（光学工程专业论文）基于耦合腔结构的双波长半导体激光器研究.pdf

摘要 本文中我们提出了一种新型四分之一波长耦合腔双波长半导体激光器结构并利用朗 之万噪声( l a n g e v i n n o i s e ) 驱动的速率方程方法分析了此类激光器中的模式竞争问题。这种 双波长激光器由两个耦合的有源腔和用作模式选择的滤波器单片集成，具有结构简单、制 作方便的优点，并且可以实现作为“双峰”的两个光学模式的同时激射，这两个模式的激 射阈值相同、频率差值可以通过注入两个有源腔中的电流大小调节，其在光载微波系统可 调谐毫米波产生方面有极大的应用潜力。我们通过传输矩阵方法( t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ， t m m ) 首次推导出双峰的频谱位置和阈值增益的解析表达式。为了模拟这两个激射光波模 式的竞争效应，我们建立了一个数值模型用以计算包含空间烧孔效应在内的饱和系数和抑 制系数，这两个系数比速率方程中常规使用的非线性增益系数具有更深刻的物理内涵。我 们计算了两个有源腔在各种泵浦电流水平下的饱和系数和抑制系数并研究了l a n g e v i n 噪 声源对于双模稳定性的影响。我们还展示了这两个竞争模式的阈值增益差可以通过一个单 片集成的滤波器上的电反馈信号来动态的微调以实现稳定的双模同时激射。本文还研究了 这种耦合腔半导体激光器的实验制作，提出了完整的制作工艺流程，并研究了深刻蚀槽的 保护方案以及低i c p 功率的脊形波导刻蚀工艺等。对制成样品进行了初步的测试工作，证 实了这种基于耦合腔结构的双波长半导体激光器的实际可行性。 关键词：四分之一波长耦合腔，双波长半导体激光器，传输矩阵方法，朗之万噪声源，噪 声驱动速率方程，深刻蚀槽 i v a b s t r a c t i nt h et h e s i sw ep r o p o s ean o v e lq u a r t e r - w a v ec o u p l e d c a v i t yd u a l w a v e l e n g t hs e m i c o n d u c t o r 1 a s e rs t r u c t u r ea n dt h em o d e c o m p e t i t i o np r o b l e mi ns u c hl a s e ri sa n a l y z e du s i n gl a n g e v i n n o i s e d r i v e nr a t ee q u a t i o n s t h ed u a l w a v e l e n g t hl a s e rc o n s i s t so ft w oc o u p l e da c t i v ec a v i t i e s w i t hm o n o l i t h i c a l l yi n t e g r a t e dm o d e s e l e c t i o nf i l t e r s i th a st h ea d v a n t a g e so fc o m p a c t n e s s s i m p l ef a b r i c a t i o na n dc a na c h i e v es i m u l t a n e o u se m i s s i o no ft w oo p t i c a lm o d e sa sad o u b l e t w i t ht h es a m et h r e s h o l dw h i l et h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c eo ft h et w ol a s i n gw a v e l e n g t h sc a nb e t u n e db yt h ei n i e c t i o nc u r r e n t si nt h et w oc a v i t i e s i ti ss h o w nt h a tt h ed u a l w a v e l e n g t h s e m i c o n d u c t o r1 a s e rh a sg r e a tp o t e n t i a lf o rt u n a b l em i l l i m e t e rw a v eg e n e r a t i o ni n r a d i o o v e r - f i b e rs y s t e m s t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n sf o rt h es p e c t r a lp o s i t i o n so ft h ed o u b l e ta n d t h et h r e s h o l dg a i na r ed e r i v e df o rt h ef i r s tt i m eu s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ( t m m ) t o s i m u l a t et h ec o m p e t i t i o np r o c e s sb e t w e e nt w oe m i t t i n go p t i c a lm o d e s an u m e r i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e dw i t he n h a n c e dp h y s i c a li n s i g h t ( i n v o l v i n gs p a t i a lh o l eb u r n i n ge f f e c t ) u s i n ga s a t u r a t i o nc o e 伍c i e n ta n das u p p r e s s i o nc o e 街c i e n ti n s t e a do ft h em o r ec o m m o n l yu s e d n o n l i n e a rg a i nc o e f f i c i e n t t h es a t u r a t i o na n ds u p p r e s s i o nc o e 伍c i e n t sa r ec a l c u l a t e df o r v a r i o u sp u m p i n gl e v e lr a t i o sb e t w e e nt h et w oa c t i v ec a v i t i e sa n dt h ei n f l u e n c eo ft h el a n g e v i n n o i s es o u r c e si ss t u d i e do nt h ed u a l m o d es t a b i l i t y w es h o wt h a tt h et h r e s h o l dg a i nd i f f e r e n c e o ft h et w oc o m p e t i n gm o d e sc a nb ef i n e t u n e dd y n a m i c a l l yb a s e do na l le l e c t r i c a lf e e d b a c k s i g n a lu s i n gam o n o l i t h i c a l l yi n t e g r a t e df i l t e r t oa c h i e v es t a b l es i m u l t a n e o u sd u a l - m o d e e m i s s i o n t h ef a b r i c a t i o no fs u c hc o u p l e d c a v i t y1 a s e ri ss t u d i e da n dac o m p l e t ef a b r i c a t i o n p r o c e s sf l o wi sp r o p o s e d t e c h n i q u e ss u c ha sp r o t e c t i o no ft h ed e e p e t c h e dt r e n c ha n dt h e f o r m a t i o no fr i d g e w a v e g u i d ew i t hl o w i c pp o w e ra r ea l s os t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lt e s tt oo u r f a b r i c a t e d s a m p l ei s a l s op e r f o r m e d ，w h i c hc o n f i r m st h e p r a c t i c a lf e a s i b i l i t y o ft h e d u a l w a v e l e n g t hs e m i c o n d u c t o rl a s e rb a s e do nt h ec o u p l e d - c a v i t ys t r u c t u r e k e yw o r d s ：q u a r t e r - w a v ec o u p l e d - c a v i t y , d u a l w a v e l e n g t hs e m i c o n d u c t o rl a s e r , t r a n s f e rm a t r i x m e t h o d ，l a n g e v i nn o i s es o u r c e ，n o i s e d r i v e nr a t ee q u a t i o n s ，d e e p e t c h e d 订e n c h v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他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谢意。 学位论文作者签名：函岔f c 丑 签字日期：2 口口年3 月心e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎望盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：南震弘 导师签名： 厶辨 签字日期：们f 口年3 月lse l签字日期：桫p 年3 月灯日 致谢 值此论文完成之际，我谨在此向多年来给予我关心和帮助的老师、同学、朋友和家人 表示衷心的感谢! 感谢我的指导老师何建军教授，本论文是在何老师的悉心指导下完成的。何老师渊博 的学识、扎实的理论功底、敏锐的学术洞察力以及严谨的治学态度都给我留下了深刻的印 象，为我今后的学习和工作树立了榜样，对我潜移默化的熏陶也将使我受益终身。 感谢王磊师兄在理论和实验上给予的宝贵建议和帮助，还有金嘉亮、虞婷婷和周成瑶 在实验上提供的帮助和支持。 感谢李明宇博士和刘德坤师兄对实验室基础建设的积极贡献，还要感谢共同构筑良好 和谐的学习科研环境的集成光电子研究中心所有成员以及一直在身旁支持我的张璇。 感谢母校浙江大学，六年求是学风的熏陶不仅让我学会了怎样做学问，更教会了我怎 样做人。 最后在这里由衷的感谢给予我温暖和关怀的家人和朋友，你们热切的期望和默默无闻 的支持是我求学进步的巨大动力。 谨将本文献给辛勤栽培我的父母! i i i 高震阳 2 0 0 9 年1 2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 半导体激光器的发展 1 1 1 半导体激光器历史回顾 激光器的出现可以追溯到1 9 5 8 年s c h a w l o w 和t o w n e s 关于微波激射器 m a s e r ( m i c r o w a v ea m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ) 技术在红外等光学频段 扩展讨论的学术论文【1 】。之后在1 9 6 0 年研究者们成功的制造了红宝石固体激光器和氦氖 气体激光器【2 ，3 】。关于在半导体材料中受激辐射的可行性也在这一时期有所考虑，1 9 6 2 年很多研究小组报道了在半导体中发现的激射行为 4 - 7 】。当时的器件结构为g a a s 材料 上一个正向偏置的p - n 结 4 - 6 】，p n 结耗尽区内电子与空穴的复合为半导体激光器提供了 光学增益，而两端垂直于p - n 结平面的解理面间形成的光学谐振腔则提供了光学反馈，这 是任何激光器中必备的两个要素。很快，其它直接带隙半导体材料如 i n h s ，i n p ，g a a s p ，g a l n p 以及i n p a s 等的p n 结也被用于获得不同波长的半导体激光器。然 而，这些早期器件的阈值电流密度都比较大( j m 5 0 k a c m 2 ) ，这限制了它们在室温下连续 工作的实用性。 早在1 9 6 3 年就有人提出如果一层半导体材料被夹在比这层材料带隙宽度更宽的两层 半导体材料包层之间，那么半导体激光器的性能将会得到改善 8 】。这种器件就是所谓的 异质结半导体激光器，它与前面所讲的同质结半导体激光器的区别在于它包含了两种不同 禁带宽度的半导体材料。异质结半导体激光器又可以分为单异质结和双异质结两类，这取 决于激光产生的有源区域的一侧还是两侧有更宽带隙材料的包层。异质结的使用需要这两 种半导体材料的晶格常数相匹配，直到1 9 6 9 年才出现了利用液相外延技术生长的能在室 温下工作的a i g a a s g a a s 异质结激光器，然而这些激光器只能工作在脉冲方式 9 - 1 1 】， 更多的研究促成1 9 7 0 年出现了能在室温下连续工作的异质结半导体激光器【1 2 ，13 】。 1 9 6 9 年报道的g a a s 双异质结半导体激光器在室温下工作的阈值电流密度约为 5 k a c m 2 【1 1 】。1 9 7 0 年半导体激光器的阈值电流密度可以减小为约1 6 k a c m 2 1 2 】，而到 1 9 7 5 年，利用很薄有源层( 约o 1 p a n 厚) 的a i g a a s 激光器其阈值电流可以减小到约 0 5 k a c m 2 【1 4 】。这比1 9 6 2 年制造的简单同质结半导体激光器的阈值电流密度减小了约两 1 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 个数量级，使得半导体激光器走出了实验室，成为有诸多用途的简便相干光源。 通过使用异质结构来减小半导体激光器阈值电流密度的物理原理包含两个方面【8 】： 一方面，有源区两侧的包层材料有更宽的带隙，这种带隙宽度的差别可以把电子和空穴更 好的限制在有源区内，以使它们复合产生光学增益；另一方面，有源区两侧包层材料的折 射率相对于有源层来说更低，这种折射率的差别可以把光学模式更好的限制在有源区附 近，起到了电介质平板波导的作用。半导体激光器横向上的折射率差对光学模式的限制作 用可以极大地降低激光器的内部损耗。 前面所讲的双异质结半导体激光器结构通常被称为宽面激光器，它们没有包含任何激 光器侧向上( 平行于p - n 结平面) 对注入电流和内部光学模式的限制机制。早在1 9 6 7 年 就有人提出了条形同质结激光器，它可以限制注入有源层的载流子在激光器侧向上的扩散 【15 】。在这些激光器中，电流通过一个条形接触区域注入。在1 9 7 1 年异质结激光器中也 采用了条形结构用来提供电流限制 1 6 】。这类激光器也称为增益导引型激光器，因为是激 光器侧向上的增益变化把其中的光学模式限制在条形区域附近【17 】。与此相应地，如果激 光器侧向上的光学模式限制是由于折射率的变化引起的，那么就称为折射率导引型激光 器。在2 0 世纪7 0 年代人们提出了大量折射率导引型激光器结构，如现在常用的脊形结构 和掩埋异质结结构，可以参考一些书籍中对它们各自价值的讨论【18 - 2 0 】。 随着汽相外延和分子束外延等生长技术的进步，人们发展出了多量子阱结构半导体激 光器 2 1 】。这些器件中的有源区不再是单层g a a s ，而是由一些g a a s 和a 1 g a a s 材料的超 薄层( 约0 0 1 肛n 厚) 交替生长所组成。半导体激光器中量子阱结构的成功实现，催生了 许多性能优良的新器件，包括各类量子阱激光器，垂直腔面发射激光器及高功率激光器阵 列等。量子阱激光器具有极低的阈值电流和很好的单频特性，并具有很高的调制速率，如 采用多量子阱结构则能实现更大的输出功率。 目前为止我们讨论的主要是工作波长在0 8 0 9 9 m 之间的g a a s 半导体激光器，而 1 1 1 6 9 m 工作波长范围内的长波长半导体激光器在光纤通信领域里则获得了极大的关注 【2 2 】，这是因为1 3 1 9 m 和1 5 5 1 a m 是光纤中光传输的两个重要低损耗窗口。基于半导体材 料晶格匹配方面的考虑，目前一般采用i n g a a s p i n p 材料系统，有源层由i n l 。g a x a s y p l v 四元化合物组成。通过各种组分的不同摩尔分数比，可以选择几乎覆盖1 1 1 6 9 m 范围的 不同工作波长。如今i n p 基半导体激光器在长距离光纤通信系统中的商业应用已经比较成 熟。 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 2 半导体激光器和其他类型激光器的比较 如同其他类型的激光器一样，半导体激光器的组成结构也是将某种材料光增益介质置 于某个光学谐振腔中，增益介质和谐振腔的良好设计是现代激光器制作中的关键要素。增 益介质通常是由能够吸收特定波长范围内入射光辐射的材料组成，而通过电的或光的能量 注入来泵浦该增益介质( 同时它也是吸收介质) ，则材料中的电子可以被激发到更高的能 级上从而形成粒子数反转，再通过激发这些电子产生受激辐射，就可以对入射光辐射实现 放大。当激光器产生的增益足以克服光学谐振腔中谐振模式的损耗，则称这一模式达到了 激射阈值，可以发射出相干光即激光。其中光学谐振腔的端面反射为辐射的放大提供必要 的正反馈，由此可以建立激射振荡并将其保持在高于阈值的水平。和其它任何一种振荡器 一样，其输出功率的饱和值等于其输入功率减去其内部损耗。 半导体激光器不同于其它类型激光器的一个主要方面是可以用电流直接泵浦。通常这 将导致更高的功率转换效率，半导体激光器总的功率转换效率普遍达到约5 0 。而分别由 等离子体激发或者非相干光源泵浦的气体和固体激光器的效率一般只在1 的量级，不过 c 0 2 气体激光器的效率通常高于1 0 。 半导体激光器与其它类型激光器的另一个显著区别是其净尺寸小，气体和固体激光器 的长度通常为几十厘米，而半导体激光器芯片通常只有几百微米，不过其硬件的封装还是 将元件的尺寸增加到厘米数量级。气体和固体激光器由于腔体较长且增益带宽较窄，故一 般比简单的半导体激光器具有更为相干的输出光。然而，更为复杂的单频半导体激光器如 分布反馈式激光器和分布布拉格反射式激光器的线宽可以与其相比。 半导体激光器还具有更高的可靠性和更长的使用寿命，正因为如此，半导体激光器才 被广泛应用于许多重要的领域，如光纤通信系统。气体和固体激光器的使用寿命通常为几 千小时，而合格的半导体激光器的使用寿命则可高达几百年。 与其他种类的激光器相比，半导体激光器除了具有体积小、重量轻，能量转换效率高、 低功耗等优点外，半导体激光器的制造工艺还与半导体电子器件和集成电路的制造工艺兼 容，因此便于与其他器件实现单片光电子集成。不夸张地说，目前半导体激光器在光电子 技术领域中的地位、应用和发展趋势，已经起着其他激光器不可替代的作用，因而半导体 激光器成为了激光器中的佼佼者而备受关注【2 3 】。 浙江大学硕学位论文 绪论 1 i3 半导体激光器的应用简述 随着产品可靠性和器件制造工艺的提高，半导体教光器如今已经成为了重要的光电子 器件而应用于很多领域，不仅在消费产品如d v d 光盘播放器中的读写头，而且在数据通 信网和电信网如光纤通信系统中的光发射机等诸多应用都离不开半导体激光器。虽然基于 g a a s 的短渡长( 约o7 - 09 9 m ) 激光器和基于l n p 的长波长( 约1 3 16 岬1 ) 激光器仍然能 够满足大多效应用的需要，但是对于波长是短的可见光范围，以及波长更长的红外光范围， 人们的关注程度都在不断提高，并且已经开发出各种相应的实用光琢，如蓝光l e d 等。 半导体激光器在军事和生命科学等其它许多重要领域也有着广泛的应用。总之，半导体激 光器的问世使信息光电子技术产生了里程碑式的飞跃，其近五十年的发展历程取得了举世 瞩目的成就，各项性能都有很大提高，应用领域也日益扩大。随着科技的进步，半导体墩 光器的研究将向更加纵深的方向推进，出现更多的创新。另外随着半导体制造工艺的改进， 各种单片光电子集成器件也将日益完善，满足更多的应用需求。 1 2 半导体中的自发辐射与受激跃迁 在气体和固体激光器中，气体或匿体的原子能级像孤立原子的原始能级一样清晰。而 在共价键固体如用于制造半导体激光器的i i i v 族半导体材料中，单原子最高能级展宽成 能级带。根据能带的概念我们可以分析半导体中可能存在的各种电子跃迁及其与光波的各 种可能相互作用。考虑四种基本的电子复合产生( 光子发射吸收) 机制：电子自发复 合( 光子自发辐射) ；电子受激产生( 光子受擞吸收) ； 电子受教复合( 光予受敢辐射) ； 电子非辐射复合第一种过程代表导带中的一个电子与价带中的一个空穴自发复合而产 生一个光手。因为这种情况下发射时间和方向都是随机的，因此如果这种辐射方式占据主 导地位，将导致光子非相干发射，这就是发光二极菅( l e d ) 的主要机制，在该器件中没有 引入光子的正反馈。第二种过程描述了光子的吸收，通过外界光于的激励在导带中产生一 个电子而在价带中留下一个空穴。第三种过程与第二种过程类似，只是相互作用的方向不 同，这时一个入射光于扰动系统，激励一个电子一空穴对复合，同时产生了一个新的光子。 这正是激光器中最主要的增益机制。实际上，光子受激发射和受激吸收的综合就代表入射 辐射光场所经历的净增益 由于电子自发复合需要电子一空穴对的存在，因此其复合速率一般正比于电子密度与 浙江大学硕士学位论文1 绪论 空穴密度的乘积n p 。而在无掺杂的有源区内，由于电中性要求空穴密度与电子密度相等， 这样自发复合速率就正比于n 2 ，这种复合也称为双分子复合。 由于净受激复合( 净光子受激辐射) 依赖于外界光子的存在，并需要一定程度的基础 电子密度来克服光子的吸收，因此，净受激复合速率正比于光子密度s 乘以( n - n 打) ，其中 n 仃为电子密度的透明值，即当受激辐射与受激吸收相等时的电子密度值。 半导体中还存在几种电子的非辐射复合方式，这时一个导带电子可以与一个价带空穴 复合而不产生有用的光子，能量通过热能形式( 或称转换为声子) 在半导体品格中被消耗。 在这种方式中，这些电子一空穴复合没有对增益做出任何贡献，因此在激光器中应当尽可 能地避免这些效应。通常有两种载流子的非辐射复合机制比较重要：第一种涉及半导体激 光器有源区中的各种非辐射复合中心，如各种缺陷和表面。这些缺陷会在半导体的禁带中 引入各种缺陷中间能级。由于这些中心无需电子和空穴或其它粒子同时存在，因此通过这 种途径的复合速率一般直接正比于载流子密度n ；第二种机制是俄歇( a u g u r ) 复合，这时电 子一空穴对的复合能量以动能的形式传递给另一个导带电子或者价带空穴。这样，对于无 掺杂的有源区，由于必须同时存在将要复合的电子一空穴对以及可以接收这一复合能量的 第三方粒子，因此俄歇复合速率一般正比于n 3 。本文第3 章中关于激光器速率方程的分 析将会用到这里的各种跃迁机制。 1 3 论文的研究目的和意义 1 3 1 研究目的 在高频微波光子学的研究领域中，利用光学方法产生毫米波调制的副载波信号，将光 纤传输、高速光电子器件与毫米波信号在空间的辐射传送相互融合，已经成为下一代宽带 无线通信技术的发展热点，即光载微波( r a d i oo v e rf i b e r , r o f ) 技术。r o f 系统中的一个核 心问题是如何将r f 副载波调制到光载波上。由于毫米波段电磁波频率已达到几十g h z 到 ”上百g h z ，将毫米波信号转换到光波信号上的光调制器件的速度往往很难满足要求；而通 过光学拍频的方法则很容易实现几十g h z 到上百g h z 的光载毫米波副载波 2 4 】，因为在 1 5 5 0 h m 附近的光波段，o 8 n m 的光波长差就可以对应i o o g h z 的频率差。 在众多用于产生以微波频率调制的光学信号的不同技术中，最有前景的技术之一是利 用在高速光电探测器上产生频率间隔为所需毫米波频率的两个光学频率成分的拍频。目前 浙江大学硕士学位论文1 绪论 国际研究领域中主要有三种光生微波技术：通过光调制产生的高阶频率分量进行拍频产生 所需毫米波副载波，它的特点是可以保证相位稳定；注入锁定激光器产生多纵模进行拍频 生成毫米波副载波；双波长激光器利用同一谐振腔内产生的两个波长的激光，它们间的拍 频产生毫米波副载波【2 5 ，2 6 】。 本文的研究对象就是能产生拍频为毫米波副载波的基于耦合腔结构的双波长半导体 激光器结构。双波长半导体激光器在光载微波宽带无线通信系统和光学传感器方面的应用 已经获得了极大的关注。通过双波长半导体激光器的两个激射光学模式的拍频可以很容易 的获得几十g h z 的毫米波载波信号。尽管毫米波载波信号也可以由两个商用的单频激光 器合并来产生，但为了达到毫米波拍频信号的较高的稳定性和较低的相位噪声，需要增加 毫开尔文量级精度的温度控制系统和光学锁相技术，从而使得系统变得复杂而昂贵。因此， 从单个激光器中同时产生两个波长分量，它们的频率间隔正好是所需的毫米波频率这样一 种方法更为有利 2 7 ，2 8 】。因为两个光波模式从同一个腔体中产生，这样可以消除任何由 于温度波动而对两个光波模式的拍频产生的影响，从而使产生的毫米波频率更加稳定。我 们还希望能够调节所产生的毫米波的频率，即两个激射光波长的频率差值。 1 3 2 研究意义 毫米波是指波长大约为1 0 m m ( 3 0 g h z ) 至0l m m ( 3 0 0 g h z ) 的电磁波，在军事、通信和微 波传感方面上均有广泛的应用。其中军用的8 m m ( 3 5 g h z ) 和3 m m ( 9 4 g h z ) 毫米波段( 大气 窗1 2 ) 在雷达领域有非常重要的应用；另一方面，6 0 g h z 频段的无线宽带接入技术及r o f 技术也引起了广泛的关注。由于载波频率高，可以实现用户g b s 级的宽带移动无线接入， 比目前3 g 无线技术的接入速率高出一到两个数量级。同时由于5 7 6 4 g h z 波段在空气中 的衰减比较严重，该波段只能在小范围使用，并且不需要经过无线频谱管理局的批准，因 此不需要昂贵的牌照费用，因此被认为是未来无线宽带接入中最具潜力的技术。r o f 系统 的应用融合了光纤通信技术与无线通信技术，充分利用了光纤通信系统的巨大宽带传输， 同时又具有无线通信技术能连接移动用户的特点。这种系统非常灵活，可以适应于各种调 制方式及多种载波频率。 r o f 系统中的一个关键器件就是一个能产生双波长的激光器，两个波长的拍频即为毫 米波副载波。为了适用于通信系统，一般要求此拍频具有很高的频率稳定性，即要求毫米 波副载波的窄线宽。本文所提出的基于耦合腔结构的双波长半导体激光器由于其基于 6 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 f a b r y - p e r o t 腔的简单结构，制作工艺相对方便，参数调节灵活，还便于与其他器件实现单 片光电子集成。 对基于耦合腔结构的双波长半导体激光器的研究除了上述实用意义之外，还具有理论 上的价值。一般级联的耦合腔激光器都是单腔电流泵浦，主要被用于单频激射模式，这种 单频模式在脉冲电流的直接调制下具有更好的模式稳定性，即不容易发生模式跳变。虽然 有关级联耦合腔激光器的单模工作方式的理论已经被很好的发展起来了 2 9 ，3 0 】，但这种 激光器的双模工作方式尚未被充分的研究和利用。在本文中，我们提出并研究了一种可单 片集成的耦合腔双波长半导体激光器。它具有结构简洁、制造方便的优点，并且能够实现 两个邻近光学模式的同时激射。 1 - 4 论文的结构安排 第2 章主要对本文所提出的四分之一波长耦合腔半导体激光器进行了一些基本的分 析。内容包括几种双波长激光器的一般实现机制，并简要回顾了基于耦合腔结构的半导体 激光器研究现状。随后，我们推导了一套传输矩阵公式，从而可以简便而严谨地分析激光 器的各种轴向结构。最后，我们介绍了所设计的四分之一波长耦合腔激光器的基本结构和 工作原理，并利用传输矩阵方法研究了此激光器的双波长工作方式。 第3 章对四分之一波长耦合腔半导体激光器进行了一些更深入的分析。在激光器简单 速率方程描述的基础上通过多模光子速率方程模型描述了激光器中的模式竞争问题，并引 入饱和系数和抑制系数，阐明它们的物理意义并给出一个数值模型用来计算它们。之后引 入了激光器中的噪声分析，并利用朗之万噪声( l a n g e v i n n o i s e ) 驱 的速率方程模型更精确 的分析了双波长激光器激射双模的稳定性。最后给出了一个实际范例并对所建立模型给出 的数值结果进行了分析和讨论。 第4 章主要研究了半导体激光器的制作工艺。首先回顾了简单的脊形结构f a b r y - p e r o t 腔半导体激光器结构采用平坦化工艺的制作流程，然后在此基础上提出并研究了脊形结构 的耦合腔半导体激光器的完整制作过程，并对在现有实验条件下可以采用的一些实验方案 进行了讨论。最后对采用s i 0 2 侧壁保护方案的制作完成样品进行了初步的测试工作。 第5 章对全文工作进行了总结。 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 本章参考文献： 1 。a l s c h a w l o wa n dc h t o w n e s ，“i n f r a r e da n do p t i c a lm a s e r s ”，p h y s r c v ，1 9 5 8 ，1 1 2 ，1 9 4 0 1 9 4 9 2 t h m a i m a n ，“s t i m u l a t e do p t i c a lr a d i a t i o ni nr u b y ，n a t u r e ，19 6 0 ，1 8 7 ，4 9 3 - 4 9 4 3 a j a v a n ，wr b e n n e t t ，j r ，a n dd r h e r r i o t t ， p o p u l a t i o ni n v e r s i o na n dc o n t i n u o u so p t i c a lm a s e r o s c i l l a t i o ni nag a sd i s c h a r g ec o n t a i n i n gah e n em i x t u r e ”，p h y s r e v l e t t ，1 9 6 1 ，6 ，1 0 6 - 11 0 4 r n h a l l ，ge f e r m e r , j d k i n g s l e y , t j s o l t y s ，a n dr o c a r l s o n , c o h e r e n tl i g h te m i s s i o nf r o m g a a s j u n c t i o n s ”，p h y s r e v l e t t ，1 9 6 2 ，9 ，3 6 6 - 3 6 8 5 m i n a t h a n ，w ：p d u m k e ，gb u m s ，eh d i l l ，j r ，a n dgl a s h e r , “s t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o nf r o m g a a sp - n j u n c t i o n s ”，a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 2 ，1 ，6 2 6 4 6 t m q u i s t ，r h r e d i k e r , r j k e y e s ，w e k r a g ，b l a x ，a l m c w h o r t e r , a n dh j z e i g e r , “s e m i c o n d u c t o rm a s e r o f g a a s ”，a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 2 ，1 ，9 1 - 9 2 7 n h o l o n y a k ，j r ，a n ds f b e v a c q u a ，“c o h e r e n t ( v i s i b l e ) l i g h te m i s s i o nf r o mg a a s l x p xj u n c t i o n ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 2 ，1 ，8 2 - 8 3 8 h k r o e m e r , ap r o p o s e dc l a s so f h e t e r o - j u n c t i o ni n j e c t i o nl a s e r s ”，p r o c i e e e ，1 9 6 3 ，5 1 ，1 7 8 2 1 7 8 3 9 h k r e s s e l ，a n dh n e l s o n , c l o s ec o n f i n e m e n tg a a sp - nj u n c t i o nl a s e r sw i t hr e d u c e do p t i c a ll o s sa tr o o m t e m p e r a t u r e ”，r c ar e v ，1 9 6 9 ，3 0 ，1 0 6 11 3 10 i h a y a s h i ，m b p a n i s h ，a n dp w f o y , at e c h n i q u ef o rt h ep r e p a r a t i o no fl o w - t h r e s h o l d r o o m t e m p e r a t u r eg a a sl a s e rd i o d es t r u c t u r e s ”，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 6 9 ，5 ，2 1 0 2 1 1 11 z h i a l f e r o v , vm a n d r e e v , e l p o r t n o i ，a n dm kt r u k a n ，a n s g a a sh e t e r o j u n c t i o ni n j e c t i o n l a s e r sw i t hal o wr o o m - t e m p e r a t u r et h r e s h o l d ，s o y p h y s s e m i c o n d ，1 9 7 0 ，3 ，11 0 7 111 0 1 2 i h a y a s h i ，m b p a n i s h , p w ：f o y , a n ds s u m s k i ，“j u n c t i o nl a s e r sw h i c ho p e r a t ec o n t i n u o u s l ya tr o o m t e m p e r a t u r e ”，a p p l p h y s l e t t ，19 7 0 ，1 7 ，10 9 111 13 z h i a l f e r o v , vm a n d r e e v , d z g a r b u z o v , y u vz h i l y a e v , e p m o r o z o v , e l p o r t n o i ，a n d v g t r o f n n , “i n v e s t i g a t i o no ft h ei n f l u e n c eo ft h ea l a s g a a sh e t e r o s t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h el a s e rt h r e s h o l d c u r r e n ta n dr e a l i z a t i o no fc o n t i n u o u s e m i s s i o na tr o o mt e m p e r a t u r e ，s o y p h y s s e r n i c o n d 19 7 1 ，4 ， 1 5 7 3 1 5 7 5 1 4 m e t t e n b e r g ， v e r yl o w t h r e s h o l dd o u b l e - h e t e r o j u n c t i o na l x g a t x a s 蠲e c t i o nl a s e r s ”，a p p l p h y s l e t t ， 19 7 5 ，2 7 ，6 5 2 6 5 4 8 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 5 j c d y m e n t ，“h e r m i t e - g a u s s i a nm o d ep a a e m si ng a a sj u n c t i o nl a s e r s ”，a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 7 ，1 0 ， 8 4 8 6 16 j e r i p p e r , j c d y m e n t ，l a d a s a r o ，a n dt l 。p a o l i ，“s t r i p e - g e o m e t r yd o u b l eh e t e r o s t r u c t u r e j u n c t i o nl a s e r s ：m o d es t r u c t u r ea n dc wo p e r a t i o na b o v er o o mt e m p e r a t u r e ”，a p p l p h y s l e t t ，19 71 ，1 8 ， 1 5 5 1 5 7 17 d d c o o k ，a n der n a s h ， g a i n - i n d u c e dg u i d i n ga n da s t i g m a t i co u t p u tb e a mo fg a a sl a s e r s ”，j a p p l p h y s ，1 9 7 5 ，4 6 ，1 6 6 0 1 6 7 2 18 h k r e s s e l ，a n dj kb u t l e r , s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n dh e t e r o j u n c t i o n e 蕊n e wy o r k ：a c a d e m i cp r e s s ， 1 9 7 7 1 9 h c c a s e y , j r ，a n dm b p a n i s h ，h e t e r o s t r u c t u r el a s e r s ，p a r t saa n db n e wy o r k ：a c a d e m i cp r e s s ， 19 7 8 2 0 gh b t h o m p s o n , p h y s i c so f s e m i c o n d u c t o rl a s e rd e v i c e s c h i c h e s t e r ：j o h nw i l e y & s o n s 19 8 0 21 r d i n g l e ，ww i e g r n a n n , a n dc h h e n r y , “q u a n t u ms t a t e so fc o n f i n e dc a r r i e r si nv e r yt h i n a l x g a l x a s g a a s - a l x g a l x a sh e t e r o s t r u c t u r e s ”，p h y s r e v l e t t ，1 9 7 4 ，3 3 ，8 2 7 - 8 3 0 2 2 ys u e m a t s u ，“l o n g w a v e l e n g t ho p t i c a lf i b