表面发射半导体激光器 surface-emitting semiconductor lasers

2022-10-25 11:37:41 浏览:290

定义

产生的光沿垂直于晶圆表面的方向传播的半导体激光器。

半导体激光器通常可分为两类:

  • 边缘发射激光器,其中激光平行于半导体芯片的晶圆表面传播,并在切割的边缘反射或耦合。
  • 表面发射激光器,其中光沿垂直于半导体晶圆表面的方向传播。

本文仅介绍表面发射激光器,概述了不同类型的激光器(其他文章中详细介绍了这些类型)。表面发射激光器可以根据不同的标准进一步区分:

单片与外腔激光器

  • 单片意味着激光器被制造成单片半导体片,不包含其他元件,如单独的镜子。这种紧凑的器件包括VCSEL(垂直腔表面发射激光器)和PCSEL(光子晶体表面发射激光器),如下文所述。
  • 外腔器件称为垂直外腔表面发射激光器(VECSEL),由半导体器件和至少一个用于实现激光谐振器的附加外部反射镜组成。谐振器中还可以有额外的谐振镜和可能的其他光学元件。总体而言,这种器件看起来与固态体激光器类似,不同之处在于增益介质是半导体而不是掺杂绝缘体。

在任何情况下,许多用于VECSEL的单片激光器或增益芯片都可以在单个晶圆上一起制造,该晶圆被切成许多块。

单片表面发射激光器也可以制造成二维激光阵列(例如VCSEL阵列),以产生更高的总输出功率。

垂直腔与面内腔

垂直发射(即垂直于晶圆表面的输出激光束)基本上可以通过两种不同的方式实现:

垂直腔激光器

垂直腔激光器可以是单片的,也可以包含额外的外部元件。

在垂直腔激光器中,腔内激光本质上也沿垂直于晶圆表面的方向传播。输出光束只需通过输出耦合器反射镜进行部分传输即可获得。

实际上,这种方法意味着半导体增益介质中的路径长度相当短 - 大约在微米的数量级。激光谐振器对于单片器件(VCSEL)也可能非常短,对于外腔激光器(VCSEL)也可能更长。在任何情况下,可用的往返激光增益都非常有限,通常最多为百分之几。因此,有必要实现损耗相对较低的激光谐振器,即使用具有高反射率的布拉格反射镜。

面内激光器

有(到目前为止不太常见的)激光器,其中腔内激光基本上沿着晶圆表面在平面上传播。这种方法允许人们结合边缘发射和表面发射激光器的一些优点:有功面积和输出功率可以高得多,并且由于增益介质中的传播长度较长,因此往返增益也更高。这创造了产生瓦特级输出功率与空间单模发射相结合的潜力,即高光束质量。

实现面内激光有不同的方法,也可以称为水平腔表面发射激光(HCSEL):

  • 可以使用类似于边缘发射激光器的结构,即沿晶圆表面具有波导结构,但补充了向上反射输出光的附加结构,以实现输出的垂直发射。
  • 另一种实现是光子晶体表面发射激光器(PCSEL),其中面内激光谐振器以光子晶体结构实现。同样的结构也反射一些光,如形成输出光束。在这里,甚至可以实现单频操作,这对于例如3D传感和光学数据传输中的应用非常重要。

电气泵浦与光泵浦

半导体激光器最重要的吸引力之一是它们中的大多数都可以通过电泵浦。这是提供所需电力的最方便,最便宜的方式。这种方法在大多数表面发射半导体激光器中也得以实现。

然而,在某些情况下,人们使用光学泵浦 - 通常使用来自另一个半导体激光器的辐射 - 因为它也有一些优点:

  • 如果不需要电触点,则生产半导体结构要简单得多。此外,光泵浦消除了对足够高导电性的要求,因此可以使用未掺杂的半导体介质,这在光吸收方面通常也是有利的。因此,人们可以生产具有更简单技术的设备。
  • 光泵浦允许人们在空间维度上理想地分配能量输入。特别是,很容易均匀地泵送更大的区域,而在活动区域周围使用环形电极的电泵送仅适用于有限的环直径。否则,人们将需要透明的电极,这是难以实现的。

光泵浦的优势在高功率 VECSEL 中尤为明显。它们可以在比电泵送VCSEL大得多的有源区域下工作,从而产生更高的输出功率,同时由于外部腔体而仍保持衍射极限的光束质量。

最高的电光效率(部分远高于60%)是由一些电泵浦激光器实现的,而这种效率很难通过光泵浦实现。至少,光泵浦激光器的光对光效率可能相当高,尽管整体功率转换效率较低,但可以简化热处理,因为泵浦激光器不需要具有非常高的光束质量,因此可以具有坚固的类型。

基本优势

与边缘发射激光器相比,表面发射半导体激光器的概念具有各种优势:

  • 对于给定的光输出功率,发射面积要大得多,这意味着相应的低光学强度。因此,灾难性光学损伤(COD)的挑战被有效地消除,这是许多边缘发射激光器的限制因素。
  • 由于光线不会穿过这些边缘,因此也消除了仔细处理半导体增益芯片的裂解外侧的技术困难。总体而言,制造暂时更简单,因此可能更快,更便宜。
  • 许多在大型晶圆上一起制造的增益芯片甚至可以在分离它们之前进行测试,这也是很方便的。
  • 通常非常短的激光谐振器使得实现单模发射相对容易,并且这适用于泵浦功率和温度等广泛的操作参数。
  • 发射波长通常不是由半导体材料的增益最大值决定的,而是由光学共振决定的。这通常会导致发射频率的温度系数大大降低。

参考文献

[1] K. Iga et al., “Surface emitting semiconductor lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 24 (9), 1845 (1988), doi:10.1109/3.7126
[2] M. Kuznetsov et al., “High-power (> 0.5-W CW) diode-pumped vertical-external-cavity surface-emitting semiconductor lasers with circular TEM00 beams”, IEEE Photon. Technol. Lett. 9 (8), 1063 (1997), doi:10.1109/68.605500
[3] M. Imada et al., “Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure”, Appl. Phys. Lett. 75 (3), 316 (1999), doi:10.1063/1.124361
[4] K. Iga, “Surface-emitting laser – its birth and generation of new optoelectronics field”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 6 (6), 1201 (2000), doi:10.1109/2944.902168
[5] S. Hoogland et al., “Passively mode-locked diode-pumped surface-emitting semiconductor laser”, IEEE J. Photon. Technol. Lett. 12 (9), 1135 (2000), doi:10.1109/68.874213
[6] A. C. Tropper et al., “Vertical-external-cavity semiconductor lasers”, J. Phys. D: Appl. Phys. 37, R75 (2004) (a good review), doi:10.1088/0022-3727/37/9/R01
[7] D. Lorenser et al., “Towards wafer-scale integration of high repetition rate passively mode-locked surface-emitting semiconductor lasers”, Appl. Phys. B 79, 927 (2004), doi:10.1007/s00340-004-1675-3
[8] Y. Kurosaka et al., “On-chip beam-steering photonic-crystal lasers”, Nature Photonics 4 (7), 447 (2010), doi:10.1038/nphoton.2010.118
[9] K. Hirose et al., “Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers”, Nature Photonics 8 (5), 406 (2014), doi:10.1038/nphoton.2014.75
[10] S. Noda et al., “Photonic-crystal surface-emitting lasers: review and introduction of modulated-photonic crystals”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 23 (6), 4900107 (2017), doi:10.1109/JSTQE.2017.2696883
[11] M. Yoshida et al., “Double-lattice photonic-crystal resonators enabling high-brightness semiconductor lasers with symmetric narrow-divergence beams”, Nature Materials 18 (2), 121 (2019), doi:10.1038/s41563-018-0242-y
[12] T. Inoue et al., “Design of photonic-crystal surface-emitting lasers with enhanced in-plane optical feedback for high-speed operation”, Opt. Express 28 (4), 5050 (2020), doi:10.1364/OE.385277

激光器

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/1974

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交