导体激光器与固体Nd:YAG激光器波长相同,在某些地方可取代或模拟其信号。在军事上可用于激光干扰机等。

  该材料系的发射波长在780nm~870nm之间。典型代表波长是808nm半导体激光器。808nm半导体激光器,由于其发射光谱与Nd:YAG等固体激光介质吸收峰值对应,主要用作固体激光器泵源,取代氙灯泵浦。由于半导体激光器泵浦固体激光器具有体积小、电磁兼容性好的特点,可广泛应用于机动武器测距。虽然早在60年代就有人提出用半导体激光器泵浦固体激光器,但由于当时该类半导体激光器功率很小,无法实现。线年代中后期量子阱技术的成熟。典型的代表产品有:(1)单管,其典型发射孔径在100~500um,连续输出功率形成1~4W系列产品。光谱半宽3nm。(2)一维阵列:为了获得高输出功率,在同一衬底上积成多个激光发射单元。典型结构是在1cm线列长度内制作几十个单元器件,形成一个线阵。对于连续工作器件,1cm线W或更高。对准连续工作器件,1cm线)二维阵列:将多个一维阵列组装到一起,形成二维阵列。典型二维阵列组装阵列条间距0.4mm,准连续输出功率根据组装的线列条数量,在几百W至几千W。

  第一个红光半导体激光器诞生于1987年。其激射波长为670nm。材料结构为GaInP/GaAs系列。以后随着MBE、MOCVD生长应变超晶格材料工艺的不断完善,使670nm激光器商品化。同时,通过在有源层中采用(Ga1-xAlx)0.5In0.5P,在有源层用部分Al取代Ga使带隙增加,或采用应变多量子阱实现635nm激射波长红光半导体激光器。

  蓝、绿光波段的半导体激光器,该波长范围激光器在90年代才开始实现激射。1991年,美国3M公司首次在77K下实现了激射波长495nm的 ZnSe半导体激光器脉冲工作。92年实现室温脉冲工作。1998年,索尼公司实现了激射波长为514nm的室温连续工作。1996年日本日亚公司用多量子阱GaN实现了410nm波长激光器的室温连续工作。1997年连续工作寿命已达10000小时以上。该类激光器正逐步走向实用。

  到目前为止,光纤通讯领域也是半导体激光器应用的最大市场。1999年,通讯用半导体激光器占了总半导体激光器市场的68.7%。由于光纤传输损耗及色散系数在1.3um和1.55um最低。处于此波长的InGaAsP/InP半导体激光器得到广泛研究。InGaAsP/InP系半导体激光器,该系列半导体激光器激射波长在1.1~1.6um.。典型应用是通讯用半导体激光器光源,1.48 um的激光器,用作掺铒光纤放大器泵浦源。

  InGaAs/GaAs应变量子阱激光器,该材料系的发射波长在890nm~1100nm之间。典型的器件是980nm、900nm、1064nm。980nm和1480nm两种半导体激光器是掺铒光纤放大器的核心器件-泵浦源.掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无再生中继、接收机的前置放大等。

  808nm半导体激光器,用作固体激光器泵源,取代氙灯泵浦。由于半导体激光器泵浦固体激光器具有体积小、电磁兼容性好的特点,可广泛应用于机动武器测距。900nm 半导体激光器,主要应用为半导体激光测距;半导体激光引信,半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器,激光近炸引信可准确地确定起爆点;半导体激光制导跟踪;半导体激光瞄准和告警等。1064nm半导体激光器,由于此波长半导体激光器与固体Nd:YAG激光器波长相同,在某些地方可取代或模拟其信号。在军事上可用于激光干扰机等。

  红光半导体激光器,目前最大的应用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD读写光头、条形码扫描是目前最大的市场。为提高光信息存储容量,需要更短的激光波长。蓝、绿光波段的半导体激光器,主要应用为全彩色显示和对潜通信。对海水来说,蓝绿激光是一个透明窗口,可以用这个波段的激光进行探测潜艇位置、对潜艇通讯等。

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