半導體激光器有哪些？

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半導體激光器有哪些？

半導體激光器（Semiconductor Laser），也稱為激光二極管（Laser Diode），是使用半導體材料作為工作物質的激光器。根據不同的分類標準，可以將半導體激光器分為多種類型。

半導體激光器按照結構分類

同質結激光器：活性層和周圍區域由相同的半導體材料構成。

單異質結激光器 (SH) 和雙異質結激光器 (DH)：活性區被兩種不同帶隙的半導體材料包圍，以提高效率并降低閾值電流。雙異質結激光器在室溫時可實現連續工作。

量子阱激光器 (QW)：活性區內含有一個或多個超薄層，即量子阱，使得載流子能更有效地復合發光。

垂直腔表面發射激光器 (VCSEL)：激光束垂直于半導體表面發射，具有低閾值、單模輸出和圓形光斑等優點，適合用于數據通信等領域。

分布反饋激光器 (DFB)：內置周期性折射率變化，確保單一模式操作，廣泛應用于光纖傳感等領域。

分布布拉格反射激光器 (DBR)：利用外部布拉格反射鏡來選擇特定波長。

半導體激光器按照發射方式分類

邊發射激光器 (EEL)：激光束從側面發射出來，適用于遠距離通信和高功率應用。

面發射激光器 (SEL)：激光束平行于半導體表面發射，易于二維陣列集成，適用于短距離通信等。

半導體激光器按照調制方式分類

直接調制半導體激光器：通過改變注入電流直接控制激光輸出強度。

外調制半導體激光器：采用額外的調制器元件來調節激光輸出特性。

半導體激光器按照波長范圍分類

可見光激光器：如紅光、綠光、藍光激光器。

近紅外激光器：例如808nm, 980nm, 1064nm等常用波長。

中遠紅外激光器：適用于特定的傳感和醫療應用。

半導體激光器的閾值

半導體激光器的閾值是指激光器開始產生激光輸出所需的最小注入電流或載流子密度。當注入到有源區的電流達到某個臨界值時，粒子數反轉足以克服諧振腔內的總損耗，使得增益等于損耗，此時激光器開始持續發射激光。這個臨界點被稱為閾值條件。

半導體激光器閾值條件：

為了滿足閾值條件，必須確保：

粒子數反轉：在有源區內，激發態上的載流子（電子和空穴）數量超過基態上的數量，這是實現受激輻射的前提。

凈增益大于損耗：即增益介質提供的光放大倍數要大于整個諧振腔中所有形式的光學損耗之和，包括鏡面反射損耗、材料吸收損耗以及散射損耗等。

影響半導體激光器閾值的因素

有源區尺寸：較小的有源區體積通常意味著更低的閾值電流，因為更少的載流子就可以實現充分的粒子數反轉。

材料質量：高質量的晶體材料可以減少非輻射復合過程，從而降低閾值電流。

溫度：隨著溫度升高，閾值電流一般會增加，這是因為高溫下更多的載流子通過熱激發而非電注入進入導帶或價帶。

設計結構：如量子阱結構能夠有效地限制載流子和平面波導模式，有助于降低閾值。

折射率分布：優化的折射率分布可以幫助提高光限制因子Γ，進而降低閾值。

半導體激光器閾值測試方法

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下面為大家介紹半導體激光器性能參數閾值測試方法：

1.  光功率-電流特性（L-I曲線）測量

這是最常用的方法之一，通過逐步增加注入到激光二極管的電流，并記錄相應的輸出光功率（P），繪制出光功率與電流的關系曲線（L-I曲線）。在這個曲線上，可以觀察到一個轉折點，即當電流達到某一臨界值時，光功率開始急劇上升，這個臨界電流就是閾值電流。

測試步驟：

設置：使用恒流源為激光器供電，并連接光功率計或光電探測器來測量輸出光功率。

數據采集：從零開始逐漸增加注入電流，同時記錄每一步的輸出光功率，確保步長足夠小以捕捉到閾值附近的變化。

分析：根據獲得的數據繪制L-I曲線，在曲線上找到斜率明顯變化的點，該點對應的電流即為閾值電流。

2.  差分量子效率法

此方法基于計算不同電流水平下的差分量子效率（DQE），即單位時間內額外注入的電子數與由此產生的額外光子數之比。在閾值電流以下，DQE接近于零；一旦超過閾值電流，DQE會迅速增大。因此，可以通過監測DQE隨電流的變化來確定閾值電流。

測試步驟：

設定實驗條件：同樣需要恒流源和光功率計。

計算DQE：對于每個電流步長，計算ΔP/ΔI，其中ΔP是輸出光功率的變化量，ΔI是注入電流的變化量。

識別閾值：DQE顯著增大的起始點即為閾值電流。

3.  頻率響應法

這種方法適用于調制型半導體激光器。通過施加高頻調制信號給激光器，并觀察輸出光強度的響應情況。隨著調制頻率的提高，輸出光強度將經歷一個從線性到非線性的轉變過程。這個轉變點對應的就是閾值電流附近的區域。

測試步驟：

調制信號應用：使用函數發生器生成高頻正弦波作為調制信號，疊加在直流偏置電流上。

頻譜分析：利用光譜分析儀或其他適當的工具分析輸出光的頻譜特性。

確定閾值：尋找頻譜中非線性行為出現的位置，以此推斷閾值電流。

半導體激光器測試注意事項

溫度控制：溫度對閾值電流有顯著影響，因此在測試過程中應盡量保持環境溫度穩定，或者采取措施補償溫度變化帶來的誤差。

保護措施：為了避免損壞激光器，測試前務必查閱制造商提供的最大允許電流和其他安全參數。

重復性和精度：為了保證結果的可靠性和準確性，建議多次重復測試，并采用高精度的測量設備。

背景噪聲消除：確保測試環境中沒有過多的背景光源干擾，必要時可以在暗室中進行測試。

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