（光学专业论文）垂直外腔面发射半导体激光器.pdf

摘要 摘要 垂直外腔面发射半导体激光器( v e c s e l ) 是近几年才发展起来的，现已成为 半导体激光器中重要一员。v e c s e l 结合了边发射半导体激光器及固体激光器的 特点，可以做成高度集成的小型激光器实现高重复频率锁模。应用前景非常广阔。 第一章是绪论。简述了v e c s e l 的优点、应用及v e c s e l 的研究历史及现状。 从高功率输出、倍频光输出和锁模输出三个方向对v e c s e l 的研究现状进行了概 括。 第二章为理论研究。介绍了量子阱激光器的发光原理，研究了v e c s e l 增益 结构的设计，包括分布式布拉格反射镜( d b r ) 、量子阱增益区、微腔结构及热处 理方法等。介绍了半导体可饱和吸收镜( s e s a n m ) 的特性及用于v e c s e l 锁模的 s e s a m 类型。通过对s e s a m 宏观特性对锁模激光参数影响的研究，分析了v e c s e l 腔内脉冲形成机制。 第三章是实验研究。分别采用直腔和v 型腔对v e c s e l 进行了连续光和脉冲 光输出实验。采用典型的平凹腔，进行了腔型稳区和v e c s e l 上激光光斑的计算， 优化了泵浦光和v e c s e l 上激光光斑的模式匹配。获得最大功率达4 0 m w 的1 0 1 6 n m 直流光输出。采用v 型腔，在腔中加入s e s a m ，通过对v 型腔两臂长度的调节， 减小s e s a m 上光斑大小以增加其能量密度。最后获得类调q 脉冲输出光。 对实验结果进行了分析，通过对调q 脉宽与调制深度的关系计算，估测出 s e s a m 上的调制深度。通过对s e s a m 上通量与s e s a m 饱和通量的比较，分析说明 了没有锁模的原因。对i 一批增益芯片，分析了无法产生激光输出的原因。 第四章为脉冲相位测量方法。为探索v e c s e l 激光器中脉冲形成过程中腔内 色散及增益饱和等作用的影响，采用二阶非线性效应的频率分辨光学开关法 ( s h g f r o g ) 测量脉冲的相位。介绍了f r o g 测相位的原理，研究了算法能够实 现相位重构的数学可能性。 设计了f r o g 装置中的机械( 包括镜架、镜片、镀膜等) 部分和光路部分； 利用设定的参数，计算了f r o g 中倍频晶体的转换效率，提出了提高转换效率的 方法；分析计算了由于相位失配和群速度色散引起的倍频晶体对脉冲的滤波效 应，选定了倍频晶体厚度；采用恰当的采样密度对时域和频域进行采样。 关键词：半导体激光器；垂直外腔面发射半导体激光器；半导体可饱和吸收镜 频率分辨光学开关法 a b s t r a c t a b s t r a c t v e r t i c a le x t e m a lc a v 时s u 晌c ee m m i n gl a s e r s e c s e l ) e m e r g e dr e c e n t l ya 1 1 d b e c 锄ea ni m p o r t 趾tc a t e g o r yo ft h es e m i c o n d u c t o r l a s e r s v e c s e lc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fb o m 也ee d g ee m m n gl a s e r s a n ds o l i d _ s t a t el a s e r s i tc a nr e a l i z e i n t e g r a t i o na n dh i 曲r e p e t i t i o nm o d e l o c k e do u 印u t 1 kf i r s tc h a p t e ri sa i li n 拄o d u c t i o n 1 1 1 ea d v a m a g e sa n d 印p l i c a t i o n so f v e c s e l w e r ei i m o d u c e d t h er e s e a r c hh i s t o r i e sa n dc u e n ts t a t u so fv e c s e lw e r e s u m m a r i z e d 丘o mt h r e ea s p e c t sw 1 i c hw e r eh i 曲o u 印u t ，丘e q u e n c yd o u b l i n go u t p u t a i l dm o d e l o c 虹n go u t p u to p e r a t i o n t h es e c o n dc h a p t e ri st h e o r e t i c a ld e s c r i 两o n t h ed e s i g no f 也eg a i ns 仃u c 衄e i n c l u d i n gd b r ，q u a n t u mw d i m i c r o c a v i t ya n dt h e r m a lm a n a g e m e n tw e r e d e s c f i b e d t h ep r o p e r t i e sa n dm em o d e l o c k i n gp r i n c i p l eo fs e s a m 、v e r ea i l a l y z e d 1 h ep u l s e s h a p i n gm e c h a i l i s l i lo f 血ev e c s e lw a s 曲e s t i g a t e d 丘0 m 恤p r o p e n i e so f b o t h s e s a ma n dg a ms 锄c n h 。e 1 1 1 et h i r dc h a p t e ri se x p e r i m e n t a lp a n t h ec wa 1 1 dm o d u l a t e do p e r a t i o n sh a d b e e no b t a i n e db ya d o p t i n gl i n e a ra n dv - s h a p e dc a v i t y 4 0 m wc wo u t p u ta t w a v e l e n g t ho f1 0 1 6 m 趾dq s 、v i t c h e do u t p u t a tw a v e l c n g t l lo f l 0 0 7 mw e r e d e m o n s t r a t e d n l er e a s o n so ft h e 衄s a t i s f k t o r i l yo u t c o m e0 ft h ee x p e r i m e mw e r e a n a l y z e dm a i l l l yb yc o m p a r i n gt l l es a n i r a b l ea 1 1 da c t i l a li n t e n s i t yn u e n c eo fs e s a m t h er e 髂o i l so f n ol a s e ro s c i l l a t i o no f 廿1 eh o r n em a d ec h i p si g a i ns t n l c t u r e sw e r e d i s c u s s e d t h ef o l l n hc h a p t e ri sc o n c e m e do fp h a s em e a s u r e m e m t h es e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n舶q u e n c y r e s o l v e do p t i c a l g a t i n g( s h g f r o g ) m e c h a n i s mw a s i n t r o d u c e df o r 也em e a s u r e m e n to ft h em a g n i n l d ea n d 也ep h a s eo ft h ep u l s ew i t h b r o a d e n c ds p e c 咖g e n e 眦df r o mv e c s e l t h em a j o re l e m e n t ss u c ha st h e c h o o s i l l go ft h ef b q u e n c yd o u b l i n gc r y s t a la n dd a t a _ s a m p l i n go fs h g f r o gw e r e o d t i m i z e d k d y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o r1 a s e r ；v e c s e l ；s e s a m ；f r o g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 一u ，g 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：1 ：= 哥：磊导师签名：磁毒蹄7 日期：6 6 ，。w 。 f 。 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 自1 9 6 2 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来，半导体激光器发生了 巨大的变化，极大的推动了其他科学技术的发展。其应用范围覆盖了整个光电子 学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器是以半导体材料为工 作物质的激光器，由于体积小、结构简单、输入能量低，寿命较长，易于调制以 及价格较低廉等优点，已广泛应用于光纤通信，光盘存储，光信息处理，激光高 速印刷，微加工，泵涌源，及激光生物医疗等。但是由于边发射半导体激光器的 光斑输出模式为椭圆形，在使用时往往要先进行光束整形，使得功率大为降低。 而现在有很多的应用要求低成本，高集成有效的具有高功率高光束质量的激光 源。垂直外腔面发射半导体激光器就是在这样的背景下产生的。垂直外腔面发射 半导体激光器( v c r t i c a le x t e m “c a 、崎s u r f a c ee m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e l v e c s e l ) 是近几年才发展起来的一种新型半导体激光器。最早由m a r k k u z n e t s o v 等人于1 9 9 7 年报道。现在已经成为半导体激光器家族中重要的一个分支。 如图1 1 所示为v e c s e l 与其他几种传统激光器的比较，a 、b 、c 、d 分别 为传统的固体激光器，传统边发射半导体激光器，电泵浦面发射半导体激光器， 垂直外腔面反射半导体激光器。同这些类型激光器相比，v e c s e l 具有自己的一 些优势。 传统的全固态固体激光器增益介质一般为晶体，晶体的生长比较复杂，所能 够获得的波长比较单，若想增加激光器的增益，晶体都有一定的厚度，这给泵 浦光与震荡光的模式匹配带来困难。同时，由于晶体比较大，固体激光器很难实 现高重复频率输出。v e c s e l 相对于固体激光器的优点“j ：成熟的半导体材料可 以提供所感兴趣的波长；利用成熟的多量子阱工艺可以设计和制作低阈值，高效 率的器件；由于半导体片非常薄，其非常短的泵浦区域允许有效地吸收泵浦能量， 吸收带宽大于4 0 m 且对于光束质量( 亮度) 要求不高，因此允许灵活多样的泵 浦方式和泵浦源：宽广的发光光谱，原则上可以覆盖从红外到紫外的任何波长( 利 浦方式和泵浦源；宽广的发光光谱，原则上可以覆盖从红外到紫外的任何波长( 利 北京工业大学理学硕士学位论文 用倍频等非线性效应) 以及大于1 0 0 n m 的潜在调谐范围：增益结构中设计的周 期增益保证单纵模输出。 图1 1 几种激光器的比较示意图a ) 传统的固体激光器b ) 传统边发射半导体激光器c ) 电泵浦面发射半导体激光器d ) 垂直外腔面反射半导体激光器 f i g 1 1 廿1 ec o m p 曲s o no f t l l el a s e r sa ) c o n v e n t i o n a ls o i i d s t a t el 丛e rb ) c o n v e n t i o n a l e d g - e m m i n gs e l i c o n d u c t o rl 鹤e rc ) e l e 硎c a l p u m p e ds i l r f k ee m m i i 培s e m i c o n d u c t o r1 a s e r ( v c s e l )d ) v e m c “e x t e m a l c a v 耐s u 出脯e m i t t i _ 唣s e m i n d 、】c t o r l a s e r ( v e c s e l ) 传统的边发射半导体激光器具有功盔高，效率高，成本低，发展已经很成熟， 但是发光模式不好，在快轴方向和慢轴方向的发散角相差很大，在耦合到光纤时， 先要进行光束整形，这要损耗很多能量。 常好，能够得到近似高斯形的圆形光斑， 一般电泵浦面发射半导体激光器模式非 易于光纤耦合，但是这种半导体激光器 要制作电极，制作工艺比较复杂，激光工作过程中电极产生的热量较高且不易散 发出去，输出功率一般比较低。电泵浦的v e c s e l 相对于边发射半导体激光器 及电注入面发射半导体激光器有如下优点圜：无需p n 结，制作工艺简单；无 需掺杂，无自由载流子的吸收所造成的光学损耗，而这损耗通常是阻碍边发射半 导体激光器功率提高的因素之一：无电流消耗，大大减少对基底的热注入：较大 的发光面积和单横模输出，减少了光学损坏的可能性；较大的腔内循环功率，目 前报道有3 0 w 【3 】的直流光输出，同时由于腔内功率远比输出光功率大( 几十倍) ， 可以用于腔内倍频，产生可见光输出；外腔结构使得可以插入一些元件如半导体 可饱和吸收镜( s e 血c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e r m i r 工o r ，s e s a m ) n 或法玻 干涉片进行锁模或调谐。 第1 苹绪论 总之，v e c s e l 集合了固体激光器模式好，可调及半导体激光器功率大，波 长可设计的优点，又因为v e c s e l 有体积小，光束质量好，功率较大，重复频率较高， 易于倍频和锁模并且制作相对简单等优点，已经在光时钟，光通信，显微分析，三元 色显示，激光生物医疗，等方面表现出良好的应用前景。当在外腔中加入倍频晶 体或s e s a m 进行倍频和被动锁模和调q ，可以扩大输出波长的范围，得到短波长 如蓝绿光输出和脉宽为纳秒或皮秒的脉冲输出。又因为v e c s e l 有潜在的1 0 0 m 的波长可调范围，在光谱方面的应用也很广泛，可以用作高灵敏度的光谱吸收谱 探钡0 ，如i c l a s v e c s e l ( 5 1 ，m l c e a s v e c s e l f 6 1 等。 本课题来源于北京市优秀人才基金，北京市自然科学基金。 1 2 垂直外腔面发射半导体激光器的研究进展与研究动态 前面所述，半导体激光器的一个重要特点是波长可以设计，理论上可以获得 从紫外到远红外的任意波长，现在已经有报道直接输出的波长包括蓝光，红光， 近红外，光纤通信波段，2 3 微米波段。表1 - 1 列出了已获得的不同的波长( 不包 括倍频) 及所采用的泵浦波长、衬底组分、量子阱( q u a i l t mw e l l s ，q w s ) 组分、分 布式布拉格反射镜( d i s t r i b u t e db r a g gm i r r o r ，d b r ) 组分。 1 2 1 高功率连续光输出 v e c s e l 可以实现高功率输出，在高功率输出时，半导体增益片上的散热问 题非常重要，目前为止主要有两种不同的散热方法已经实现了大于1 w 的功率输 出。一是在后表面用铜散热，二是在前表面用晶体散热，这两种散热方法将在第 二章详细介绍。 关于v e c s e l 最早的报道见于1 9 9 7 年，m k u z n e t s o v 及其研究小组利用第一 种散热方法获得了高光束质量的连续光输出“，波长为9 8 0 m 、最高功率达 o 6 9 w 。 用类似的散热结构和不同的d b r 及量子阱结构，已经获得多种波长的高功率 激光输出。2 0 0 3 年，s l u t g e n 等人报道用2 0 w 光纤输出的8 0 8 i u n 泵浦源，在o o c 时获得的1 0 0 0 m 大于8 w 的连续光输出 7 】，光光溢出效率达到5 0 ，这反映了晶 体外延层的高质量及相应的低散射损耗。其后，相干公司的c h i l l a 等人于2 0 0 4 年 北京工业大学理学硕士学位论文 做出了功率达3 0 w 的9 2 0 n m 的c w 光输出【3 ，这是目前功率输出最高的报道。 2 0 0 2 年，w j a l f o r d 实验小组使用了第二种散热方法：增益片表面散热。他 在增益片表面用蓝宝石散热，用8 1 4 m 的泵浦光泵浦得到1 5 w 的9 8 0 眦l 连续光输 出，光束质量也很好嘲。后来他们利用表面散热的方法，用微片v e c s e l 9 ，用 6 4 7 n m 的氪离子激光器泵浦得到了波长为8 5 0 m 大于3 5 0 m w 的连续光基模输 出。 2 0 0 4 年，s a s m i t h 等人又报导了波长为1 t 3u m 的输出【12 1 ，他们用的是 g a i 州a s 做基底的微片v e c s e l ，这次所用的散热片为单晶宝石，因为单晶宝石 的热导率比s i c 或蓝宝石都要高，散热更好，在5 。c 时得到了波长为13 2 2 衄的大 于0 6 w 的连续光输出。 2 0 0 4 年，h a n sl i n d b e r g 等人用i n p 做基底i r l g a a s p 量子阱的增益片，用1 2 5 0 n m 的光纤拉曼激光器做泵浦，获碍7 0 m w 的1 5 5 0 m 多横模输出1 3 】。后来他们在表面 采用s i 热沉散热，在2 4 0 k 时得到2 3 0 m w 的近似高斯基模光输出( m 2 因子为 1 2 2 ) 。 2 0 0 5 年，j e h a s t i e 等人利用单晶宝石作为前表面热沉，获得3 9 0 m w 线偏振 6 7 4 n m 的高功率的红光输出【”j 。 表1 1 用v e c s e l 直接获得的波长( 不包括倍频) t a b l e 】- 1w a v e l e n 殍h so b t a i l l e d 丘d mv e c s e ld i r e c t l y ( f k q u e n c yd o u b l e dn o ti i l c h l d e d ) 波长泵浦布拉格反射镜 衬底 量子阱( q w s )参考文献 ( d b r ) s i o 扭f 0 2a 1 2 0 a j a s a l g a a sg a a a l g a a s g a a sg a a i n g 舒4 ，g a n i n g a p a i g a a s g a a s a l a s g a a sg a ai n g a a s ，g a a s p a l a s g a a s i n a l a s g a h l a 】a s i n p ， i n g a a l a s a u l a v e r g a s b a 1 a s s b g a a sg a i l l n a s g a a s i n p i n g a a s i n g a a s p g a s b 【1 6 1 5 1 0 【1 ，3 ，7 ，8 1 8 】 1 1 ，1 2 】 1 3 ，1 4 g a i n a s s b 5 ，17 a l g a a s s b m粥舭桃跏毗脚 m跏啪龇啪蚍蚴蚴 第t 章绪论 未采用特殊散热装置输出功率一般较低。2 0 0 3 年s i h y u np a r k 等人报导的 i n g a n g a n 量子阱发光波长为3 9 l n m 【1 6 。2 0 0 3 年报道g a h l a c h ea 有激光波长为 2 3 微米的增益片做出【1 7 】，在2 8 8 k 时能够最大获得8 5m w 的光输出。 2 0 0 6 年，l if a l l ，m a h m o u df a l l a h j 等人报道了一种波长可调的v e c s e l 激光 器【”】，获得以9 8 0 r 皿为中心的近2 0 啪的可调波长范围。他们在腔中加入了双折 射滤波片。 1 2 2 倍频光输出 近几年来，倍频半导体激光器开始作为一种实用蓝绿光光源，氩离子激光器 及固体激光器由于受到波长限制，成本较高等限制，使得波长可以通过设计来获 得的半导体量子阱激光器倍频获得蓝光成为一种很有前景的方法，边发射的半导 体激光器虽然也有倍频结果报道【l ”，由于其光斑模式不好，所能获得的上转换功 率非常低。 因为v e c s e l s 光斑模式好，其腔内功率远大于输出功率，因此可以在腔中 加入倍频元件进行倍频，产生可见光。国内有人提出可以在v e c s e l 腔内加入 b b 0 进行倍频【20 1 ，认为用v e c s e l b b o 可以实现蓝绿光波段光源的小型化；利 用v e c s e l s e s a m 一倍频晶体实现短波长的脉冲激光输出。国外较早报道有将倍 频晶体朝腔内的一面做成布儒斯特角，外面一端磨成球面作为输出镜，得到了 9 8 0 n m 和4 9 0 岫的输出【2 1 】【2 2 1 ，用3 0 0 m w 的8 0 0 1 1 i n 边发射半导体激光泵浦得到 了5 m w 的4 9 0 r l i n 的激光输出。类似的装置用l b o 一类匹配获得倍频产生1 8 m w 的4 9 0 啪光输出【2 3 1 。2 0 0 3 又有用k t p 作倍频元件，获得高效蓝光输出的报道1 2 4 1 ， 用电泵浦的v e c s e l 产生了大于4 2 m w 的4 8 9 n m 的光输出。 目前最好功率的v e c s e l 倍频蓝光输出为相干公司做出的【2 6 ，他们用一类 严格相位匹配的l b o 晶体对高功率二极管泵浦的h g a a s g a a sv e c s e l 进行内 腔倍频，得到5 m w 的4 6 0 m 光和2 0 m w 的4 8 8 n r n 光输出。其中，4 6 0 r 衄输出光斑 m 2 因子小于1 1 。另外他们还做出了1 5 w 的倍频蓝光输出( 见文献 3 ) 。 最近，三星研究中心报导了2 w 的4 6 0 1 1 i i l 的倍频蓝光输出口7 1 ，8 0 8 腿的泵浦光 与倍频蓝光的转换效率达1 0 。 北京工业大学理学硕士学位论文 1 2 3 锁模光输出 因为半导体量子阱增益介质的增益带宽很宽，可以期望产生超短脉冲激光， 对边发射半导体激光器作锁模的脉冲光源已经应用于光通信，采样，光时钟等， 这种装置的优势是电泵浦，结构紧凑，锁模稳定，然而由于光束质量不好，电泵 浦激光器功率较低，只能限制在几十m w ，脉宽在1 2 p s 。由于光泵浦的v e c s e l 克服了光束质量不好、功率低这两个缺点，可以用来产生高功率高光束质量的锁 模脉冲；对v e c s e l 锁模也无需经过高非线性的半导体波导，因此可以产生低 于口s 的传输限制的光脉冲。 最早的用连续光泵浦v e c s e l 产生脉冲光的报道见于1 9 9 9 年【2 扪。他们所用 的锁模器件为一个内腔声光调制器。由于腔长比较长，重复频率为1 6 8 m h z ，锁 模二次谐波频率为3 3 6 m h z ，最后得到1 0 0 1 2 0 p s 的脉冲输出。 后来有人发现可以用s e s a m 进行被动锁模，最早的s e s p 0 讧锁模v e c s e l 于2 0 0 0 年由h o o g l a n d s 等人报道口9 1 ，他们所采用的是v 型腔，增益结构为 i n g a a “g a a s ，工作波长为1 0 0 0 1 0 4 0 n m ，重复频率为4 4 g h z ，用这种装置获 得2 2 p s 的脉冲，输出平均功率为2 1 m w 。 2 0 0 1 年，h 碰n gr 等人报导了输出平均功率大于2 0 0 m w 的9 6 3 m 的 i n g a a s ，g a a sv e c s e l 激光器【3 0 1 ，产生近乎传输限制的脉冲，脉宽为3 2 口s 。随 后，他们又于2 0 0 2 年报导了输出平均功率达到9 5 0 m w 的激光器【3 l 】。工作波长 为9 5 2 m ，重复频率达到6 g h z ，产生了1 5 p s 的脉冲。 但是早期s e s a m 锁模形成的脉冲往往有很强的啁啾。h 撕n gr 研究小组随 后重点讨论了s e s a m 锁模v e c s e l s 激光器中锁模类孤子脉冲的形成机制口2 1 。 在脉冲形成过程中重要有三种作用：一是非线性相位改变，二是增益带宽限制， 三是腔内色散；当这三种作用达到平衡时将会获得类孤子脉冲。 目前所报道的被动锁模脉宽最短的为a g a m a c h e 等人于2 0 0 2 年报道的小于 5 0 0 f s 的类孤子脉冲【3 3 】，他们所采用的增益介质是以g a a s 做基底，量子阱结构 为i n 0 _ 2 3 g a 0 _ 7 7 a 占，所用的锁模器件s e s a m 是用表面态生长方法生长的，量子阱 吸收体与空气界面只相隔2 蛐，其恢复时间只有2 1 p s 。用1 w 的8 3 0 m 泵浦， 获得4 7 7 f s 的脉冲，输出平均功率达到1 0 0 m w ，当重复频率为1 r 2 l g h z 时得到 脉冲峰值功率为1 5 2 m w 。经分析，所得到的脉冲也是类孤子脉冲。该小组又于 第1 章绪论 2 0 0 5 年用同样方法生长的增益介质和s e s a m 获得了重复频率1 0 g h z 的小于 5 0 0 f s 的激光输出【3 “。 2 0 0 4 年，u k e l l e r 等人又报道了重复频率分别为2 1 g 王z 及3 0 g h z 的 v e c s e l 激光器 3 钠，2 0 0 5 年报道了4 g h z 、6 g h z 的激光器，所用的增益介质为 i n o l 3 g a 08 7 a s ，g a a s p o0 6 量子阱结构。2 0 0 6 年他们小组用同样结构的量子阱获得 了5 0 g h z 的高重复频率输出p 酣。 一种可以极大的提高重复频率的方法是将半导体增益芯片同s e s 州长在一 起，这种方法正在探索中口5 【3 6 1 。 1 3 本课题的主要内容及目的 本文概述了垂直外腔面发射半导体激光器相对于传统的固体激光器和边发 射半导体激光器及电泵浦的面发射半导体激光器的优点，指出了其应用领域及应 用前景。从高功率输出，倍频输出和锁模输出三个方面概述了本领域国内外研究 的发展历程及研究现状。指明了本课题的资金来源。 首先，对与垂直外腔面发射半导体激光器有关的理论进行了研究与分析，探 讨了增益介质的设计要求、分布式布拉格反射镜的设计、量子阱组分的选择计算、 热处理方法及微腔具体结构的设计：讨论了s e s a m 锁模原理，总结了用于 v e c s e l 锁模的s e s a m 的主要类型；数值模拟了锁模v e c s e l 中类孤子脉冲 形成机制。 其次，讨论了垂直外腔面发射半导体激光器的泵浦源的选择，激光腔的设计， 增益结构的设计及锁模元件的选择。选用8 0 8 姗的带光纤耦合输出的半导体激 光器为泵浦源，用以g a a s 为基底、i n g a a s g a a s 结构为量子阱的半导体片作为 增益介质，利用直腔实现连续光、v 型腔实现s e s a m 锁模光输出，工作波长为 1 0 0 0 n m 附近。列出了不同批次生长的增益芯片所产生的实验结果，并对实验结 果进行了分析。 论文的最后部分是脉冲输出特性的测量方法。由于v e c s e l 的特殊性，增 益芯片与锁模元件的饱和吸收系数处于同一个数量级，所产生的脉冲光很容易带 有比较强的啁啾。决定选用f r o g 方法测量输出光脉冲的相位分布，以研究腔 内非线性作用与色散产生及补偿机理。其中主要工作是脉冲测量装置f r o g 的 北京工业大学理学硕士学位论文 设计制作。目前国内外虽然有关于v e c s e l 激光器的报道，但还未见对激光器 的腔内色散的产生和补偿进行分析的相关文章。 第2 章垂直外腔面发射激光器相关理论研究 第2 章垂直外腔面发射激光器相关理论研究 2 1 半导体增益结构发光原理及设计要求 垂直外腔面发射半导体激光器( v e c s e l ) 中所利用的增益介质是半导体片， 其中的有源区为量子阱，量子阱激光器具有阈值低，量子效率高，温度特性好， 谱线宽度窄，可做成多层薄膜结构，易于集成等优点。增益结构的设计是本课题 的重点之一。 2 1 1 半导体量子阱发光原理 a 图2 1 增益结构发光原理 q l i 卸| u mw e l b q l w “i o m n b a ) 半导体增益结构中的电场函数示意图b ) 量子阱发光原理示意图 f i g 2 1r a d i a mp r i n c i p l eo f t h eg a i nc h i p ( a ) e - f i e l d 胁c 廿o ni nt h eg a i ns 打u c t u r e ( ”p 血c i p l eo f i 玎a d i a l l c eo f 也eq u a n m mw e l l s 如图2 1 是量子阱发光机理，对应图2 2 为结构示意图，结合两幅图可以看 出：最底层是热沉，对于l 微米附近的波长一般采用用g a a s 衬底，衬底上面是 分布式布拉格反射镜( d b r ) ，反射镜上面是量子阱( q w s ) 有源区，量子阱上 面为高禁带宽度的阻挡层，阻挡载流子溢出；量子阱在有源区中周期分布在腔内 驻波的波腹上，其厚度一般不超出1 0 n m ，相对于波长来说非常小，当泵浦光打 北京工业大学理学硕士学位论文 到有源区，如图所示，量子阱和势垒都会受激产生载流子，其中厚度较大的势垒 占主导作用，势垒上的载流子被周期分布的量子阱俘获，量子阱受激跃迁发出光 子，这类似于固体激光器中的准三能级系统。 1 一r 阻挡层 ，有源区 j 布拉格反射镜 衬底 j 图2 2 增益结构示意图( 箭头方向为生长方向) f i g 2 2t h es c h e m eo f t l l eg a i ns 仃u c t u r e ( a n 哪wi n d i c a t e s 廿1 eg r o w i n gd i r c c o n ) 2 1 2 增益结构的设计要求 v e c s e l 增益结构的设计要满足一些条件：对激光波长要高反射、对泵浦光 高效吸收、有较宽的平滑的增益吸收谱、要有很大的吸收饱和系数，这对锁模脉 冲的形成非常重要、在高功率工作时要有较低的热阻抗。在生长增益结构的时候， 这些要求有部分是冲突的，如原理上要获得大的增益，可以通过用一个部分反射 镜置于量子阱的顶部，形成共振结构来获得，但这会使得增益谱变窄，增益饱和 系数变小。这样只好在量子阱顶部用抗反射的结构，以牺牲增益为代价，获得宽 的增益光谱和大的饱和吸收系数。想提高增益，还可以通过增加量子阱个数，但 量子阱不能无限加多，这主要是半导体制作工艺的问题，因为量子阱与周围结构 不是晶格匹配的，当用太多的量子阱或量子阱层太厚时就会产生生长缺陷，这将 会降低吸收效率，而且量子阱太多，增益区太厚，泵浦光不能到达后面的量子阱， 使得后面的量子阱起不到增益区的作用，而自白增加了半导体片的总厚度，带来 散热的困难。若想加大对激光波长的反射，还要生长高反射率的反射层b r a g g 反 射镜，但这种反射层太厚也会带来散热的困难。 第2 章垂直外腔面发射激光器相关理论研究 2 1 3d b r 的设计 将折射率不同的，厚度为1 4 光波长的光介质层叠起来可构成反射镜。两种 介质的折射率差越大可得到的反射率越高。在半导体中利用折射率不同的膜交替 堆积可做成半导体多层膜反射镜，反射膜的厚度由中心波长决定，反射率最大时 的膜厚为凡4 n 。对于近红外波段波长的v e c s e l 增益芯片，常常采用低折射率 的a l a s 或a l x g a l x a s 与高折射率的g a a s 制作高反射率的反射镜。 e j 。 1in 一1n 翱肛惘 图2 3 多层光学薄膜示意图 f i g 2 - 3s 如t u r eo f am u l t i p l a y e rt h i nf i l m 如图所示，反射镜由周期分布的低折射率和高折射率层间隔组成，研究这类 膜层的光学性质，通常采用矩阵法。其基本思想是采用2 2 矩阵描述电磁场 在光学薄膜中的传播规律口”。对于图2 3 所示的多层光学薄膜【3 8 1 ，将其划分为一 系列的等折射率膜层，每一个膜层都有唯一的特征矩阵。通过光学矩阵的连乘可 以描述电磁波在整个膜堆里任何位置的传播特性。讨论最简单的情况，入射光垂 直入射，膜系中第i 层的特征矩阵可描述为口9 1 ： m ：1 c o 文呦寺i n ( 铂嘞i ( 2 - 1 ) l j 强s j n ( 臻4 )c o s ( 吩谚) j 其中心，函，啦分别为第i 层介质的传输矩阵、折射率和薄膜的厚度，为 真空中的波数。那么整个膜堆的特征矩阵为： m = 尊m = 匮笼 ( 2 2 ) 北京工业大学理学硕士学位论文 其中n 为布拉格反射镜的周期数。振幅反射率可以表示为： 托o 厶l 一硝。 + 且矗2 一 厶1 忙币石葛晤瓦蕊 q 。) m l + 唯i + 嘞蝎2 + 1 。7 其中”o ，分别为入射端和出射端的折射率。功率反射率r 为振幅反射率模的平 方： r2 ( 2 - 4 1 利用式( 2 1 ) 式( 2 4 ) 可以计算对于特定波长，d b r 的层数不同导致折射率的 不同，当采用几十个周期的低折率层和高折射率层对时，反射率能够达到9 9 9 。 多层膜反射镜中高反射率的波长范围叫做反射带宽。目前为止，已经用数值 法求出过几种反射镜的反射带宽，对于折射率差较小的d b r ，用微扰法进行解 析，可由下式给出【4 0 】： 2 五：警厶 ( 2 - 5 ) 。 式中为有效折射率，h 为折射率差，九为中心波长，设九为1 0 3 0 n m 高折射率和低折射率分别为3 4 9 和2 9 1 ，1 利用上式计算得反射带宽为1 8 0 m 。 实际上生长的d b r 带宽往往比理论反射带宽窄。 2 1 4 量子阱的设计 半导体的吸收系数一般在1 0 4 c m 左右。吸收波长取决于能带间隙，即禁带宽 度。以i i i v 族化合物半导体为例，吸收带一般在可见光和近红外波段。常用的 砷化镓( g 啦s ) 的禁带宽度e 。= 1 4 2 3 e v ，吸收边对应于8 7 0 衄。磷化铟( h 1 p ) 也在 这个吸收段，e 。= 1 3 4 e v 。砷化铝( a l a s ) 更高，e = 2 1 3 e v ，透明段波长可短至 5 7 0 眦。为了适应各种吸收波长的需要，常常要用三元化合物半导体，如砷化镓 铝( a 1 g a a s ) ，砷化铟镓( i n g a a s ) ，砷化铟铝( i n a l a s ) 等。因为i n a s 的禁带宽度只 有0 3 5 6 c v ，所以常用它与g a 或a l 来调节三元化合物半导体的禁带宽度。因此 这种化合物常常写成i n 。g a l x a s ，i n 。a 1 1 。a s 和a 1 。g a l x a s 等，x 表示该组分的含量。 三元化合物半导体的禁带宽度可用经验公式来计算。例如对于没有应变的 i n x g a l x a s ，其禁带宽度可以用二次曲线来拟合，写成： 第2 章垂直外腔面发射激光器相关理论研究 e 。= 1 4 2 3 1 5 3 z + 0 4 5 x 2 ( e v ) ( 3 0 0 0 k ) ( 2 6 ) 可见改变i n 的含量就可以把i n ；g a l x a s 禁带宽度在0 3 s 6 1 4 2 3 e v 之间调节。 三元化合物半导体i n x g a l - x a s 可以生长在g a a s 上。由于晶格常数不一致，会 在生长层上造成一定应变( s 订a i n ) 。应交可分为压缩型和扩张型。无论哪种类型的 应变都会影响禁带宽度。对于三元化合物半导体1 1 1 ；g a l - x a s ，晶格常数与铟的配 比近似成线性关系： 口= 6 0 5 8 3 一o 4 0 5 0 ( 1 一工) ( 2 7 ) 对于生长在砷化镓面( 0 0 1 ) 上的i n x g a l x a s 来说，由于上式可知，i n 、g a l 。a s 的 晶格常数大于砷化镓的晶格常数，因而存在压缩型应变，禁带宽度对于同样的铟 含量会升高。禁带宽度的计算公式变为： 坟= 1 4 2 3 1 1 1 x + o 4 5 x 2 ( e v ) ( 2 8 ) 换言之，若想得到同样的禁带宽度，必须提高砷化铟的含量。另外，在存在 应变的情况下，i n 。g a l 。a s 吸收层的厚度有一个限制，即所谓临界厚度。超过了这 个厚度，缺陷和位错就会产生，从而增加非饱和吸收损耗。这个厚度与铟的配比 有关。例如铟的配比x o 2 ，临界厚度约在1 0 1 1 1 1 1 左右。 在我们的半导体增益结构的增益区中，就是在g a a s ( 0 0 1 ) 上生长i n x g a l x a s ， 在g a a s 和i n x g a l x a s 之间没有加入应力补偿层，每个量子阱i n 。g a l x a s 的厚度为 8 砌，在临界厚度之内，有压缩性形变，计算i n 的含量时采用式( 2 8 ) 。有文献研 究表明，当存在适当的压缩性形变时，比完全没有应力的情况下，泵浦阈值更低， 所出的光的最大功率更高i 4 1 1 。第三章将有关于增益结构设计的详细介绍。 2 1 5 热处理方法 v e c s e l 相对于电泵浦的半导体激光器，由于没有电注入且光泵浦面积比较 大，产生的热密度较小，散热相对容易，这是v e c s e l 能够有望产生高功率的 个重要原因。只利用如图2 2 所示的结构，然后将衬底放到半导体制冷器或者水 冷上面就可以比较有效的将热散走。但这种结构如果工作于高功率，由于其散热 北京工业大学理学硕士学位论文 能力与d b r 及衬底的厚度密切相关，为达到高的反射率d b r 层和衬底层的总厚度 较大，不利于散热。散热效率不能达到要求。 比较高效的散热方法主要有两种。一种是d b r 端散热。采用与图2 2 所示相 反的生长顺序：在衬底上先生长几个隔离层，然后生长窗体层，或者直接用窗体 层所需要的材料作为衬底，再生长量子阱有源区，最后生长d b r ，然后将d b r 直接焊接在金属( 通常为铜) 热沉上，最后将窗体层处的衬底用选择蚀刻法去掉， 最后的结构相当于将d b r 处的热传导率较低的半导体衬底换成了热导率较好的 金属衬底，这将大大提高散热能力。利用这种散热方法，已经实现了如前面所述 最高3 0 w 的功率输出【3 】。第二种散热方法是采用前表面散热。生长顺序同图2 2 所示顺序相同，不同的是最后在窗体层上面利用液体( 蒸馏水，异丙醇等) 的毛 细作用将蓝宝石( 或s i c 或单晶宝石) 直接同窗体层光学接触，d b r 处的衬底不 用去掉，直接将衬底放到半导体制冷或水冷上，这相当于对前后表面都散热，也 能够达到很好的散热效果。这种散热方式的优点是不用选择蚀刻方法，简略了步 骤；散热片和增益区中间没有间隔厚厚的d b r ，散热效率较高。但是所使用的宝 石造价较高，而且对宝石的表面质量要求非常高。 2 1 6 微腔具体结构的设计 增益结构中微腔的设计也极大地影响输出光的质量，增益结构中微腔是由 d b r 前表面与空气界面形成的。对于特定的波长，厚度的不同将产生不同的微腔 结构，讨论两种极限的情况：一是完全谐振腔，二是完全反谐振腔。在微腔结构 中，一个很重要的参数纵向限制因子【2 6 】【4 2 1 ，对激光的形成起着非常重要的作用。 图2 - 4 ( a ) 给出了谐振微腔中的电场强度分布图，其中有源区的厚度为7x 2 ，a l a g 窗体层厚度为 ，微腔的总长度为半波长的整数倍，6 个量子阱分布在波腹上以 给出周期增益。图2 - 4 ( b ) 为谐振腔结构的反射率曲线及纵模限制因子。可以看出 纵模限制因子有一个尖谐振峰，带宽很窄，中