半导体激光器的频率

激光器的设计与制作-----半导体激光技术半导体激光二极管的主要参数半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith、工作电流Iop、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。(1)波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以由波长计测得。(2)阈值电流Ith：随注入电流增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至它开始发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的精确的电流值通常把这个电流值称之为阈值电流，它是一个正向电流，并用符号Ith表示。(3)工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。(4)垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右；水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~10˚左右。半导体激光二极管的主要参数半导体激光器的输出特性PIIthP－I曲线输出功率与注入电流的关系半导体激光二极管的电流特性acbo半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性•o-a段，由于激光器只有在被加上足够的电压和足够的电流才会生成激光。在电流较小的时候，结区的电子和空穴较少，吸收大于辐射，增益系数G0，此时激光器发出的是普通荧光。•a-b段，随着电流增大，结区的电子空穴数量增多，达到G0时，就会出现光放大现象，此时激光器发出很亮的荧光。但若增益小于谐振腔自身的损耗，腔内仍不能产生光振荡，这就是“超辐射”现象。•b-c段，只有电流增大到使增益足以补偿损耗时，才能产生模式明确、谱线尖锐的光振荡，发出激光。刚好使激光器产生激光的驱动电流称为阈值电流，以Ith表示。功率随电流的增大线性增大半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线是以阶梯形式变化的。12g2nknΔβ为传输常数的变化量Δn为折射率的变化量Δg为增益系数的变化量α为线宽增加因子电流特性---电流对波长的调谐半导体激光二极管的的温度特性半导体激光器的输出特性输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系因为PN结受温度影响较大，所以，温度的微小变化将影响半导体激光器阈值特性、输出功率以及波长等特性。一，在同一温度条件下，当电流小于某一值时，功率接近零值；当电流超过该值时，功率随电流增长直线上升，这个值称之为LD的阈值；二，阈值电流随温度升高而增大，于是整个激光管的特性曲线基本上随温度的变化而平行移动；三，如果LD在恒定的电流下工作，当环境温度发生变化时，LD输出功率也随之变化。输出功率显著下降，即温度增大会使P-I特性发生劣化。半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性输出波长与激光二极管温度的关系温度特性---温度对波长的调谐产生调谐的主要原因：禁带宽度随温度升高变窄，半导体激光器的波长发生红移。典型的温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由温度变化引起的增益曲线的移动导致的纵模之间的跳变引起的。半导体激光器的方案设计通过以上分析，可以得出对半导体激光器驱动电源的要求如下：(1)能够对LD进行驱动；(2)能够对LD驱动电流进行稳恒控制；(3)能够对LD工作温度进行控制；半导体激光器的方案设计常用的半导体激光器的电流驱动的控制框图电流驱动部分：用户可以通过工作模式选择电路来确定驱动电路的工作方式，可以是ACC模式，也可以是APC模式。工作时，由设定电路设置驱动电流大小（ACC）或者设置激光器输出光功率的大小（APC）。当用户设置驱动电路工作在ACC模式时，采样电阻通过对输入LD的电流采样，然后反馈给比较控制器，从而形成电流负反馈回路；当用户设置驱动电路工作在APC模式时，PD（光电二极管）接收LD一小部分输出光功率，并转化成光功率检测电流，该电流通过电流—电压转换后，将光功率采样值反馈给比较控制电路，形成闭环负反馈控制回路。半导体激光器的方案设计常用的半导体激光器的温度控制框图温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集，送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积分微分控制(PIDController,Proportional-Integral-DifferentialController)处理后通过改变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。比较器温度采集控制电流半导体激光器控温系统的核心元件半导体制冷块半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为ThermoElectricCooler，简称TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。半导体制冷器具有如下优点：•结构简单，整个制冷器由电热堆和导线组成，无制冷工质，无磨损。寿命长，工作可靠性高，工作环境要求低。•制冷温度和冷却速度可以通过工作电流来控制，控制灵活、启动快。•工作具有可逆性，将工作电流反向，即成为加热器。•控制精度高，控制温度范围大，制冷速度快。（40°（一级）和60°（二级））•半导体制冷器从热负载抽运热量的速度取决于模块所含TEC的数量、通过的工作电流大小、模块的平均温度以及两端的温差。半导体激光器控温系统的核心元件珀耳帖(Peltier)效应当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。如果电流从自由电子数较高的一端A流向自由电子数较低的一端B，则B端的温度就会升高；反之，B端的温度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的。半导体激光器控温系统的核心元件半导体制冷块的安装以导热系数很高的铜为热沉，半导体激光器安放在热沉的一个面上。半导体制冷器置于散热片和铜热沉之间，通过改变热沉的温度去控制半导体激光器的温度。温度传感器在紧贴热沉安装的同时应尽可能的靠近激光管。为了散热片上的热量能迅速的释放，在散热片上加装强制风冷，以保证长时间稳定工作。为了最大限度地减小制冷器端面与散热片、制冷器与热沉端面的热阻，在保证它们的接触面平整的同时，在各端面上均匀涂敷导热硅脂。半导体激光器控温系统的核心元件温度传感器半导体激光器温度控制系统的控温过程是：比较器将采样温度和设置温度之间的差值作为输入变量，然后采用PID控制算法，对其计算产生相应的控制量。控制变量经由驱动电路，产生相应的电流输入TEC，对安装在TEC上的被控器件既半导体激光器进行加热或制冷，同时，其温度有被热敏电阻反馈到数据采样电路，从而改变输出电流大小，直到LD的温度稳定在设置温度。温度传感器依据自身材料的特点可以将温度信号转变为电信号，目前常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻和集成温度传感器。热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，它是电阻随温度变化的热敏器件，因此它又可以分为正温度系数热敏电阻(PTC，电阻值随温度的升高而增大)和负温度系数热敏电阻(NTC，电阻值随温度的升高而减小)，可测温范围-55oC-300oC。外腔式半导体激光器控制电路的设计——恒温控制结构设计温度控制模型外腔式半导体激光器控制电路的设计——恒温控制结构设计高精度转换放大电路模块该模块其主要功能是输出线性的电压：当温度为0℃时输出0V电压，温度为20℃时输出2V电压，即温度升高1℃对应的电压输出就升高0.1V。外腔式半导体激光器控制电路的设计——恒温控制结构设计基准设置电路模块要控制激光器的温度，必须要有一个设置基准温度的模块，这样才能使激光器稳定在基准温度上，它为比较转换电路提供基准电压，进而是PID模块作出准确判断的基础，如果基准本生有扰动，那么最后的温度必定也会存在扰动。外腔式半导体激光器控制电路的设计——恒温控制结构设计比较放大电路模块Verr=10(Vact-Vset)高精度转换电路的输出电压信号与设置模块的输出信号进入这个模块进行比较放大，以产生实际温度与设置温度之间的误差信号。外腔式半导体激光器控制电路的设计——恒温控制结构设计PID电路模块0()()()()tppiidddetVtnKetnKetdtnKdtPID模块如图3-9，是整个温度控制电路里非常核心的部分，也是相对比较复杂的，调试起来也比较困难。但其对于温度稳定度的提高是毋庸置疑的，目前基于PID控制理论的温度控制电路一般都可以达到0.01℃的温度稳定度。外腔式半导体激光器控制电路的设计——恒温控制结构设计TEC驱动电路模块由于PID的输出级的带负载能力有限，还不足以提供1A左右的电流、接近20W的功率来驱动TEC制冷片，所以需要通过互补推勉放大电路来驱动TEC制冷片。上图是一种克服交越失真的互补推勉电路。它是通过在两支三极管的发射极上加一定的直流偏置，使其工作在微导通状态来实现的HitachiHL7851G多量子阱激光二极管输出光波长：785nm最大输出光功率：50mw腔长：600微米波长的电流调谐率：0.004nm/mA波长的温度调谐率：0.05nm/°C增益介质GaAlAs标称参数：工作温度25°C时半导体激光器的空间模式可以分为空间模和纵模，空间模描述光强在空间几何位置上的的分布,也称为远场分布，纵模表示的是一种频谱,反映了半导体激光器发射光束在不同频率(波长)分量上的功率分布，这两种空间模式都有可能是单模或者是多个模式。半导体激光器发射方式有为面发射和边发射,我们平时所说的半导体激光器都是边发射激光器，边发射半导体激光器不是圆对称的波导结构,并且在垂直于结平面方向(横向)和平行于结平面方向(侧向)具有不同的波导结构，不同的波导结构对于光场就有不同的限制作用，所以,半导体激光器的空间模式又分为横模与侧模。如下图所示。半导体激光器的空间模（横模）半导体激光器的有源层厚度很薄,都能保证在单横模工作,而有源区宽度较大,在管芯的发光面上的侧向出现很多侧模,在近场，远场的侧向对应的光强分布如下图所示，这种多侧模的出现以及这些侧模的不稳定性,使半导体激光器的P一I曲线变坏，同时,这种多侧模的出现极大限制了半导体激光器在实际中的应用，这些多侧模的出现影响了半导体激光器发出的光与光纤的耦合效率,同时,这些侧模的不稳定性也影响光纤输出功率的稳定性。半导体激光器的空间模（横模）半导体激光器的光束准直系统有多侧模半导体激光器的近场和远场由于半导体激光器发光区域几何尺寸的不对称性,使其光波在远场上呈椭圆形分布,在实际应用中，需用通过光学系统对这种椭圆形的光斑进行准直,圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束,但是这些会损失一部分的光功率。如果将从半导体激光器发出的激光近似为高斯分布的点光源。可以用如图所示的准直光学系统。有多侧模半导体激光器的近场和远场半导体激光器的光束准直系统由于半导体激光器发光区域几何尺寸的不对称性,使其光波在远场上呈椭圆形分布,在实际应用中，需用通过光学系统对这种椭圆形的光斑进行准直,圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束,但是这些会损失一部分的光功率。如果将从半导体激光器发出的激光近似为高斯分布的点光源。可以用如图所示的准直光学系统。半导体激光器的光束准直系统由于半导体激光器发光区域几何尺寸的不对称性,使其光波在远场上呈椭圆形分布,在实际应用中，需用通过光学系统对这种椭圆形的光斑进行准直,圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光