（微电子学与固体电子学专业论文）1053nm高速窄线宽激光器.pdf

摘要 由于半导体激光器体积较小并且调制方便，因此在某些高速相干通信系统 中，具有很高调制带宽和窄线宽的1 0 5 3 n m 半导体激光器可以取代固体激光光 源。 本论文详细论述了1 0 5 3 r i m 高速窄线宽半导体激光器的研制过程进行了 调制带宽、量子阱和应变量子阱，条形结构、线宽。外腔和光纤光栅的理论分 析。给出了激光器的具体设计过程。为了提高1 0 5 3 r i m 激光器的调制带宽和压 窄其线宽，我们进行了如下工作：根据要求选择渐变折射率分别限制异质结的 i n g a a s g a a s 单量子阱激光器结构；计算有源区的厚度和i n 组分以及其它外延 层的材料参数；根据薄膜光学的原理设计单层增透膜和多层高反膜；为获得窄 线宽设计了均匀光纤光栅；在研究过程中不断优化工艺，如脊形波导制作、欧 姆接触、键合、与光纤耦合等；设计了激光器的高频封装。通过反复实验，最 终我们得到了性能优良的器件。 关键词：调制带宽，窄线宽，量子阱，应变量子阱，光纤光栅，脊形波导。封 装 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t i ns o m eh i 曲s p e e da n dc o h e r e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss e m i c o n d u c t o rl a s e r s e m i ta tt h ew a v e l e n g t ho f1 0 5 3 n mw i t hh i 曲m o d u l a t i o nb a n d w i d t ha n do a l t o w l i r a - w i d t h 咄r e p l a c es o l i d - s t a t el a s e r $ o u r sb e c a u s et h e ya r es m a l l e ra n d o 1 m 1b e e a s i l y 叮d i n 劬。正 i nt h i sp a p e r , ap r o c e d u r eo f t h e1 0 5 3 n ms e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t hh i g hs p e e d a n db a r r o wl i n e - w i d t hi sd e s c r i b e ai nd e t a i l f i r s t , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u t m o d u l a t i o nb a n d w i d t h , q u a n t u mw e l la n ds t r a i n e dq u a n t u mw e l ls t r i p es t r g c t m e s s p e 删l i n e - w i d t he x t e r n a lc a v i t ya n df i b e rg r a t i n gi si n t r o d u c e d 1 k l l ，t h ed e s i g n p r o c e s so f t h el a s e ri sg i v c a i no r d e rt oi m p r o v em o d u l a t i o nb a n d w i d t ha n dn a ! t o w l i n e - w i d t h o f l 0 5 3 n ms e m i c o n d u c t o r l a s e r , o u r w o r k h a sb e e n d o n e 嬲f o l l o w s ：s e l e c t g r i n s c h ( g r a d e - i n d e xs e p a t a t c - c o n f i n e m c mh e t a r o s t n w t u r e ) a n dl n g a a s g a a s 咖g e w a v e g u i d e s t r a i n e d s i n g l e - q u a n t u m - w e l l s t r u c t u r e a c c o r d i n g t ott h e r e q u i r e m e n t = c a l c u l a t ct h i c k n e s s , i nm o l ef r a c t i o no fa c t i v er e g i o na n dm a t e r i a l p a r a m e t e r so fo t h e re p i t e x i a ll a y e r s ：d e s i g ns i n g l e - l a y e ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n ga n d m u l 垃1 a y e rh i g h - m f l e c t i v i t yc o a t i n ga c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h i n - f i l mo p t i c s t d e s i g nn n 语o r n lf i b e rs t a t i n gt oa c h i e v en a r r o wl i n e - w i d t h ；d e s i g na n do p t i m i z et h e t e c h n o l o g i c a lp r o 鹞s u c h 越t h ef a b r i c a t i o no fr i d g ew a v e g u i d e ，o h me o n t e c tt b 0 删n ga n dc o u p l e dt of i b e r u n d e re x i s t i n gt e c h n o l o g i c a le q i l i p m 锄tc o n d i f i o m ： d e s i g nt h ep a c k a g eo fm # - s p e e dl a s e r s a tl a s tt h r o u g hr e p e a t e de x p e r i m e n t s , t e s t r e s u l t ss h o ww eo b t a i n e dd e v i c e sh a v eg o o dp 曲m 锄 k e y w o r d s ：m o d u l a t i o nb a n d w i d t h ，n a r r o wl i n e - w i d t h ，q u a n t u mw e l l ，s u v i n e d q u a n u n nw e l l ，f i b e rg r a t i n g ，m d g ew a v e g u i d e ，p a c k a g e 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。据我所知，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，也不包含为获得重废噬电去堂或其他教 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：弦五 签字日期：么年j ，月梦目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重医邮电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重废整皇盘堂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，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： 张7 主 导师签名： 嗣 签字日期；z 4 年j 一月计日 签字日期：呜6 年广月对日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 半导体激光器 第一章绪论 半导体激光器是一种电注入光发射器件在正向电流注入下，有源区内反转 分布的电子从导带跃迁到价带或杂质能级时与空穴复合而发射出光子，光在给定 的腔体中传播并在给定的两个端面反射而获得光增益当光增益足以克服传输损 耗时便产生振荡并向外发射出相干性很强的激光。 半导体激光器产生相干辐射，必须具备三个基本条件刃： ( 1 ) 建立起激射媒质( 有源区) 内载流子的反转分布。这是靠给异质结加正 向偏压，向有源区内注入必要的载流子来实现的。 ( 2 ) 有一个合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈形成激光振荡。 ( 3 ) 为了形成稳定振荡，激光媒质必须能够提供足够大的增益，使光增益等 于或大于各种损耗之和这就要求足够强的电流注入。必须满足一定的电流闽值 条件。 由于各种应用的需要，半导体激光器向提高光束质量不断的发展，即减少光 束发散角以提高空间相干性；提高高速调制下的所谓动态单纵模持性：压窄光谱 线宽以提高光束的时间相干性进一步提高温度稳定性1 3 1 ( 即获得高的特征温 度) 。不断拓宽半导体激光器的应用范围半导体激光器经历了多个发展阶段。 大致可分为； ( 1 ) 同质结注入型，其致命弱点是激射阈值电流密度特别高而且只能在很低 的温度工作以脉冲方式工作； ( 2 ) 单异质结注入型，利用异质结提供的势垒限制注入电子，以此来降低闽值 电流密度使其数值比同质结降低了一个数量级。 ( 3 ) 双异质结结构，同时提供载流子和光场的限制，开创了半导体激光器发 展的新时期，器件的性能参数不断改进和提高。 ( 4 ) 进入2 0 世纪8 0 年代以来，晶体外延生长新工艺，包括分子束外延( m b e ) ， 金属有机化合物气相沉积( m o c v d ) 和化学束外延( c b e ) 等取得重大成就，使半导 体激光器实现了量子阱和应变量子阱等新的结构得到了性能优良的器件。 1 2 高速半导体激光器 高比特速率的w d m 和相干光通信系统需要高速窄线宽的半导体激光器。影 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 响激光器调制带宽的因素最主要是有源区的特性，同时也不能忽视非有源区的影 响如波导特性、寄生参量的大小等。自从第一个室温连续工作的a i g a a s 激光器 研制成功后，探索半导体激光器高频调制能力的工作便展开了，2 0 世纪7 0 年代 后期，主要的试验工作集中在改善调制特性方面，到2 0 世纪8 0 年代之后才开始 关注激光器的弛豫振荡频率。人们采用小信号模型i 4 s , 6 l 结合动态方程分析了激光 器的弛豫振荡频率，结果表明，可以通过增大输出功率、增大微分增益，减小谐 振腔中的光予寿命来提高弛豫频率具体的措施【4 1 有优化腔长、有源区p 型掺 杂、降低工作温度等。对量子阱激光器进行分析表明其微分增益比体器件增加 了两倍左右。这样就能提高弛豫频率、增大调制带宽、减小温度噪声。根据物理 意义还可以知道，微分增益的增大会是线宽增强因子减小。从而减小线宽展宽和 频率啁啾。和量子阱相比，应变量子阱结构的激光器微分增益肛12 l 又大了3 4 倍，因此具有更好的高频调制特性。 激光器的调制带宽还受到寄生参数1 4 t 1 2 , 3 1 的影响，为此应该从工艺上面加以 改进以减少寄生参数的值在对半导体激光器进行动态调制时，由于器件自身的 结电容，串联电阻、引线电感、寄生电容的影响。如果直接和信号源相连会因为! 阻抗不匹配引起很大的反射损耗，因此良好的匹配和封装是实现高速工作的重要 条件。通常采用的匹配网络有：吸收式匹配，分布参数匹配、。分布参数和集总参 数混合匹配。可以实现很好的效果。 2 0 世纪8 0 年代体材料激光器发展迅速，g a a s 激光器通过提高c o d ( 腔 面灾变损伤) 的功率阈值、寄生电容使调制带宽达到1 2g h z ，i n p 激光器通过填 充低介电常数的聚酰亚胺、采用半绝缘体掩埋有源区获得了1 9o i - l z 的调制带宽， 其同质结有源区的掩埋脊波导激光器调制带宽达到了2 2 g h z 9 0 年代，c o r n e l 和l e s t e r 用折射率恒定的分别限制异质结构代替渐变折射率异质结构做成了调 制带宽达到2 8 g h z 的p 掺杂了应变量子阱激光器。i n g a a s p 长波长激光器的发 展遇到了寄生参量的制约，实际带宽只有2 6 g h z 左右。虽然p 掺杂了应变量子 阱激光器本征带宽在4 0 g h z 以上。未掺杂应变d f b 激光器也因为这个原因只有 1 6 5 g h z 的调制带宽 到目前，国外报导的激光器最高调制带宽在4 0 g h z 左右，而国内与国外相 比还有一定差距，一般在几到1 0 g h z 之间。 1 3 激光器的线宽压窄技术 普通结构的f - p 腔半导体激光器即使在直流状态下能单模工作，在高速调制 状态下也会出现光谱展宽，因此设计和制作高速调制下仍能正常工作的激光器是 十分重要的。在半导体激光器内部建立布拉格光栅靠光反馈实现纵模选择的 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 d f b 、d b r 结构0 s , i 6 , 1 q 是实现动态单纵模的有效方法。1 9 7 1 年美国贝尔实验室 的科克尼克和香克首先提出d f b - l d 的概念并在玻璃衬底上用染料胶制造光栅， 1 9 7 2 年用电磁场的耦合波理论系统分析了d f b 激光器的工作原理和特性，指出 在d f b - l d 中存在两种基本的反馈方式，其一是折射率周期性变化引起的布拉格 后向反射即折射率耦合，另一种是增益周期性变化引起的分布反馈即增益耦合。 1 9 7 3 年中村用光泵g a a s 周期栅表面实现了第一只d f b l d 。1 9 7 4 年西弗勒斯 研制出g a a l a s g a a s 单异质结注入型d f b l d 。1 9 7 5 年凯西和中村实现了 d f b - l d 的室温，连续振荡。早期的研究有一个共同点就是在产生光的有源区直 接刻制光栅以实现光的分布反馈，这意味着折射率和增益耦合并存但是有源区 直接刻制光栅给有源区带来了缺陷，降低了发光效率使得这样的d f b l d 很难实 现室温连续激射改变直接在有源区刻制光栅的办法，在有源区附近设置一个透 明的波导层并在该波导层上刻制光栅可以使d f b l d 实现室温下的脉冲和连续 激射将光栅刻制在有源区附近的波导层上的结构叫作分别限制异质结构( s o s ) 。 这种结构的导入使得d f b l d 的性能有了里程碑式的进步，以后的d f b l d 大 多采用这种结构。s c h 是典型的折射率耦合型的，但是如何解决这类器件的单 模工作是一个重要的研究课题。 2 0 世纪7 0 年代中期，豪斯和香克就指出在d f b - l d 的内含光栅引入非连续 变化就能消除模式简并而且降低阈值。此后这一概念被具体化，在光栅的中心g i 入一个四分之一波长的相移区，以后的实践也证明这是消除模式简并，实现单模 工作的有效方法此外日本东京大学的多田帮雄，中野义昭等提出了对d f b l d 的波导条宽进行调制的方法并在实验上证明了这一方法的有效性。但是不管是四 分之一相移结构还是调制带宽的方法，制作工艺十分复杂都需要在两端腔面蒸镀 增透膜 1 8 , 1 9 2 0 j ，这就导致d f b l d 的成品率很低，此外四分之一波长结构具有的 优点在大功率的情况下也很难保持为此日立公司的研究小组提出了在光栅的中 心部导入一段周期不同的光栅新结构，这种结构被证明是十分出色的。 对于增益耦合d f b - l d 而言，是不存在模式简并的问题的。1 9 8 8 年我国留 日博士罗毅与东京大学的多田邦雄采用m o c v d 技术制造了内含光栅的 d f b - l d 并引入了抑制折射率耦合的结构，实现了纯粹的增益耦合。此外采用传 统的s c h 结构将以往的透明光栅改为吸收损耗光栅的方法也成功的制作了增益 耦合d f b l d 。 随着单频、波长可调谐激光器变得越来越重要，d b r - l d 由于其光栅位于有 源区以外易于集成而受到广泛重视。 2 0 世纪8 0 年代中期，d f b 、d b r 半导体激光器逐步走向实用化。然而d f b 半导体激光器激射波长受温度( o 1 n m c ) 和偏置电流影响较大而且运行时间较长 时有源区温度升高使有源区折射率变化，从而导致激射波长的改变；d b r 半导 体激光器的有源区和波导区是在不同的外延层中制作的，为了实现波导的高效耦 台需要比d f b 半导体激光器更复杂的工艺。使用外腔实现窄线宽的单纵模可以 克服上面的问题。构成外腔半导体激光器的元件很多，可以是光纤光栅、波导滤 波器等。 用外腔1 2 l 洲进行选模和压窄线宽始于上世纪8 0 年代初，其研究是以 l a n g - k o b a y a s h i 模型为基础的。由于光纤光栅作为反馈元件的外腔半导体激光器 具有波长可控性和重复性好、线宽窄、温度稳定性好、高速调制没有明显的啁啾 等优点，自8 0 年代末得到了广泛的研究，国外如美国l u c e n t 、s d l 、英国的b t 。 日本的f u m k a w a ，国内如北京大学物理系、中科院半导体所等都展开了这方面 的研究。这些研究包括如何设计合理的腔长以实现高频调制、用啁啾光栅调谐锁 模频率以及在波长转换中的应用等。 光纤光栅瞄删外腔半导体激光器基本结构是由激光器管芯和内含光纤光栅 的光纤耦合而成，激光器的谐振腔由光纤光栅和管芯的外端面构成。外腔半导体 激光器的外光反馈可阻分为强反馈1 3 t 辩i 、弱反馈【螂1 强反馈是指激光器管芯 前端面镀有增透膜，因而反射率远远低于外腔元件的反射率：反之如果激光器管 芯前端面没有镀增透膜称为弱反馈。一般管芯的后端面镀有高反膜，丽前端面镀 有增透膜以提高输出功率；光纤光栅可以是均匀的也可以是不均匀的。 p a m o r t o n 用啁啾光栅作外腔反馈实现了高功率窄线宽的单模输出。由于管芯端 面镀膜增加了工艺的复杂性和制作成本，未镀膜的弱耦合外腔式半导体激光器 3 6 1 被提了出来，虽然性能上不如强反馈外腔半导体激光器，但在一些要求不高的场 合得到了应用。由于外腔半导体激光器的腔长较大，光子寿命长，因而影响了激 光器的调制频率的提高，但是只要结构设计合理，高频特性还是可以实现的。目 前有1 0 g h z 的报导， 、 1 4 选题背景和主要的工作 波长为1 0 5 3 r i m 的激光光源有特殊用途而受到关注，固体激光器存在体积大 并且控制光脉冲形状的方式复杂等缺点，给应用带来了不便。由于半导体激光器 具有体积小，调制方便，便于集成等优点，因而可以作为取代该波长固体激光器 的光源。 器件要求的技术指标如下， 输出光波长：1 0 5 3 4 r i m 尾纤输出功率：三o 5 m w 光谱半宽：翊1 r i m 调制带宽： 3 0 h z 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 输出光脉冲形式：无弛豫振荡 工作频率； 鲁 一s i ：( q 力h f 。l 、 j 如i森z ) t 自厂、型z ) 、 以 、 l 局( z ， 一k 20 1 , 2 辨层厚度方向的坐标 图2 2 量子阱内电子包络波函数和能量本征值 t a n “= ( 2 2 2 ) = 严学 以“为变量分别画出式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 左边和有右边的图形，两曲线的交点 就是“的根虬，如图2 3 所示。最终得到有限深势阱中本征值的表达式为： e = 毛= 白譬) 2 住_ 正，2 h 。) a 茁】搋 图2 3 能量本征值方程的图解法 一般掺杂的半导体能带中，作三维运动的电子的态密度 4 2 , 4 3 1 随能量呈抛物 线分布，丽在量子阱中电子的能谱发生了显著变化，只是在= 维是连续的。图2 4 给出了= 者的比较。量子阱中电子的态密度表示为t ， 岛。( 切2 j 薏 ( 2 2 5 ) 上式表明二维运动电子的态密度由载流子有效质量和阱厚决定。是一个与 能量无关的常数如前所述，能量在z 方向是量子化的，最终可以得到相应于 能量e 总的态密度的表达式： 岛。( e ) = 善p ( 点o ) = 赢军他x h ( e 一疋一) ( 2 2 6 ) 他是第h 个子带电子的有效质量，h ( e - 疋) 是台阶函数a 根据悉密度 的表达式可知台阶的细微形状可以通过改变阱厚和势垒值等实现，从而获得 需要的光学性质 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论分析 2 3 2 应变量子阱 离导带下端的归f 化能量尉慨2 ，2 埘l 0 图2 4 二维的台阶状态密度 当阱材料和势垒材料不匹配时。如果外延层足够薄，则因晶格失配t 0 4 4 , 4 5 1 产生的应力可以由生长层的弹性形变 4 6 4 q 来承受，从而不会产生过大的缺陷或 位错，基于此，形成了应变量子阱结构， 设q ，t 吒是势垒和阱层的晶格常数如图2 5 ( a ) 表示q q 时，外延层晶格在x ，j ，方向受到 双轴压应变，。此方向的晶格常数变大。喁= q 。而在：方向上受到单轴张应变， d 上变大， + 在外延生长平面内弹性应变张量表示为。 毛2 气2 2 警 在生长方向上的应变分量： 气2 气2 学= 之鲁 式中c l 。和c n 是材料的弹性模量。此时的晶格失配表示为： ，。竺；生 d jq ( 2 2 7 ) ( 2 2 0 ) 由于应变的引入，能带结构相应产生变化按照应变和应力的分析。一个 立方晶体在妙平面内的双轴压( 张) 应变和z 方向的单轴静压( 张) 应变的作 1 2 窖芒。s1q世船柏嚣荦凰 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论分析 用下会使立方晶体变为四面体。轴向应力引起整个价带上升( 轴向压应力) 或下降( 轴向张应力) 。切变分量使轻重空穴带q 1 分开，退简并，而且在双轴 张应变时，轻空穴带上升的多，能够位于重空穴之上，在双轴压应变时，重空 穴带在轻空穴带之上，两种情况下重空穴的有效质量都变小 对于应变h i ，g a 。a s 层，导带边的漂移可用下式表示： ， 嗵；( 气+ + 气) = 2 a c ( 1 孚) 唧 ( 2 3 0 ) o 式中以是导带的静压力形变势、 k 犁 黧瞎 帕) 图2 5 晶格失配形成的张应变和压应变 价带的漂移为： 船0 = - g 占瓦；一+ q 只= 峨( 4 - + ) ；- 2 a ，( 1 一导) i q 一詈魄+ 趣) = - b ( 1 + 2 印 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论分析 这样形成了新的带边： 岛= 乓o ) + 6 ( 2 3 5 ) ；占巨h ；- e - q ( 2 3 6 ) 玩= j 瓦= 也+ 幺( 2 3 7 ) 最终有效带隙为： 如= 乓( 力+ 万疋- 声；乓o ) + 占疋+ 只+ q ( 2 3 8 ) = 乓( x ) + a e o - d 玩= 乓0 ) + j e + 只一g ( 2 3 9 ) 从上面的分析可知，对于压应变量子阱材料，导带向上漂移一个躔，而 价带边向下漂移只t q ( + + ) t 重空穴向下漂移q l = ：( + 2 乞) ， 轻空穴向上漂移，对于张应变量子阱，其边带漂移方向与压应变材料相反图 2 6 给出了压应变量子阱、张应变量子阱和无应变量子阱能带图的比较。 j 1 缈响啪 图2 6 压应变、张应变和无应变量子阱的能带结构 1 4 p臣民pb 鼍岸 丐 i 霉 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论分析 2 3 3 临界厚度 品格失配的异质外延材料的外延厚度超过一定厚度即临界厚度【档胆驯时， 弹性应变被破坏。用来补偿弹性应变所需的能量将超过形成位错的能量值，从 而产生大量的位错。只有外延层足够薄才能在失配不是很大的情况下保持弹性 应变的能量低于形成位错的能量，这样的结构从热力学的角度来讲才是稳定的。 有力学平衡模型和能量平衡模型两种分析临界厚度，分析的结果稍有差别。其 中力学平衡模型是假定位错的产生是力平衡的破坏引起的，当由失配引起的作 用于位错线上的力晶超过内部的张力品时就产生位错，马修斯采用这种模型 给出了以下结果： 乓= g ；塑6 矽 ( 2 舯) 昂= 石暑呲；+ 1 ) 】 ( 2 4 1 ) 式中，g 是切变模量，仃= 彘，是泊松比值，是失配度，6 是界面内 位错的伯格矢量， 是层厚，最终得到的临界厚度吃的表达式是 。t 器名 和 刚 _ t 孵 。图2 7m g a a s 纳a s 应变量子阱临界厚度与m 组分和失配度的关系 i 扫t b = a l 压，一毛，所以临界厚度可近似表示为： 重庆邮电大学硕士论文第二章理论分析 趣。掣兰堑o n 垫咖 ( 2 4 3 ) 魄。i 丽可了2 尹+ 1 ) ( 2 。4 3 ) 式中茁是常数，对于单应变量子层为4 ，多应变量子层为2 ，对于应变超 晶格为l ；丑是滑移方向与界面之问的夹角，口是位错与伯格矢量的夹角。 根据上面的表达式得出h 。g a 。a s g a a s 应变量子阱临界厚度与h l 组分和 失配度的关系曲线i s “，如图2 7 所示。一般都取阱的厚度是临界的二分之一到 三分之一之间的某个值。 2 3 4 应变量子阱激光器的工作波长 晶格匹配的量子阱激光器的激射波长受阱和垒的带隙宽度和阱厚影响，同 时也受载流子注入水平和结温度影响，主要由导带第一子带和价带第一子带来 决定此时跃迁释放的能量是： = 乓+ ( 厶) + - ( 厶) ( 2 4 4 ) 对于某确定的阱厚l 。通过前面的理论分析可以求出有限深阱的本征能 量值，( 丘) 和疋。( 丘) 求解时量子阱的阱深分别取噬，a g , ，对于 i n 。g a l 。a s g a a s 应变量子阱有a 巨= o 7 a 艮，a 巨- - 0 3 a e sr 电子和重空穴有 效质量取。 m a x ) = ( o 0 6 6 5 0 0 4 3 5 x ) m o ( 2 4 5 ) ( 功= ( o 4 5 0 0 4 砷 ( 2 4 6 ) 载流子注入引起的带隙收缩及载流子的驰豫展宽引起光谱峰值位置向高能 边的移动对激射波长也有影响，但很小，因而可以忽略。 应变量子阱的激射波长还应考虑材料应变的影响，图2 8 给出了i n 组分含 量、激射波长和量子阱厚度的关系唧，可见对于每一种组分。随着量子阱厚度 的增加，跃迁能量减小；当x 邳2 时，由于应变层的形成，曲线在某处终止， 此时正对应临界厚度。 对于压应变量子阱，价带能级的顶是重空穴带，若只考虑最小的能级跃迁。 则带隙用( 2 3 8 ) 表示，而室温下m 。o a 。a s 的带隙宽度是： 疋( 砷= o 3 5 + 0 6 2 9 ( 1 - + o 4 3 6 ( 1 - 功2 0 x 1 ( 2 4 7 ) 最终压应变量子阱中的有效带隙可表示成： 互旷；乓+ 蛆：- j 瓦+ 厶( t ) + l 心) ( 2 4 8 ) 激 光 嚣 擞 射 敞 长 n 氍 j 壬 诧 “甲 蠢予瓣庠虞t 图2 8i n o a a s g a a s 量子阱激射波长、跃迁能量和阱厚度的关系 激光器的激射波长 与有源区的有效带隙有下面的关系； 五；粤：丁1 2 3 9 ( 2 4 9 ) b 面b 嘻 2 3 5 应变量子阱结构对激光器性能的影响 体半导材料中空穴的有效质量m 。大于导带中的m 。好几倍，从而对空穴的 费米能级通常在价带上面，对电子的费米能级则很容易进入导带。如前所述 应变改变了能带结构，僮重空穴的有效质量m 。降低从而态密度也降低，这样 只要较低的载流子浓度变就可以实现载流子反转的条件。 微分增益是指光增益相对载流子浓度增加的差分相对于一般的量子阱激 光器，应变量子阱激光器的性能显著提高，这是因为应变量子阱结构具有更高 的微分增益台阶状的态密度导致张弛频率的增加和阻尼系数的减小，进而增 加了微分增益，最终扩展了半导体光器的频率带宽在一般的晶格匹配量子阱 中。价带的态密度比导带的大，这将引起为了实现粒子数反转必须的载流子集 中应变量子阱由于价带的态密度减小较小的载流子浓度便可以实现粒子数 反转这就导致了微分增益的增大。而微分增益的增加可以明显的降低阈值电 流，减少俄歇复合，降低噪声因子和实现良好的高频特性。 量子阱和应变量子阱激光器中，态密度呈台阶状分布使得准费米能级的位 置对温度的灵敏度降低，即特征温度高，而半导体激光器的工作特性与温度的 关系同可以表示如下： 下1 r 厶c n ；厶( 五) e x p ( = ：却 ( 2 5 0 ) 1 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论分析 ( 乃、厶( 五) 分别是r ，五时的阈值电流，瓦是特征温度a 上式说明矗越 大，( d 对温度的灵敏度就越低，器件温度特性就越好， 同时态密度的台阶状分布使得对应于置，和乓。的态密度很大，电子能量分 布宽度窄，因而有利于实现窄线宽的激光器。 2 4 激光器的条形结构 半导体激光器大多数应用都要求激光器的发射光束具有小的发散角，小的 色散，高的光谱纯度。这是实现高效率耦合和高频调制下能稳定工作必须的条 件。为满足这些要求，激光器必须是基横模和基侧模工作甚至是单纵模工作。 这种单模工作状态在输出功率增加、温度变化和调制频率提高时会表现出不稳 定性为获得良好的光束特性和稳定的基横模工作，必须在半导体激光器有源 区平行于结平面的侧向加进限制结构，即加一个光增益限制区或建立有折射率 差的导引机制我们把这类有侧向限制机构的激光器叫作条形结构【 l 激光器。 从原理上讲，利用有源区复介电常数变化的虚部可得到增益导引的作用，利用 有源区复介电常数变化的实部可得到折射率导引的作用。侧向限制有下面三方 面的作用：( 1 ) 将注入电流限制在条形有源区内；( 2 ) 限制载流子沿有源区侧向的 扩散；( 3 ) 将辐射场限制在谐振腔的更小区域内。很明显，不同结构限制的有效 性各不相同。 增益导引制作简单，但是在很宽的注入电流范围内保持横模稳定比较困难 而且有很多纵模激射。适当的设计折射率导引可以实现较好的单纵模激射，因 而这种结构成为主流。按有效折射率变化的大小有弱折射率导引和强折射率导 引从结构上看，弱折射率导引激光器异质结三层中有一层的侧向厚度是不均 匀的，具体的有脊波导酬，肋波导口5 l 等脊波导的结构是这样的：有源区是平 的，侧向折射率台阶由厚度不同的波导层提供肋波导的结构是这样的：侧向 折射率台阶由有源区厚度的变化提供强折射率导引由于把沟道两侧区域除去 而用包覆层把波导层掩埋起来，使得即使在沟道宽度方向也产生很强的光限制。 因而有非常稳定的横模特性，但是制作工艺很复杂。 弱折射率导引和掩埋型的强折射率导引相比有如下优点；工艺简单，波长 容易控制，有较低的寄生参数。 2 5 光纤光栅外腔半导体激光器 普通结构的f - p 腔半导体激光器即使在直流状态下能够实现单纵模工作但 在进行高速调制时就会发生光谱展宽，限制了信号传输速率因此设计和制作 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论分析 在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是非常重要的。实现单纵模工作的 最有效方法目前有两种方式：内腔式和外腔式。内腔式有分布反馈( d f b ) 和分布 布拉格反射o b r ) 两种，它们是通过半导体激光器内含的布拉格光栅的反馈来 实现纵模的选择，但是制作特定波长的器件比较困难。利用光纤光栅作为选频 元件的外腔式半导体激光器则具有工艺实现方便、波长容易控制以及温度稳定 性好的特点。根据反馈的强弱有强反馈和弱反馈的区别，实现强反馈光纤光栅 外腔半导体激光器涉及到兰项重要的技术：光纤光栅的设计、管芯端面镀膜和 光纤与管芯的耦合。 2 5 1 光纤光栅外腔半导体激光器的等效模型 图2 9 是外腔半导体激光器的示意刚7 l ， 、吒和分别是激光器解理面的 后端面、前端面和光栅的振幅反射率，相应的能量反射率是焉t 足和也k 一 上曩和岛分别是内腔、外腔和光栅的长度 可用等效腔嘲罔近似的方法进行光纤光栅外腔式半导体激光器闽值特性和 边模抑制比的的分析把外腔看作一个单端口网络。其等效反射系数可以写成： + 。一 一一一 么缎 ，焉k乇，焉k 0 ，疋k 峥篱 - ， 2 + 去飞打 g 均 重庆邮电大学硕士论文第二章理论分析 舻玄瓯丽订 仁5 3 其中。巩是半导体激光器和光纤的功率耦合系数。根据模式竞争理论，。在 峰值反射率处的外腔模首先振荡起来，激射波长由布拉格波长决定。由上式可 知，仉越大，阈值增益越小，相应的阈值电流越低，输出功率越大，因此提高 耦合效率是制作激光器的一项重要技术光栅峰值反射率的提高降低了阚值电 流，增大了输出功率但是过高的反射率会使光栅的透射功率下降。因此光纤光 栅的等效峰值反射率应该结合具体情况来选取。一般取在0 6 左右。 为芷确分析外腔激光器的高频特性和单频线宽特性，引入了等效腔长的概 念。由于在内外腔的多重反射，传播的一束光被分解为无穷多个子波，各个子 波的光程不同，于是等效腔长是所有子波经历腔长的统计平均。可用下式表示 等效腔长； r s ( 1 彳) 1 名( 1 + 孑) + r 2 ( 1 + e ) c o s ( 号& ) l 铲岫皈。而磊嵩忑孕而焉莽5 吒( 1 + 曙) + 名( 1 + 哼) c o “半) + 喀o 。哼) s i n 2 ( 二= 二：；生) ( 2 5 4 ) n 和分别是有源层和空气的折射率。，等效腔长下的光予寿命是r 彳- v | 时玄h 丙订1 2 5 5 可见，外腔长度增大会导致光予寿命的增大，进而影响到半导体激光器的 高频特性，因而为了得到良好的高频特性应该减小外腔长度。 比较上面两个式子可见，对于具有一定反射率的光栅，等效反射率 l 弓i 屯t 从而使得外腔膜的增益阈值远远小于内腔膜的增益阈值g 竹为了 提高激光器的单模输出功率，要尽量增加矗，减小g 口，这可以通过减小弓， 增加峙l 来实现 加了外腔以后，阈值电流可用下式表示： 厶：警镦：耽鲁c a + 土挈l n - - - l ，回。 式中，w 是有源区的宽度，是量子阱数，l 是量子阱的限制因子，以是 透明阈值电流密度，a 是增益系数，吼是内量子效率可以看出，厶的变化与 f 芬有关，彳易增大时，厶减小，f 易减小时r ，埔增大 重庆邮电大学硕士论文第二章理论分析 微分量子效率表示为， 珊：研出鲁生】 ( 2 5 7 ) m 丽7 可见，内损耗越小，腔长越短，微分量子效率越大；同时提高 和减小。 可以提高微分量子效率。 为了降低器件的激射阈值( 这里是9 0 ) 激光器的后端面的反射率要尽量高， 一般在9 0 以上激光器的前端面反射率( 加外腔后用有效反射率表示) 对器件 的阈值和微分量子效率的影响是相互矛盾的。反射率减小可以增加微分量子效 率但同时也导致阈值电流的增大。因此耍对前端面的反射率综合考虑，同时要 考虑后端面的影响，优化得到前。后端面的反射率 2 5 2 外腔半导体激光器的光谱线宽 半导体激光器的光谱线宽 1 捌是表征相干性的重要参数f p 腔半导体激光 器在直接调制工作状态下都要发生谱线展宽现象，且随调制速率的增加，振荡 模的线宽会变得更宽，特别是偏置电流低于阀值时更为严重展宽的原因是由 于阀值电流附近，注人载流子浓度的瞬态变化造成自发发射光场相位的波动， 从而使谱线变宽。亨利用谐振腔颓率随增益的变化来说明自发发射改变场的起 伏，。由于强度涨落和相位涨落之间的祸合所产生的影响使肖洛一汤斯线宽展宽 ( 1 + 口2 ) 倍，半导体激光器的光谱线宽可表示为： a v ；塑雩笺芈尘 8 ) 8 月，匕 、7 其中，岛是阈值增益，a 钿是终端镜面损耗，是群折射率，是载流 子分布未完全反转的统计因子，可用= - 一删一来描述，在室温 下取= 2 5 3 。口是线宽展宽因子，它与载流予浓度、温度和激光器的结构 有关，它可用下式表示； 一嘞 弘- 2 局卺t 9 ) 正v 蜀是像散因子镑是有效折射率”g 可是有效增益由前面的分析v 的变 化趋势和只。是相反的，增加鲁能减小口从而压窄线宽。量子阱结构将电 子限制在二维阱中可以增强二窭乒，它的增加还可以改善固有的弛豫振荡频率。 d 牲 对采用光线光栅的强反馈外腔半导体激光器，线宽表达式应该修正为： a v ：6 l f 2 6 0 1 【l + 三( 1 一量) ： 、 ，m巳 舢是无外腔时的线宽，；2 n l - , ，f ：丝可见外腔长度增大会增大f ， 从而能进一步压窄线宽，而由前面的分析可知，外腔长度增大会制约高频特性， 因而需要综合考虑。 对于弱反馈外腔半导体激光器的研究表明，其线宽压窄比强反馈的情况更 优，但模式的稳定性则有所不如。 2 6 薄膜设计 保护端面的作用。光学薄膜【研有归整和非归整之分，对某一材料归整是指薄膜 耻蒹籍墨 亿s 。 耻鬲面蟊蕊 g 6 d 是波导中的等效模式折射率，啊是膜层折射率，艿；! ! ：丝是相位厚度， t 是膜层的物理厚度这里的入射介质是等效模式折射率的在物质，出射介质 是空气( 取为1 ) ，假定是垂赢入射。当膜层的折射率在等效模式折射率和空气折 射率之间时，有增透的功能，并且当o ；丢时，理论上有最小反射率是： 2 崤2 重庆邮电大学硕士论文第二章理论分析 可见啊越接近i 反射率越低，在啊t i 时有k = 0 。 如2 嚣r ， ，他是高，低折射率，n 是膜层重复的周期。研究表明，两种材料的 折射率差别越大，重复周期越多“反射率越大。 2 7 光纤光栅的概念 光纤光栅是一种参数周期变化的光波导【6 ”，通过合理设计其参数可以得到 窄带滤波的特点实现外腔式半导体激光器其工作原理是管芯的端面增透后通 过光纤光栅耦合，由于光纤光栅峰值波长的强反馈使激射波长最终锁定在光纤 光栅反射谱的峰值上。光纤光栅特性决定了激射波长同时由于其折射率的温度 稳定性因而能很好的抑制啁啾 按空间周期和折射率分布特性光纤光栅主要可分为均匀光栅、线性啁啾光 栅、相移光栅、取样光栅等定量分析光纤光栅通常用耦合模方程耦合模方 程认为。光纤光栅中传输的模场由理想光纤在受到微扰的情况下的本征模叠加 而成即： e ( 五j ，：，) = 【4 ( z ) 唧( - f 巧z ) + q ( z ) e 州码瑚。勺o ，y ) e x p ( 一i c o t ) ( 2 卿 4 ，0 ) 、嚣，( z ) 分别是沿+ z 和q 方向传输的第，个本征模的慢变振幅， p 。似y ) 是第，个模场的横向电场分布。 代入波动方程并运用模式正交的性质可以得到： 警；。莩 4 ( 日+ k ；) e x p 【- f ( 尾一a ) z 】+ 反( 霸一巧) 唧 f ( 压+ 属) z 】 ( 2 6 5 ) 警；砭( 4 ( 磁一k ；) e x p - t ( a + 肪卜反( 目+ k d e x p t ( a + 肫】 ( 2 j 6 6 ) 磁0 ) 和磁( 力是传输模式，和t 之间的纵向耦合系数可表示如下： i 1 国l 第三e u ( x x ( 枷蛐( 2 6 d 磁( 力= ；j l 。f h = ) 似力x “_ ，) 出方 ( 2 6 8 ) a e ( x , y , z ) = a s ( z ) = 叫l n 2 * 2 细是光栅引起的对介电常数的微扰。是 折射率的交化 均匀光栅适合实现窄线宽的反射特性，其沿光栅的折射率变化可表示为： 血甜【l 棚咚：) ( 2 6 9 ) 在均匀光纤光栅中如果忽略包层模的传播模式，模式祸合主要发生在两个 传播方向相反的模式之间这时光栅中电场强度的表达式可写成： g a x , y , z ) = 爿o ) 唧( 孵；) + 烈力e 啪岛= ) q ( 而力 ( 2 7 0 ) 予是入射模和反射模的相互作用可以用耦合模方程来描述如下： l 堡：揪+ 淞 i 竺：和o 置 ， l 出 其中k 肥) = 肥) e x p 泓一詈) 。s ( 力= 雄) 唧( 概+ 争，荸= j + a 弓警 称为直流自耦合系数，而占；：厅哇寺，一；孕，警= 等等譬- 锄 是模式等效折射率。如是中心波长# r 是交流耦合系数对于单模光纤有 茁= 三啦- 对均匀光纤光栅是常数且有警；o ，求解上述方程并利用边界条件 蜊一i 。s ( t ) t o 可以得到光栅的能量反射率表达式“ r g ； ( 2 7 2 ) 可见反射率最终是受到r 和孑的影响的，而这两个参数是因t 工摹一” 变化而变化，因而反射率与m 、西谤和厶相关可以先选定m ，为了使激光器 达到指标的要求应根据具体要求选择光纤光栅的占7 培和乓 重庆邮电大学硕士论文第三章激光器的设计 第三章激光器的设计 为了实现激光器的高速和窄线宽的要求需要考虑以下方面： 1 有源层采用应变量子阱结构能够提高微分增益从而增加调制带宽，为此 要选择合适的材料系并设计有源区合适的组分和厚度； 2 工艺制作时要尽量降低寄生参数对调制带宽的影响，器件的寄生参数包 括寄生电阻，电容和电感，要合理设计各外延层的材料参数，还应采用高频封 装技术保证激光器能高速工作 3 利用外腔模型，设计合适膜系，设计光纤光栅进行选频都得到单纵模的 工作状态。 3 1 激光器材料和结构选择 对半导体材料的要求有很多，首要的是要有直接跃迁的带隙，这种半导体 材料带问的电子与