《激光器件》課件第11章

11.1異質(zhì)結(jié)激光器

11.2量子阱激光器

11.3其他結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器

從激光原理可知，激光器的工作原理是必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和閾值條件。

激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵(lì)源三部分。對半導(dǎo)體激光器來說，激光工作物質(zhì)是具有直接帶隙躍遷的Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度Eg決定的發(fā)射光波長λ為

(11-1)11.1.1異質(zhì)結(jié)的構(gòu)型和主要性質(zhì)

1.異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)

如圖11.1所示，圖(a)為同質(zhì)結(jié)，圖(b)為單異質(zhì)結(jié)，其中包括一個(gè)同質(zhì)結(jié)；圖(c)為雙異質(zhì)結(jié)，GaAs為有源層，GaAlAs為限制層。11.1異質(zhì)結(jié)激光器圖11.1同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)的構(gòu)成

2.異質(zhì)結(jié)的主要性質(zhì)

1)高注入比

注入比r是指PN結(jié)加正向偏壓時(shí)N區(qū)向P區(qū)注入的電子流密度JN與P區(qū)向N區(qū)注入的空穴流密度JP之比，即

(11-2)

2)超注入現(xiàn)象

如圖11.2所示是P-GaAs和N-GaAlAs異型異質(zhì)結(jié)正向偏壓較大時(shí)的能帶圖。圖11.2正向偏壓下異質(zhì)結(jié)的能帶圖由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，在穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)平衡情況下，窄帶和寬帶材料中的電子數(shù)密度N1和N2分別為

(11-3)

(11-4)

3)對載流子的限制作用

載流子的泄露與溫度密切相關(guān)，主要是有源區(qū)電子向P型限制層導(dǎo)帶的擴(kuò)散，有源區(qū)空穴向N型限制層的擴(kuò)散。從圖11.3所示N-GaAlAs/P-GaAs/P-GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)的能帶(圖(a))、折射率分布(圖(b))和光場分布(圖(c))，可以看出從N-GaAlAs限制層注入P-GaAs有源區(qū)的電子將受到P-P異質(zhì)結(jié)勢壘的限制，大大提高了注入電子的利用率，同時(shí)也將大大減小電子的熱運(yùn)動(dòng)彌散。圖11.3雙異質(zhì)結(jié)的能帶、折射率分布及光場分布

4)對光場的約束作用和布拉格衍射效應(yīng)

雙異質(zhì)結(jié)LD有源區(qū)和包層之間的相對折射率差可達(dá)5%左右，因而當(dāng)光波沿一方向射入光密介質(zhì)層并傳播時(shí)，將被限制在光密介質(zhì)層內(nèi)，這是由于光從光密媒質(zhì)入射時(shí)將發(fā)生全反射的原因。由于仍有一部分光會(huì)滲入包層之中，由此引入一個(gè)新的物理量——模場限制因子Γ，定義為

(11-5)如果把異質(zhì)結(jié)形成的折射率周期變化的概念擴(kuò)展成極薄的多層周期性結(jié)構(gòu)，則可以形成一個(gè)折射率周期性變化的光柵，如圖11.4所示，沿周期性結(jié)構(gòu)方向(z軸)傳播的光波將受到每一個(gè)異質(zhì)結(jié)界面的反射(或散射)。如果傳播的光波長λb與折射率變化周期Λ滿足布拉格條件，即

(11-6)圖11.4周期光柵用作波長選擇器

5)窗口效應(yīng)

兩種禁帶寬度Eg不同的材料組成異質(zhì)結(jié)后，從對入射光的光譜特性來看，寬帶隙半導(dǎo)體就成了窄帶隙半導(dǎo)體的“輸入窗口”。

如圖11.5所示的異質(zhì)結(jié)由帶隙分別為Eg1和Eg2的材料組成，且Eg1>Eg2。圖11.5異質(zhì)結(jié)對光吸收的窗口效應(yīng)11.1.2單異質(zhì)結(jié)激光器

單異質(zhì)結(jié)激光器在1969年研制成功。

1.單異質(zhì)結(jié)激光器的工作原理

如圖11.6(a)所示是正向偏壓下單異質(zhì)結(jié)激光器的工作原理。圖11.6單異質(zhì)結(jié)激光器的工作原理

2.閾值條件

室溫下單異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度Jth與有源區(qū)寬度d的關(guān)系如圖11.7所示，表明有源區(qū)寬度存在一個(gè)最佳值，當(dāng)d≈2μm時(shí)，Jth最低。實(shí)驗(yàn)表明，單異質(zhì)結(jié)激光器的閾值工作電流密度Jth與腔的損耗、腔長、腔鏡反射率及工作條件等因素有關(guān)，與同質(zhì)結(jié)激光器有相同的表達(dá)式

(11-7)圖11.8所示為單異質(zhì)結(jié)激光器的閾值工作電流密度Jth

與腔鏡反射率R的關(guān)系，圖中上、下兩條斜線分別對應(yīng)α=33cm-1、β=38×10-3cm·A-1和α=24cm-1、β=39×10-3cm·A-1。圖11.7閾值電流密度Jth與有源區(qū)寬度d的關(guān)系圖11.8閾值電流密度Jth與腔鏡反射率R的關(guān)系圖11.9閾值電流密度Jth與溫度T的關(guān)系11.1.3雙異質(zhì)結(jié)激光器

這種激光器為四層結(jié)構(gòu)，即N-GaAs襯底和三層外延生長層。在N-GaAs襯底上外延生長N-Ga1-xAlxAs層，其x取值范圍為0.1~0.5，在N-Ga1-xAlxAs層上外延生長P-GaAs層(也可以是N-GaAs)，在P-GaAs層上外延生長P-Ga1-xAlxAs層，如圖11.10所示，有源層夾在具有寬帶隙和低折射率的限制層之間，以便在垂直于結(jié)平面的方向上有效地限制載流子和光子。

雙異質(zhì)結(jié)激光器的工作原理如圖11.11(a)所示。圖11.10雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)圖11.11雙異質(zhì)結(jié)激光器的工作原理雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度Jth與有源層厚度d的關(guān)系如圖11.12所示，表明有源區(qū)寬度存在一個(gè)最佳值，當(dāng)d≈0.15μm時(shí)，Jth最低。當(dāng)d超過此值后，Jth隨d的增大而線性增加。圖11.12雙異質(zhì)結(jié)激光器閾值電流密度Jth與有源層厚度d的關(guān)系11.1.4條形結(jié)激光器

雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器成功地解決了在垂直于結(jié)平面方向?qū)d流子和光子的限制問題。這一類有源區(qū)具有限制機(jī)構(gòu)的激光器統(tǒng)稱為條形激光器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖11.13所示。圖11.13條形激光器的典型結(jié)構(gòu)11.2.1量子阱

在通常塊狀(常稱為體材料)有源層內(nèi)(厚度在0.1~0.15μm之間)，對于注入的載流子來說，其散射時(shí)間太短，宛如在無限大的晶體材料中，因此導(dǎo)帶和價(jià)帶仍是連續(xù)的，其態(tài)密度仍是如圖11.14(a)所示的拋物線。11.2量子阱激光器圖11.14體材料、量子阱中的電子能量與態(tài)密度的關(guān)系量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個(gè)寬帶隙勢壘薄層之間形成的，如圖11.15(a)所示為單量子阱能帶。

窄帶隙與寬帶隙超薄層交替生長就能構(gòu)成多量子阱(MQW)，如圖11.15(b)所示。

在MQW中，如果各阱之間的電子波函數(shù)發(fā)生一定程度的交疊或耦合，則這樣的MQW也就是超晶格，宛如晶體中原子周期性有序排列一樣。圖11.15量子阱結(jié)構(gòu)11.2.2量子阱激光器

隨著異質(zhì)結(jié)激光器的研究發(fā)展，人們自然會(huì)想起，如果將有源區(qū)做得十分薄，以至于能夠產(chǎn)生量子效應(yīng)，會(huì)有什么結(jié)果呢？由于量子阱中的電子在平行于異質(zhì)結(jié)平面內(nèi)是自由的，只是在垂直于異質(zhì)結(jié)方向受限而使能量量子化，故電子的總能量可表示為

(11-8)其中第一項(xiàng)為電子拋物線能量分布。第二項(xiàng)為量子化能量，它在阱底為零，輻射復(fù)合發(fā)生在導(dǎo)帶與價(jià)帶具有相同量子數(shù)n(n=0,1,2,…)的子帶之間(躍遷選擇定則)，如圖11.16

所示。圖11.16單量子阱的能帶結(jié)構(gòu)

相應(yīng)的光躍遷波長與塊狀材料由Eg決定，為

(11-9)式中Ecn、Evn分別為導(dǎo)帶、價(jià)帶的量子化子帶能級(jí)，并有

(11-10)為改善單量子阱激光器性能，辦法是采用如圖11.17所示的分別限制單量子阱(SCH-SQW)結(jié)構(gòu)或采取圖11.15(b)所示的多量子阱結(jié)構(gòu)。采用多個(gè)量子阱組成有源層時(shí)光限制因子明顯提高。圖11.17(a)為漏斗型，圖11.17(b)為階梯型。圖11.17分別限制單量子阱結(jié)構(gòu)單量子阱激光器的結(jié)構(gòu)基本上就是把普通雙異質(zhì)激光器的有源層厚度做成數(shù)十納米的激光器。典型結(jié)構(gòu)參數(shù)：腔長為120μm，有源區(qū)厚度為20nm，閾值電流為0.55mA。多

量子阱(MQW)激光器結(jié)構(gòu)如圖11.18所示。圖11.18多量子阱激光器結(jié)構(gòu)11.2.3應(yīng)變量子阱激光器

在異質(zhì)結(jié)和量子阱激光器研究初期，人們都是以尋求晶格常數(shù)匹配的材料及完善工藝為目標(biāo)，這樣才能減少晶格失配引起的應(yīng)變和位錯(cuò)，減少表面態(tài)密度(復(fù)合中心)。引入適當(dāng)?shù)膽?yīng)變將會(huì)改變材料的重要性質(zhì)，如晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、垂直輸運(yùn)的有效質(zhì)量和態(tài)密度等。以InxGa1-xAs/InP為例，在一定的臨界厚度下，在不同應(yīng)變狀態(tài)下，在K空間的能帶結(jié)構(gòu)如圖11.19所示。圖11.19在不同應(yīng)變下應(yīng)變量子阱K空間的能帶結(jié)構(gòu)由圖11.19還可以看出，應(yīng)變的類型與應(yīng)變量的大小都可以調(diào)節(jié)帶隙的大小，從而可以調(diào)節(jié)激射波長。例如用來泵浦摻鉺光纖放大器的波長為980nm的半導(dǎo)體激光器就是依靠應(yīng)變量子阱來實(shí)現(xiàn)的。利用張應(yīng)變情況下TE模與TM模的對稱性的改善，為實(shí)現(xiàn)與偏振無關(guān)的半導(dǎo)體光放大器提供了良好的技術(shù)保證。在實(shí)空間沿生長方向z的能帶結(jié)構(gòu)如圖11.20所示。圖(a)為壓應(yīng)變量子阱圖，圖(b)為無應(yīng)變量子阱圖，圖(c)為張應(yīng)變量子阱情況。圖11.20在不同應(yīng)變下應(yīng)變量子阱在實(shí)空間的能帶結(jié)構(gòu)11.3.1分布反饋和分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器

普通結(jié)構(gòu)的F-P腔半導(dǎo)體激光器，能夠在直流狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)單縱模工作，但在高速調(diào)制狀態(tài)下會(huì)發(fā)生光譜展寬。11.3其他結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器分布布拉格反射(DistributedBraggReflector,DBR)半導(dǎo)體激光器，都是由內(nèi)含布拉格光柵來實(shí)現(xiàn)光的反饋的。此處的分布還有一個(gè)含義，是與利用兩個(gè)端面對光進(jìn)行集中反饋的

F-P腔半導(dǎo)體激光器相比而言的。如圖11.21所示為DFB-LD的結(jié)構(gòu)示意圖，即折射率耦合型；圖11.22所示為DBR-LD結(jié)構(gòu)示意圖，即增益耦合型。圖11.21DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖圖11.22DBR-LD結(jié)構(gòu)示意圖11.3.2垂直腔表面發(fā)射激光器

相對于一般的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器而言，光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器是另一種基本結(jié)構(gòu)。與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比，VCSEL具有一系列很明顯的特點(diǎn)，能夠滿足并行光通信、大容量光存貯、光計(jì)算與光互聯(lián)等信息技術(shù)的