第三章-半导体激光二极管和激光器组件(2).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,半导体激光二极管的应用和分类,3.1,半导体激光二极管的应用,1,激光器被视为,20,世纪的,三大发明,（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光二极管（,LD,）倍受重视，最具实用价值的半导体,LD,是,PN,结电流注入的,LD,在经历了,降低阈值电流、横模控制、纵模控制和波长控制阶段,之后，现在正向高速化、大功率化、二维和三维,集成化,方向以及,超长波长和可见光,两个波段延伸2,和其他激光器相比，半导体,LD,因具有体积,小,、重量轻、低功率（低电压、小电流）驱动、高效率输出、调制方便（可直接调制）、寿命长和易于,集成,等一系列优点而得广泛应用，表,3,1,列出半导体,LD,的部分应用，光纤通信是这些应用中最重要的部分3,半导体,LD,在光纤通信中的应用主要包括：,各种数据、图像等传输系统的发射光源；,光纤,CATV,系统的光源；,掺铒光纤放大器（,EDFA,）和拉曼光纤放大器（,RFA,）的,泵浦源,；,未来全光通信网络诸如全光波长转换器、光交换、光路由、光转发等关键设备的光源4,半导体激光二极管的分类,：,半导体的分类方法很多，有按结构分类，也有按波导机制分类，还有按（,LD,）的性能参数分类和按波长分类。

在按,结构分类,中，可将,LD,分为法布里珀罗（,F,P,）型 、分布反馈（,DFB,）和分布反射器（,DBR,）,LD,、量子阱（,QW,）,LD,和垂直腔面发射激光器（,VCSEL,）；在按,波导机制,分类中，可分为,增益导引 和折射率导引,LD,；,5,在按,LD,性能参数分类中,，可分为低阈值,LD,、高特征温度（,T,0,）,LD,、超高速,LD,、大功率,LD,、动态单模,LD,等；在按,波长分类中,，可分为可见光、短波长,LD,、长波长,LD,和超长波长,LD,（包括中、远红外波段）在诸多分类法中，最基本的是结构分类6,3,2,法布里珀罗型激光二极管,3,2,1,组成,法布里珀罗（,F,P,）型激光二极管（,LD,）是最常见和最普通的,LD,，这种由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个,解理面,构成光纤通信用的,F,P,型,LD,通常为双异质结（,DH,）,LD,，有源层可以是,N,型，也可以是,P,型7,当,DH,结构,LD,施加,正向,偏置时，则电子从,N,型限制层，空穴从,P,型限制层注入到有源层由于带隙差产生的异质结势垒的存在，注入到有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，因此容易实现,粒子数反转,，即使只有很小电流流过，薄有源层中的电子和空穴浓度也会很高。

而且激光振荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度，所以有源层,愈薄,时，用很小的电流就可获得很大的增益8,另一方面，窄带隙有源层的,折射率,比限制层的折射率大，光向折射率大的区域集中，所以光也被限制在有源层中当有源层中形成反转分布的电子从导带跃迁到价带（或杂质能级），与空穴,复合,释放出光子，这些光子在由两个解理面形成的谐振腔中往复反射传播不断加强而获得光增益，当光,增益,大于谐振腔的损耗时，便有激光向外射出，如图,3,1,所示9,10,3,2,2,基本工作原理,要实现半导体,F,P,型,LD,激射工作，必须满足,四个,基本条件：要有能实现电子和光场相互作用的工作物质；要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）；要有一个,F,P,谐振腔；要满足振荡条件11,1,光的自发发射、受激吸收和受激发射,12,振荡条件,:,当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗时，经过谐振腔的,选频,作用特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，射出的光便是激光（相干光）,13,3.2.3 LD,的模式及模式控制,LD,的模式是指能够在激光谐振腔内存在的稳定的光波的基本形式在激光振荡时，光波在谐振腔内形成三种类型的驻波，即在两个异质结间形成的驻波、平行于有源层方向上形成的驻波和两个反射面间形成的驻波，如图,3-4,所示。

14,15,两个反射面间形成的驻波称为纵模，其他两个驻波称为横模，垂直于有源层方向的横模称为,垂直横模,，平行于有源层方向的横模称为,水平横模,（侧向模式）一般应用都要求,LD,在基横模,单纵模,下工作，所以必须进行模式控制16,1.,垂直横模的控制,对于对称的三层平面波导的,LD,，有源层的折射率为 ，两个限制层的折射率分别为 和 ，且两个限制层的带隙分别为 和 ，由于是对称的结构，故 ，,垂直横模 的有源层厚度（）的截止条件为：,17,式中 是峰值波长，对于,来说，有源层折射率,，限制层折射率,，若取波长 ，则产生基横模 的有源层厚度的条件是,18,2.,水平横模的控制,水平横模（,S,）的数目取决于,LD,的条宽（,W,），以增益波导,LD,为例，水平横模,S,可表示为：,式中，为有源区因增益波导而产生的有效折射率当 时，,可以算出,19,由此可见，实现基横模工作的半导体激光器的关键是控制有源层厚度和激光器的条宽最常用的,基横模,工作的半导体激光器结构有隐埋异质结,(BH),、平面隐埋异质结（,PBH,）、双沟平面隐埋异质结（,DC-PBH,）和脊形波导（,RW,）等结构，图,3-5,分别示出各种激光二极管的结构图。

以这些结构为基础，将有源层改为量子阱结构或者在有源层刻制,Bragg,光栅，便成为一系列新型激光二极管，可以极大改善激光二极管的性能20,3.,纵模控制,在基横模条件下，纵向,模式决定了光谱分布：,式中，,是,LD,的腔长，由（,3-5,）式可知，,LD,的辐射谱是一个多线状的光谱，其模间的波长差 为：,（,3-6,）,21,在阈值电流附近可看到很多纵模但如果输出功率较大时，则几乎只存在单纵模，这说明纵模受到横模的强烈影响这种,LD,在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用十分不利为了维持单模，减小光谱展宽，必须研究动态单模激光器22,目前有可能实现动态单模的有短腔激光器、耦合腔激光器、,外腔激光器,、长腔激光器、注入锁定激光器和分布反馈激光器 反射器激光器，其中分布反馈激光器及分布,Bragg,反射器激光器是光纤通信最有前途的实用化器件23,3,3,分布反馈激光二极管和,分布,Bragg,反射器激光二极管,3,3,1,分布反馈激光二极管,分布反馈激光二极管型（,DFB LD,）和,F-P,型激光二极管 的主要区别在于它没有,集总反射,的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的,Bragg,光栅提供的，这种反射机构是一种分布式的反馈机构，因而得名分布反馈激光二极管。

24,正因为这一非集总式的反馈机构，使得它的性能远远超过普通,F-P LD,，特别是,Bragg,光栅的选频功能使得它具有非常好的单色性和方向性此外，正因为它没有使用晶体解理面作为反射镜，使得它更容易集成化，在光电子集成电路,(OEIC),中有着十分诱人的优点25,DFB LD,的结构和基本工作原理图,3-6,是,DFB-LD,的示意结构，在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状，波纹的周期为,，只要用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转则介质就具备增益条件如果波纹的深度满足一定要求，则在两端就可得到激光输出26,27,所发射的激光波长满足：,（,3-7,）,28,这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振腔的作用，它所发射的激光的波长，完全由光栅的周期来决定所以，有可能通过改变,光栅的周期来调整发射波长,，甚至可以使在自发发射的长波边或短波边附近激射这一点,F-P,型,LD,是不可能做到的，,F-P,型,LD,的发射波长只能位于自发发射的中心频率附近由此可见相比，,DFB LD,和,F-P,型,LD,相比，其发射频率的选择范围很宽，可以在自发发射频率范围内自由地选择发射波长。

29,对,DFB LD,来说，只有一个横模所对应的,Bragg,波长才能落入自发发射光谱内因此，,DFB LD,具有很好的,横模选择性能,，容易实现单横模工作除此之外，,DFB LD,的输出是,完全偏振的,TE,波,，而,F-P,型,LD,却输出不完全偏振的,TE,波，因此，,DFB-LD,具有比,F-P,型,LD,更好的偏振特性，故它的谱线宽度非常的窄目前,DFB LD,已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器，特别是在,1.3,微米和,1.55,微米光纤通信系统中在光纤有线电视（,CATV,）传输系统中，,DFB LD,已成为不可替代的光源30,31,通过制作不同光栅周期的,DFB LD,并通过一个光波导耦合便可输出多具不同波长的光,（如图,3-7,所示），这样的多频道集成化的激光器在多频道高速数据传输中特别有用此外，还可利用这种激光器来实现混频32,33,34,分布,Bragg,反射器（,DBR,）激光二极管,尽管,DFB LD,有很多优点，但并非尽善尽美，例如，为了制作光栅，,DFB LD,需要复杂的二次外延生长工艺，在制作出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使,LD,的内量子效率降低。

35,图,3-8,示出,DBR LD,的示意结构，它和,DFB LD,的差别在于它的周期性沟槽不在有源波导层表面上，而是在,有源层波导两外侧的无源波导上,，这两个无源的周期波纹波导充当,Bragg,反射镜作用，在自发发射光谱中，只有在,Bragg,频率附近的光波才能提供有效的反馈由于有源波导的增益特性和无源周期波导的反射，使只有在,Bragg,频率附近的光波能满足振荡条件，从而发射出激光36,37,在未来的通信和,CATV,共纤传输的波分复用（,WDM,）系统中，,DBRLD,倍受青睐，因为具有,DBRLD,出色的宽带波长可调特性38,3,3,3,光纤通信系统,对,DFB LD,和,DBR LD,的要求,随着大容量长距传输的,DWDM,系统或城域网接入网的大量采用，对,DFB LD,和,DBR LD,提出更高要求，这些要求是窄线宽、低啁啾、可调谐、波长可选择和集成光源尽管商用,DFB,或,DBR LD,的谱线宽度已达到,50MHz,以下，但在高速直接调制时，器件仍存在内在的频率啁啾，使激光谱线展宽39,通过器件设计、材料生长、制备工艺等措施来实现具有低啁啾的,DFB,或,DBR LD,。

为了克服,DFB,或,DBR LD,直接调制时存在的弱点，也可采用外调制技术，最适合于,DFB,或,DBR LD,的外调制器是电吸收半导体调制器（,EAM,）由于,LD,和电吸收调制器同属一种,InP,材料，能够用光子集成技术，把,DFB,或,DBR,和电吸收调制器单片地集成在一起，称之为电吸收调制激光器40,单片集成光源是包括,DFB,和,DBR,激光二极管在内的所有半导体激光光源的发展方向，它不仅保留,DFB,或,DBR,激光器工作稳定的优点，而且避免与其他器件如光波分复用器、,EA,调制器、光放大器等单元的输出,/,输入光纤的,损耗,，同时还减少各种单元器件的,封装,环节，降低器件的价格目前，不仅可实现数十个单元,DFB,激光器的单片集成，而且还可实现多个信道,DFB,激光器和,EA,调制器和,/,或放大器等单元器件的单片集成41,因半导体材料固有特性受环境温度的变化或者器件自身的老化等因素，都会使,DFB,或,DBR,激光器及其集成光源的激光工作频率（或工作波长）随之漂移，由此引发出,WDM,应用中光源频率（或波长）的长期稳定性问题42,为解决光源频率（或波长）的稳定问题，可以两个方面入手：一是优化器件设计、改进制备工艺，提高器件的可靠性；二是通过封装技术来确保光源工作频率的稳定性，常用的办法是采用帕尔帖制冷器来自动控制稳定光源热沉的温度或者采用。