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第15章

除高功率LD列阵之外,还有其他的LD列阵器件。如在同一个外延片上制作若干个分布反馈(DFB)激光器,每一个DFB激光器的光谱宽度为0.3埃,有意将光栅周期做成不一样,使相邻激光器的波长差为20.5埃。然后再将它们耦合到一个波导中,便可构成频分复用光源。也可用In-GaAsP衬底上制作周期相同的光栅,使每个长波长LD的发射波长相同。这样的器件可用于普通的光纤通主系统,其中一只器件工作,其余备用。用光刻等技术来制作可分别取址的两维表面发射半导体激光器列阵,可用于光计算、光泵浦源等;用不同周期的光纤光栅构成的外腔激光器可作为WDM光源等。

(七)表面发射半导体激光器

以上所介绍的LD都是从解理面发射激光的,可以统称这些LD为边发射LD。在半导体激光器中,边发射LD占绝对优势。但是,这种LD的发散角较大(特别是在垂直于pn结的方向上),器件集成的密度较低,功率也不够大。

可以让激光从垂直于pn结方向上输出,这类LD统称为表面发射LD。其主要特点是:(a)能构成两维光源,输出光功率高,发散角小;(b)在两维光源中,每个激光器都可单独地随机驱动,可通过光学场相互耦合;(c)可位于半导体表面的任何部位,容易同光电集成回路、其他光波导器件耦合等。预计它可在固体激光器的泵浦、计算机或电子回路之间提供光互连、卫星通信、激光加工等领域获得广泛应用。

表面发射LD有水平腔型和垂直腔型两种类型,水平腔型又有光栅型、45°角型等结构。光栅型表面发射LD(GSE)与DFB激光器、DBR激光器的结构类似,pn结位于水平方向,一级或二级光栅为激光振荡提供光反馈,一部分光从光栅表面垂直输出,还有一部分光从光栅的另一段输出,与另一个CSE耦合,从而可产生相干的两维发射光源,激光功率可高达数瓦,且具有较小的发散角。光栅型表面发射LD的体积同普通的边发射激光器类似,但比垂直腔表面发射LD大得多,光电转换效率也比垂直腔表面发射LD大得多。

GSE列阵具有公共的、不受破坏的量子阱波导,使激光器和其他波导之间的耦合大为简化。45°角型表面发射LD与光栅型表面发射LD的结构基本类似,pn结位于水平方向,在腔的两端,用反应离子蚀刻等技术制作45°角,让光从垂直于表面的方向上发射出来。45°角的制备技术要求较高,稍有偏离,光就会偏离与表面垂直的方向。此外,45°角区的光损耗也较大,使激光器效率下降。45°角型表面发射LD的体积同普通的边发射LD类似,但同垂直腔表面发射LD相比,它仍然具有效率高,输出功率大等优点。最近,人们还采用45°角棱镜,将几只波长不同的LD的输出光垂直地与光纤耦合,构成多波长LD。

共振腔与pn结垂直的表面发射LD,称为垂直腔表面发射半导体激光器(VCSEL),是微型激光器的一个类型。这种激光器极小,腔长约为5微米,其中增益区长仅为24纳米,其余部分为由多层反射膜构成的光反馈区。激光器发光面积约为1.5微米,整个激光器的激活体积比普通的双异质结激光器小一个微量级,约为0.05微米3。阈值电流预计可小至10微安,纵模间隔很大,达100纳米量级,因此呈单纵模运转,无跳模现象。光谱线宽较窄,GaAs VCSEL的输出线宽仅为50MHz。可在高频工作,在正弦调制时,3分贝带宽已达8GHz。这种激光器可以非常高的器件密度构成两维发射光源,已实现的器件密度为2×106个/厘米2。这些器件可以分别取址,可构成空间不相干但时间相干的两维发射光源。输出功率较大,而且输出的光束无象散、可形成圆形光斑。

最近,有关高功率、侧向电流注入的VCSEL的研究十分活跃。如朗讯公司,用低压MOCVD,在〈100〉GaAs衬底上生长的激光结构,其多量子阱应力补偿层含有3个InGaAs阱和GaAsP垒,50纳米厚的AlAs层位于作用区和高掺GaAs层之间,腔长仅为3个波长。用氧气法制作直径分别为4微米和50微米激活窗口,前者,Ith=1.5微米,输出几毫瓦;后者可输出250毫瓦,波长1微米。该激光器可用来泵浦光纤激光器;施乐公司正在研究高密度的VCSEL列阵,准备用于打印机。

(八)几种特殊性能的半导体激光器

单纵模半导体激光器F-P型激光器通常输出多纵模,光谱宽度dA较宽,约为几纳米,而且波长随温度变化,GaAIAs激光器的变化率约为3埃/度。折射率导引的条形LD有时也能产生单纵模,但不稳定,在电流或温度变化时,波长也会发生变化,或变成多纵模,或产生跳模。这些特性对某些应用是非常不利的。

为了获得稳定的单纵模、窄线宽光束,需要采用一些特殊的措施。例如,可用一块光栅作为外腔,将面对光栅的LD端面镀成增透膜,由LD另一端面和光栅构成谐振腔,这时,激光器的输出波长由光栅决定,旋转光栅还可获得不同的波长,这种可调谐的半导体激光器用途很广,以后还会提到。除了采用光栅外腔以外,还可采用光纤光栅,这种含有光纤光栅的单频激光器在大容量通信系统,特别是采用WDM或DWDM的通信系统中应用很广。

为了获得单片、稳定、紧凑的单纵模激光器,可将光栅做在半导体激光芯片中。如将光栅做在DH激光器或分别限制LD的作用层或限制层,构成分布反馈(DFB)激光器。

同普通的F-P型激光器相比,DFB激光器纵模稳定,而且,能与其他光电子元件一起构成光集成回路。如GaAlAs DFB激光器的波长随温度的变化率仅为0.5埃/度量级。DFB激光器不需要端面反射镜,因而可同其他光电子元件一起做在一块基片上,构成光集成回路。DFB激光器的结构也有多种,最初研制的DFB激光器是将光栅做在作用层和限制层的交界面。这种器件,由于光栅的作用,振荡的纵模必须满足布拉格条件:λ=2Λn/m。式中λ为激光波长,Λ为光栅周期,n为作用区材料的折射率,m为光栅衍射级数。偏离布拉格条件的波长,由于阈值增高均不能振荡。但是,由于光栅附近有较多的非辐射复合中心,因而损耗很大,故很难在室温实现连续受激。为了解决这一问题,人们利用分别限制结构,将光栅做在远离作用区的波导层内。在这种情况下,光栅附近的非辐射复合中心并不影响作用区内的电子-空穴复合和产生光子,从而使阈值大大下降。同时,处在波导区的光栅对光场仍起作用,因而振荡的纵模仍然受到布拉格条件约束,只有满足布拉格条件的波长才能受激。DFB激光器的谐振腔较长,因为光波的反射系数是靠光栅中每一条反射所积累的。光栅越长,反射系数越大,阈值电流密度越低。但腔长也不宜太长,否则工作电流将会增大。此外,在DFB激光器的一个端面,通常留有一段非泵浦区,以抑制端面反射的影响。典型的、可在室温连续运转的GaAIAs,分别限制、台面条形DFB激光器,作用区长500微米,非泵浦区长2毫米,三级光栅的周期为0.3814微米。DFB激光器有时也会产生两个纵模,为了确保单纵模运转,通常还需要采用变周期光栅、变条宽技术等。DFB激光器用途很广,主要用于相干光通信、光缆电视(CATV)、光信息处理、光学传感器、光学测量等领域。

为实现单纵模运转,也可将光栅做在谐振腔的外面,构成分布布拉格反射(DBR)激光器,光栅做在谐振腔外面的波导层上,作为谐振腔的一个反射镜。另一反射镜仍可采用自然解理面(也可将光栅做在谐振腔的两端)。DBR激光器的特点是,既具有DFB激光器的优点,即有利于构成光集成回路和单纵模稳定运转,又能使由于光栅界面非辐射中心所引起的光损耗大大减小。位于谐振腔端面的光栅,相当于多层反射镜,必须有足够的光栅长度,才能达到普通解理面所具有的反射率。

多波长半导体激光器。在一个芯片中能同时发射几种不同波长的LD,称多波长半导体激光器。实现单片集成多波长激光器的方案有如下几种:(a)采用同一个用用区,用具有不同周期的DFB或DBR结构来选择波长,然后将不同波长的光耦合到一个波导中去;或采用具有相同周期的DFB,令条宽不同,使腔的折射率不同,从而使发射的波长不同;(b)采用带隙不同的作用区。可用多次延技术在垂直于或平行于pn结的方向上形成两个或多个带隙不同的作用区;(c)采用不同厚度的量子阱。用MOCVD晶体生长技术依次制作阱厚不同的单量子阱,阱厚不同,受激辐射的能级间距不同,发射的波长也不同。如用这种方法可制成GaAlAs/GaAs多波长半导体激光器列阵(内含4个10条形的锁相列阵),采用GRIN-SCH-SQW通用结构,量子阱厚度分别为7.4,8.5,11.3和13.6纳米,可发射如下4种波长:

812,819,823和832纳米。

1996年,NEC演示了世界上最高容量的光通信系统:

采用WDM技术和120千米单模光纤,每通道速率为凹吉比特/秒,共有132个通道。但该系统在实用之前,还有许多困难需要克服。困难之一就是制作多波长光源,为此,他们正在大力发展在同一衬底上制作不同波长LD的技术,以满足WDM的需要。理想的多波长器件应具有如下特点:在芯片上所有LD的性能应该均匀,波长应与掺饵光纤放大器的增益带宽(1530~1560纳米)匹配。

DFB激光器的波长控制是通过控制光栅周期来实现的,改变光栅周期,便可改变输出波长。但普通的电子束蚀刻技术,一次只能使光栅周期改变2.5纳米,这意味着,用这种机器制作光栅,在同一衬底上,只能制作特性相同的激光器。现在,NEC发展了一种新的蚀刻技术,可使光栅周期一次只变化0.01纳米。最近,采用该技术,在单片Inp衬底上产生了40个不同波长的器件。波长范围为75纳米,激光特点均匀,不管波长如何,阈电流均为9毫安。

精确地控制电子束蚀刻的光栅周期和通过选择MOCVD技术控制禁带宽度,可以减少WDM光源的价格,促进大容量、多媒体WDM通信系统快速发展。

可调谐半导体激光器。波长或频率连续可调的LD,称为可调谐半导体激光器。这种激光器主要用于相干光通信系统和光学测量系统,如频分复用、相干接收系统中的本机振荡器等。这类应用对可调谐半导体激光器的基本要求是单频、窄线宽、调谐方便、调谐范围大等。可调谐LD可分为单片可调谐LD和混合可调谐LD两类。混合可调谐LD有光栅外腔型、复合腔(C3激光器)型等几种。混合可调谐LD的特点是:线宽较窄、调谐范围较大,但体积较大,有的还需要机械转动。近年来,人们还在集中研究单片可调谐LD。

为满足单频和窄线宽的要求,单片可调谐半导体激光器一般都选用含量子阱的。DFB激光器或DBR激光器。根据调制原理不同,单片可调谐半导体激光器可分为如下三类:(a)基于DBR激光器的可调谐LD;(b)基于DFB激光器的可调谐半导体激光器;(c)双波导可调谐(TTG)半导体激光器。

DBR LD的可调谐半导体激光器的输出波长在较大范围内,实现准连续调谐。如果采用适当措施,可实现连续调谐范围4.5纳米。与DBR LD的可调谐半导体激光器相比,TTG可调谐半导体激光器连续调谐的范围较大,达7纳米,只需一个控制电流,调谐效率高,在低电流时,达1纳米/毫安125吉赫/毫安(GHz/mA),为多段DBR LD的3至6倍。

有关这些可调谐半导体激光器的详细结构和基本原理太专业了,感兴趣的读者请参阅专业文献。