TeraXionPS-NLL窄线宽半导体激光器

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半导体激光器工作原理及基本结构

工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散，使阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。

反射式体光栅压窄线宽锁波长785nm激光器的使用

反射式体光栅压窄线宽锁波长785nm激光器的使用作者：王艳丽来源：《科技传播》2018年第08期摘要本文通过体光栅作为外腔反馈，实现线宽40dB。

在经过聚焦透镜，耦合到光纤里面，实现光纤耦合输出。

这款小型化激光器提供内置TEC，可保证在-20℃-50℃环境温度下正常工作，且该激光器蝶形封装可提供三种结构选择：自由空间、光纤耦合及模组。

更为突出的优点是，激光器可靠性很高，寿命达20 000h以上。

关键词 LD；反射式体光栅RBG；压窄线宽；锁波长中图分类号 O47 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）209-0093-03一般来说，半导体激光器（Laser Diode 简称LD）由于光谱宽，波长随电流和温度都比较敏感，改善半导体激光器的光束特性通常使用光子注入锁定和外腔反馈技术两种。

外腔反馈常用通常采用标准具、光纤光栅、闪耀光栅等光学元件进行选模。

当采用标准具作为选模元件时，单个标准具存在周期性的通带，往往由于二极管激光器的增益谱线很宽，再加上标准具的厚度不能做到很薄，（例如厚度为0.27nm的标准具的FSR大概在0.8nm左右，厚度为0.27mm的标准具制作上工艺上也很有难度），所以一般情况下会选定很多分立的发射波长，一般需要两个或多个标准具由不同自由光谱区不互相重叠实现窄线宽的输出，这样工艺较为复杂，且锁波效果不理想；采用薄膜滤光片也可以实现单个通带输出，但由于镀膜工艺的限制压窄线宽输出往往不理想，通带的半高宽较大而不能满足实际需求；利用闪耀光栅的1级衍射来实现窄线宽的输出，闪耀光栅的缺点就是效率比较低，且大功率下光栅容易发生变形而导致效率降低。

另外就是直接DFB半导体激光器和DBR半导体激光器，尽管这两种激光器可以做到比较窄的线宽，因为光栅直接在半导体激光器的腔体内，生长工艺复杂，且功率相对低，目前的成本总体很高。

本文采用光纤和柱透镜作为准直光斑光学元件，利用反射式体光栅作为外腔反馈的共同作用来压窄线宽，工艺简单，损耗低，成本相对较低，并容易实现长期稳定的窄线宽的激光输出。

国内外光通信光源技术新进展

国内外光通信光源技术新进展时间：2006-1-11???? ????来源：张瑞君目前，光通信正在向高速、大容量、宽带、长距、低成本方向迅速发展。

光通信的关键器件——光源已取得很大进展。

不仅第三代高速宽带的应变层量子阱(SL-QW)?激光二极管（LD）、垂直腔面发射激光器（VCSEL?LD）和光纤激光器（FL）已获得重大进展。

一些新型光源，如量子点（QD）LD、量子级联激光器（QCL）、光子晶体激光器（PC?LD）和微碟激光器等也随着光通信应用的需求获得重大进展。

用于光通信的光源前景看好，光源性能不断提高和新型器件不断被开发出来。

我国的光源虽然已取得很大进展，但为实现我国光源技术的跨越式发展，还应加大自主研发的力度，特别要注重关键技术的开发。

要发展我国自己的芯片技术和具有自主知识产权的核心技术，重点是发展高端器件与技术。

国外光源技术新进展量子阱激光器目前，各发达国家研发的大功率、高速、宽频QW?LD在基横模输出功率、转换效率等方面都有所进展。

已实现了60mW(连续)大功率40Gb/s?DFB?LD。

美国斯坦福大学研制成功的1.46μm 波长GaInNAsSb?MQW?LD获得功率＞70mW(脉冲、GaAs衬底)、阈值电流密度2.8kA/cm2；美国威斯康星大学研制的1.3μm波长低氮InGaAsN?QW?LD获得阈值电流密度为75A/cm2；法国CNRS的1.22μm?波长GaInNAs、GaNAs/GaAs应变SQW?LD的阈值电流密度为0.43kA/cm2；Ortel研制的1.55μm?波长InGaAsP/InP?S-MQWSCH?LD功率为108mW、阈值电流为8mA；美普斯顿大学研制的1.3μm波长InGaAs?MQW?LD功率达450mW、阈值电流密度为1.9kA/?cm2。

并实现了新一代高速宽频带光源——无致冷工作的应变层QW?LD。

垂直腔面发射激光器作为光通信中革命性光发射器件的VCSEL的新进展伴随着制作工艺不断进步，其阈值电流密度和工作电压不断降低，并从短波长发展到长波长。

半导体激光器原理及结构设计1

➢单色性好光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信技术中应用很广。
➢相干性好
➢ 高亮度由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。
子数Ne大于吸收的光子数Na。在热平衡状态被破坏的情况下，要引入导带
准费米能级EFn和价带准费米能级EFp：
1 fc(E)e(EEFn)/kBT1
fv(E)e(EEFp1)/kBT 1
进一步推导得到，为了实现电子数分布反转，则要求：
EFn- EFp> Ec- Ev= Eg
振荡放大过程
尽管开始时多个方向的波都有，但终究有少量方向、频率、相位与腔体所能容许的光波完全一致，这一部分光波就会发生干涉而加强，所对应的光子在腔内共振，出现正反馈，使自发发射过程转变为受激发射的过程。
激光介质的基本工作模式
激活介质的四能级系统：如上图（b）所示，E0为基态， E1 、E2 和E3为激发态，其中E2为亚稳态，E1和E3能级寿命很短。在泵浦作用下，基态粒子被“抽运”到激发态E3上，E3态粒子极快地无辐射跃迁到了亚稳态E2 能级，同时E1能级寿命也很短，其上粒子也极快跃迁到了基态。而E2 态相对稳定，粒子寿命较长，因此很容易在E2 能级和E1能级间形成粒子数反转。
器件结构
解理面
P-N结
基本结构：pn结+谐振腔（抛光镜面或解理面围成的有源区）
实现激光输出必须满足的条件
电子的分布反转振荡放大、有增益
电子数分布反转
在热平衡条件下，电子处于能量为E的状态的几率f(E)由费米—狄拉克分热平衡条件下，电子基本处于价带，而导带几乎是空的。

905nm多结

905nm多结
905nm多结VCSEL激光器芯片是一种垂直腔面发射激光器技术，具有高效率和高可靠性。

这种芯片的波长稳定，窄线宽，且远场光束对称。

它通常应用于激光雷达和消费电子产品等领域。

此外，中国科学院微电子研究所的研究人员已经设计并制备了905nm波长的多结级联垂直腔面发射激光器（VCSEL），这种激光器的功率转换效率高达55.2%，最大斜率效率为5.4W/A，约为相同孔径单结VCSEL 的5倍。

这种高功率密度多结级联激光器有望在三维传感应用中发挥重要作用。

总的来说，905nm多结VCSEL激光器芯片以其优越的性能和高可靠性，为各种应用提供了可靠的光源，尤其在激光雷达和消费电子产品等领域具有广泛的应用前景。

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TeraXion PS-NLL 窄线宽半导体激光器
产品简介
PureSpectrum™ 系列超小型窄线宽激光器是完全集成化模块，适用于嵌入式设计或 OEM 仪器。 PS-NLL 窄线宽激光器是一款紧凑的、低噪声的 DFB 半导体激光器模块。使用先进的频率噪声控制技术；大大降低了 DFB 激光二极管线宽但同时保留了半导体二极管的优点；快速的频率调谐选项可用于 FMCW 或其它先进的传感方案。
5MHz
0.5GHz/s（平均值）
-2 至+2V
高达 1MHz
+9 至+36VDC
<4.5W
-5 至+ 55 °C
-40 至+ 85 °C
95%，无冷凝
30x64x90mm
熊猫型保偏
产品特性
•线宽<5kHz •输出功率高达 80mw •低相位噪声 •长相干长度 •频率高稳定 •高可靠性 •强抗振性 •快速的频率调谐选项
产品应用
•测试和测量 •相干 OTDR •管道和桥梁监测 •周界安防探测 •激光雷达
产品规格
波长选项输出功率选项快速频率调谐选项快速频率调谐范围
线宽频率稳定性边模抑制比偏振消光比
相对强度噪声
慢速频率调谐范围慢速频率调谐分辨率
慢速调谐速度快速调谐电压快速调制带宽(调谐速度)
电源功耗工作温度储存温度湿度尺寸(HxWxL) 光纤类型
1525–1565/1617(ITU grid)nm
40mW 或 80mW
无快速调谐选项 1
选项 2
选项 3
N/A
±12MHz ±100MHz ±200MHz
<5kHz
<5kHz
<10kHz
<20kHz
<5x10-10@1s,<5x10-9@100s <5x10-9@1s,<5x10-9@100s
>30dBz-10kHz)dBc/Hz <-140(10kHz-1MHz)dBc/Hz
<-150(1MHz-1GHz)dBc/Hz
±10GHz