（物理电子学专业论文）非均匀分布宽条形半导体激光器.pdf

摘要 随着半导体激光器泵浦固体激光器技术的应用和发展，要求半导 体激光器泵浦源有更高功率的同时还要有更好的光束质量特性。对于大 功率半导体泵浦源而言，宽条形半导体激光器是它的一个主要发展方 向。但由于宽条形半导体激光器本身固有的特点，诸如空间烧孔、自聚 焦、热透镜现象、模式竞争等对半导体激光器的工作存在严重影响，特 别是不存在适当的侧向光场限制措施时，它的光束特性与理想高斯光束 相差很大。反映在光束质量因子上便是m 2 远大于1 ，这是许多应用所 不能够接受的。在此根据载流子的空间扩散原理提出了两种侧向限制结 构，通过优化影响光束质量的因素使得器件的光束质量因子明显降低、 光束质量得到改善。 理论和实验表明：普通宽条形半导体激光器的光束特性可以通过载 流子扩散方式加以改善。本论文主要围绕高光束质量的7 9 0 n m 单量子阱 宽条形半导体激光器的设计、工艺制备及特性评价进行了深入研究，主 要工作包括以下几个方面： 1 、基于器件理论及工艺过程论述了设计器件的原理与半导体激光器 的制作工艺。 2 、研制了新型的高斯线形分布结构和横向菱形分布结构队一s 唧一l d 。 3 、同普通b a - s q w l d 进行特性比较，分析了影响b a s q w - l d 光束质 量的因素。 关键词：近衍射极限光束质量因子空间烧孔热透镜自聚焦 丝状发光 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i o d ep u m p i n gs o l i ds t a t el a s e r ( d p s s l l t e c h n o l o g y , h i g h e ro u t p u tp o w e rf o rd i o d el a s e r sh a v et ob e e nr e q u i r e d w h i l eh i g hb e a mq u a l i t yi si m p o r t a n tf o rm o s ta d v a n c e da p p l i c a t i o n s f o r h i 曲p o w e rd i o d el a s e r st h eb r o a da r e a ( b a ) s t r i p ed e v i c eh a sb e c o m et h e m e s tu s e ds t r u c t u r e t h eb e a mq u a l i t yo fb ad i o d el a s e r sh a sal a r g e d i f f e r e n c ec o m p a r e dw i t ht h a to fa l li d e a lo a u s s i a nb e a md u et ot h ec a r r i e r s p a c eb u m i n gh o l e ，s e l f - f o c n s ，h o tl e n s i n ga n dl a t e r a lm o d ec o m p e t i t i o ne t c i nb ad e v i c e sb e c a u s en os u i t a b l el a t e r a lw a v e g u i d ee x i s ti nt h i st y p e d e v i c e s 1 h em f a c t o ro fb ad i o d el a s e r si sf a rm o r eg r e a t e rt h a n1 0w h e n c h a r a c t e r i z e dt h eb e a mq u a l i t yw i t h 胛f a c t o ra n dc a n ts a t i s f ym o s t a d v a n c e da p p l i c a t i o ni nf u t u r e t w ol a t e r a lc o n f m e m e u ts t r u c t u r e sh a v e b e e np r o p o s e db a s e do nc a r r i e rd i f f u s i o nm e c h a n i c s as m a l lm zf a c t o ra n d t h e na1 l i 曲b e a mq u a l i t yc a nb ea c h i e v e db yo p t i m i z i n gt h ei n t e r n a lf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h eb e a mq u a l i t y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb e a m q u a l i t yo fb ad i o d el a s e rc a l lb ei m p r o v e db yt h ep r o p o s e dc a r r i e rd i f f u s i o n s t r i p ed e v i c e s ac o m p r e h e n s i v es t u d yh a sb e e nm a d eo nd e v i c ed e s i g n , f a b r i c a t i o np r o c e s sa n do u t p u tc h a r a c t e r i z a t i o no f7 9 0 n mw a v e l e n g t hs i n g l e q u a n t u mw e l l ( s q w ) b ad i o d el a s e r s w h i c hi sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h ep r i n c i p l eo ft h ed e s i g n e dd e v i c ea n df a b r i c a t i o np r o c e s sh a sb e e n g i v e no nt h eb a s eo f d i o d el a s e rt h e o r ya n dp r o c e s s 2 ao a u s s i a ns t r i p eb as q wd e v i c ea n dar h o m b u ss t r i p eb as q w d e v i c eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d 3 t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s i g n e dd e v i c eh a sb e e nm e a s u r e d c o m p a r e dw i t h 也a to ft r a d i t i o n a lb ad e v i c e s t h ei n f l u e n c ef a c t o ro nb e a m q u a l i t yo f b ad e v i c e sh a sb e e na n a l y z e d k e y w o r d s ：n e a rd i f f r a c t i o nl i m i t b e a mq u a l i t ) ，f a c t o r s p a c eb u r n i n gh o l e h o tl e n s i n gs e l f _ f o c u s f i l a m e n te m i s s i o n 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题 目是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年一月一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 年一月一日 指导导师签名： ! 匦翻妇j 月卫日 第一章绪论 1 1 半导体激光器的发展回顾 1 1 1 半导体激光器技术的发展概况 半导体激光器的发展大致经历了三个阶段“】：同质结激光器、异质 结激光器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器 基本理论概念的提出。1 9 5 3 年9 月，美国的冯纽曼( j o h ny o nn e u m a n n ) 在他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可 能性。e c s l en o m a a l es u p e r i e u r e 的p i e r r ea i g r a i n 在布鲁塞尔的国际会 议上，第一个公开发表了在半导体中得到相干光的观点。苏联列别捷夫 研究所的b a s o v 在1 9 5 8 年公开发表了在半导体中实现粒子数反转的理 论论述，又于1 9 6 1 年公开发表了将载流子注入半导体p n 结实现注入激 光器的论述。1 9 6 0 年贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平 行解理腔面作光反馈的谐振腔。1 9 6 1 年伯纳德( b e r n a r d ) 与度拉夫格 ( d u r a f f o u r g ) 推导出了半导体有源介质实现粒子数反转的条件。 在上述理论的影响下，1 9 6 2 年，美国的四个实验室几乎同时宣布 研制成功同质结g a a s 半导体激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作， 毫无实用价值。上述同质结构激光器经历5 年的徘徊，1 9 6 7 年用液相 外延的方法制成单异质结激光器，实现了室温下器件的脉冲工作嘲。 1 9 7 0 年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器，实现了室温 连续工作。由于半导体激光器的诸多突出优点，之后，半导体激光器得 到了迅猛发展。其发展速度之快、应用范围之广，是目前任何其他激光 器所无法比拟的。 随着半导体激光器性能的不断改进，新的半导体激光材料将激光的 波段范围的拓宽，半导体激光器在许多方面得到应用。最早进入实用的 是波长为0 。8 3 0 8 5 u m 。7 0 年代末，在1 3 u m 和1 5 5u m 得到损耗更 小的单模光纤，长波长i n g a a s p i n p 系激光器也很快达到实用化。 可见光半导体激光器受光信息处理技术的需求推动，也在7 0 年代 开始得到发展。量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束 外延( m b e ) 和金属有机化合物化学气相淀积( m o c v d ) 技术的日渐 成熟，可以生长出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，这 种量子阱激光器与以前的体材料激光器相比具有更优越的特性，如：阈 值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大等。并且，通过生长应变 量子阱使得生长非晶格匹配的外延材料得以实现，进一步拓宽了激光器 波长范围，也实现了激光器性能的进一步提高。 1 1 1 1 i n g a a s p i n p 材料体系半导体激光器 该系列半导体激光器激射波长在1 1 1 6 u m 。典型应用是通讯用 半导体激光器光源，发射波长为1 3 u m 和1 5 5u m ；另一种是发射波长 为1 4 8u m 的激光器，用作掺铒光纤放大器泵浦源。 到目前为止，光纤通讯领域也是半导体激光器应用的最大市场。 1 9 9 9 年，通讯用半导体激光器占了总半导体激光器市场的6 8 7 。由于 光纤传输损耗及色散系数在1 3 u m 和1 5 5 u m 最低。处于此波长的 i n g a a s p i n p 半导体激光器得到广泛研究。为了提高激光器光束质量、 性能及寿命，开发了多种结构激光器，典型的有：脊波导激光器、掩埋 新月形激光器、隐埋条形异质结( b h ) 器等。器件的输出功率在几m w 2 0 m w 左右，阈值电流几l i l a 十几i i i a 。该类激光作寿命可达数十万小时。 为适应高速光纤通讯、波分复用系统对单模激光器需求，开发出了 动态单模激光器。主要包括分布反馈( d f b ) 激光器、分布布拉格( d b r ) 激光器等。分布反馈激光器就是在激光器光波导区内引入一个光栅，利 用光栅只对某一特定波长作择优反馈，实现对某一特定激射波长的选 择。分布布拉格反射激光器是在激光器增益区外引入光栅，选模原理类 似d f b 激光器。该类激光器调制带宽很大，几个g h z 数量级或者更大。 多端可调谐半导体激光器，是波分复用、频分复用系统不可缺少的 器件。用多段d f b 激光器，通过调整各段电流分配比率可实现2 8 n m 波长调谐范围。 1 4 8 0 n m 半导体激光器：主要用作e d f a 泵浦源啪。用1 4 8 0 h m 泵浦 的e d f a 有比9 8 0 n m 泵浦宽且平坦的增益谱。并且，由于光纤在1 4 8 0 n m 处损耗较小，可方便地利用传输光缆作远端泵浦而用于中继放大的 e d f a 。该激光器光纤输出功率约5 0 m w 左右。 1 1 - 1 2 1 n g a a s g a a s 应变量子阱激光器 该材料系的发射波长在8 9 0 n m l l o o n m 之间。典型的器件是9 8 0 n m 、 9 0 0 h m 、1 0 6 4 n m 。由于i n g a a s 比g a a s 晶格常数大，二者之间存在晶格失 配，体材料无法实现低位错生长。9 0 年代初，随着量子阱结构材料生 长设备的发展，才生长出实用的应变量子阱结构材料。 9 8 0 n m 和1 4 8 0 h m 两种半导体激光器是掺铒光纤放大器的核心器件 的泵浦源。掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无 再生中继、接收机的前置放大等。掺铒光纤中有效的泵浦波长是9 8 0 n m 或1 4 8 0 n m 。由于用于光通讯系统中，要求泵源激光器与光端机中用作 光源的半导体激光器的寿命相当。特别是在海底光纤通讯系统，要求约 2 5 年的寿命。 2 9 8 0 n m 大功率半导体激光器是在9 0 年代初随着量子阱材料生长技 术的成熟发展起来的新型器件。利用应变i n g a a s g a a s 材料实现9 8 0 r i m 激射波长。掺铒光纤放大器泵源要求将发射激光耦合进单模光纤，激光 器必须基横模工作。从9 0 年代中后期，9 8 0 激光器在国际上已基本成 熟，主要参数为：中心波长9 8 0 5 n m ，根据不同产品，光纤输出功率 在5 0 m w 2 0 0 m w 之间，驱动电流在6 0 m h 3 0 0 m h 。 9 0 0 n m 半导体激光器，由于i n g a a s 材料结构中含i n 原子很少，晶 格与g a a s 失配不大，在早期的体材料结构中就有脉冲工作的产品。9 0 年代以后，随着量子阱技术的发展，目前产品器件结构多为量子阱器件。 该类器件多为脉冲工作。对单个器件，在脉冲宽度1 0 0 2 0 0 n s 、重复 频率1 k 条件下，输出峰值功率达5 1 0 w 。多个管芯组装在一个直径小 于9 m 的管壳内，输出峰值功率达1 0 0 1 5 0 w 。 1 0 6 4 r i m 半导体激光器，由于i n g a a s 中含i n 组分较多，晶格与g a a s 失配较大。制作相对难度较大。目前商品单管脉冲输出功率约5 w 。由 于此波长半导体激光器与固体n d ：y a g 激光器波长相同，在某些地方可 取代或模拟其信号。在军事上可用于激光干扰机等“1 。 1 1 1 3 a 1 ( i n ) g a a s g a a s 材料系列 该材料系的发射波长在7 8 0 n m 8 7 0 n m 之间。典型代表波长是8 0 8 n m 半导体激光器。8 0 8 r i m 半导体激光器，由于其发射光谱与n d ：y h g 等固 体激光介质吸收峰值对应，主要用作固体激光器泵源，取代氙灯泵浦“】。 由于半导体激光器泵浦固体激光器具有体积小、电磁兼容性好的特点， 可广泛应用于机动武器测距。虽然早在6 0 年代就有人提出用半导体激 光器泵浦固体激光器，但由于当时该类半导体激光器功率很小，无法实 现。真正实用化的发展，是在8 0 年代中后期量子阱技术的成熟。典型 的代表产品有：( 1 ) 单管，其典型发射孔径在1 0 0 5 0 0 u m ，连续输出 功率形成1 4 w 系列产品。光谱半宽 3 h i 。( 2 ) 一维阵列：为了获得高 输出功率，在同一衬底上积成多个激光发射单元。典型结构是在l c m 线 列长度内制作几十个单元器件，形成一个线阵。对于连续工作器件，l c m 线阵的输出功率为2 0 4 0 w 或更高。对准连续工作器件，l c m 线阵的输 出功率峰值为6 0 1 0 0 w 。( 3 ) 二维阵列：将多个一维阵列组装到一起， 形成二维阵列。典型二维阵列组装阵列条间距0 4 r m ，准连续输出功率 根据组装的线列条数量，在几百w 至几千w 。 1 1 1 4 可见光半导体激光器 第一个红光半导体激光器诞生于1 9 8 7 年。其激射波长为6 7 0 n m ， 材料结构为g a i n p g a a s 系列。以后随着m b e 、m o c v d 生长应变超晶 格材料工艺的不断完善，很快使6 7 0 n m 激光器达到商品化程度。通过在 有源层中采用( g a l - x a l x ) 0 5 i n 0 5 p ，用部分a l 取代g a 使带隙增加， 或采用应变多量子阱实现6 3 5 n m 激射波长的红光半导体激光器。 蓝、绿光波段的半导体激光器，该波长范围激光器在9 0 年代才开 始实现激射。1 9 9 1 年，美国3 m 公司首次在7 7 k 下实现了激射波长4 9 5 n m 的z n s e 半导体激光器脉冲工作。9 2 年实现室温脉冲工作。1 9 9 8 年索 尼公司实现了激射波长为5 1 4 n m 的室温连续工作。1 9 9 6 年日本日亚公 司用多量子阱g a n 实现了4 1 0 n m 波长激光器的室温连续工作。1 9 9 7 年连续工作寿命已达i 0 0 0 0 小时以上。该类激光器正逐步走向实用化。 1 i 2 大功率激光器 近年来，大功率半导体激光器阵列得到了飞速发展，已推出产品有 连续输出功率5 w 、1 0 w 、1 5 w 、2 0 w 、4 0 w 直至数百瓦以上的激光器 阵列。脉冲工作的激光器，峰值输出功率5 0 w 、1 2 0 w 、1 5 0 0 w 、和4 8 0 0 w 的阵列也已经商品化”】。 ( 1 ) 8 0 8r i mi n g a a s p 无铝大功率激光器 该材料体系半导体激光器主要由美国相干公司最早研制成功。无铝 激光器还具有抗暗线和污斑缺陷、抗断裂、抗衰变和抗氧化等能力，具 有高电光转换效率、窄线宽发射，低光束发散角等输出特性，适用于航 空电子学中二极管泵浦固体平板激光器、医学和工业等领域“】。 ( 2 ) 低垂直束发散角的8 0 8r i m 大功率激光器 由于较小的波导尺寸，半导体激光器发射时在垂直于结平面方向存 在大的光束发散。这种较大的光束发散特性对器件的许多应用具有严重 影响。将高折射率层插入两层包层之间的方法可有效增加波导宽度、减 少输出光束的发散角，既有利于提高半导体激光器的可用性，又易于提 高器件的输出功率水平。 1 1 3 半导体激光器的影响 半导体激光器对国防科技、军事装备、光通信和国民经济起着非常 重要的作用。 到目前为止，光纤通讯领域也是半导体激光器应用的最大市场。 1 9 9 9 年通讯用半导体激光器占了总半导体激光器市场的6 8 7 。典型器 件波长为1 3 u m 、1 4 8 和1 5 5 u m 的i n g a a s p i n p 材料体系半导体激光 器及波长为9 8 0 r i m 的i n g a a s g a a s 应变量子阱激光器。 半导体激光器的另外一个应用方面是光存储、光处理。如红光甚至 蓝光半导体激光器可用于c d 、v c d 、d v d 读写光头、条形码扫描等， 具有巨大的市场空间。 大功率半导体激光器主要用于固体激光器泵浦，具有体积小、效率 高、可靠性好、电磁兼容性强等特点，可广泛应用于工业加工、材料处 理、焊接、打标及国防应用等方面。大功率半导体激光器也可直接用于 医疗、材料焊接、快速成型等方面，具有良好的市场发展空间。 4 1 2 研究背景及意义 半导体激光器的大多数应用都要求激光器的发射光束具有小的发 散角，高的光谱纯度。为满足以上要求，半导体激光器最好是理想条件 下的基横模、单纵模工作“。由于垂直结平面方向存在稳定的基模波导， 其工作具有良好的基模特性。在平行于结平面方向，一般大功率半导体 激光器均为宽条形结构，随着输出功率的增加、温度变化、甚至高频调 制时均会表现出明显的波导不稳定性和多横模工作特性。为了获得良好 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 平面方向( y 方向) 加进适当的限制结构，即在y 方向上加一个光增益 限制区或是建立一个有折射率差的导引机构。从原理上讲，若令有源区 侧向的复介电常数变化为：( 力= ( y ) q - 绝( y ) ，则利用介电常数实部 占，的空间变化s a y ) 可实现折射率导引机制，或利用e 的虚部e ( y ) 的 空间变化可得到增益导引作用。侧向限制能起三个作用：1 能够将注入 电流限制在条形有源区内，限制载流子沿有源区侧向的扩散；2 将辐射 场限制在有源区的谐振腔区域内。对于不同结构，限制的能力和有效性 各不相同。 普通条形激光器的典型结构如图1 1 所示“。”“1 ，由图可见，在垂 直于结的x 方向上，有源层上、下各有低折射率的上、下包层进行光场 限制。在平行于结的y 方向上两侧为无电流注入的吸收区。 图1 1 普通宽条形半导体l d 结构及其光场分布 条形激光器常见的几种结构类型有，氧化物条形激光器；质子轰击 条形激光器；内条限制条形激光器：沟道衬底内条形激光器；掩埋异质 结激光器u ”。 在平行于结平面的侧向，由于存在电流扩展效应，增益导引激光器 的辐射场与工作电流变化有关。从原理上讲，这是利用介电虚部( 与折 射率虚部有关) 来实现模式选择的。增益导引激光器存在辐射场模会发 生畸变、偏移、p i 曲线上出现“扭折”等缺点。尽管如此，由于结构 简单，制作方便，成本相对低的优势，增益导引型半导体激光器已经成 为大功率半导体激光器的主要结构方式。 为了提高半导体激光器的输出功率和改善输出光束的质量，人们提 出了多种改善方法，如非稳腔结构、外腔注入宽面积放大器结构、锁相 阵列结构及主振功率放大器( m o p a ) 结构等“”。主振功率放大器 ( m o p a ) 结构使得半导体激光器的功率和光束质量得到了较大的改善。 但是为了获得较高的光束质量，主振区需采用复杂的d b r 结构。虽然分 布反馈( d b r ) 激光器有光谱稳定，对外部组件的反馈光不灵敏等优点， 但是d b r 激光器制作工艺复杂，如刻二级光栅等，制作成本较高。为此， 提出了改变注入载流子欧姆电极特定图形结构的方式来提高大功率器 件的光束质量。其研究结果对宽条形半导体激光器的高质量制作具有一 定的指导意义。 1 3 论文的主要内容 本论文主要利用注入载流子扩散机理设计了多种不同接触电极图 形的宽条形激光器，拟通过其对侧向模式的选择性导引实现大功率半导 体激光器的高光束质量输出。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 基于激光器基本理论设计了高斯线形分布结构和菱形分布结 构的条形激光器。 一 ( 2 ) 对高斯线形分布结构和菱形分布结构的条形激光器进行了工 艺设计与制作。 ( 3 ) 对高斯线形分布结构和菱形分布结构的条形激光器进行了输 出特性测试，并与普通b a - s q w - l d 进行了特性比较，分析了影响 b a - s q w - l d 光束质量的主要因素。 6 第二章b a - s q w - l d 的制作工艺及扩散理论 2 1 载流子扩散、波导、增益理论 2 2 1 载流子扩散理论 少数载流子的侧向扩散是影响条形激光器局部增益分布的另一个 重要因素。如图2 1 所示“”“”。严格地讲它与电流扩散效应有关， 因此准确的模型应该把两者综合起来考虑。但是为简单起见，这里讨论 近似模型。 描述载流子扩散方程为： 铲- e = 般 ( 2 1 ) 式中，n ( y ) 是少数载流子浓度，厶和见分别是少子在有源区内的载流 子扩散长度和扩散系数。假设电流密度六( y ) 由： 六 勉盯l y l w 2 汜。， 1 厶= 矗+ 2 c 2 2 c ( c 2 + ) 2 ( 2 3 ) 鼻 凡茜 7 ( 2 4 ) 图2 1 载流子扩散示意图 f ，慨) c=l ( 2 5 ) 。= 年 一一一 汜6 ， ji 则( 2 1 ) 的解为： 对于l y i ， 一饥 1 _ 占l o + l , 姗习w 洲别 对于i y p ， 8 ( 2 7 ) 妇e x 埠糍一由刮e 剖 式中， 0 = 2 l 五l o e 兰d o d , ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 1 2b a - s q w - l d 的光增益 由= 略一口。可见，局部增益系数通常可以表示为少数载流子 浓度的函数： g ( y ) = a , n c y ) 一a o ( 2 1 0 ) m 阶侧模的模增益瓯由g ( y ) 决定。严格地讲它和集中于该模中的辐 射强度分布i m ( y ) 有关“”，即： 屹 ig ( ) ，) l ( y ) 砂 q = r 上i 一 ( 2 1 1 ) i l 方 ； r 是限制因子。 条形激光器中的电流扩展和载流子扩散会造成局部增益分布g ( y ) 的展平，超过激射阙值时还应考虑受激发射的影响。在有源区内产生受 激复合的电流密度克 ) 为： 庀吲加矗 “ ： ( 2 1 2 ) 随着受激发射的功率增加，g ( y ) 在中心处下凹，局部区域内变平， 造成对高阶模增益增加“”3 。在有源区较宽的激光器中，这点尤为突出。 即所谓的“空间烧孔效应”。 2 1 3 平面结构中的导波效应 9 条形激光器中，平行于结平面内的导波效应与复数折射率玎一：( y ) 的 实部和虚部的变化有关，令： n r 2 ) = 2 ( 0 ) + a n r 2 ( y ) k ( y ) = 屯2 ( o ) + k ( 力 ( 2 1 3 ) ( y ) = z ) 一i f , ( ) ，) 式中，厂( y ) 为复数折射率的微扰，它由式瑶：( 力= 瑶( o ) + ，( y ) 来表示， 将烈舅三乏高毪墨代入该式，因为咄：和她：是删、的，所以 可得： z ( y ) 。2 瞰o ) 咄：一屯：( o ) 眈2 翻 ( 2 1 4 ) z ( y ) = 2 n a 2 ( o ) t 2 ( y ) 一t 2 ( o ) 2 ( y ) 】 吸收系数的变化引起消光系数的变化。通常在有源区中心，吸收系 数是负的，表现为增益。在无源区内，吸收系数是正的，表现为损耗。 局部增益分布g ( 力与吒：( y ) 有关： g ( y ) = 一a 2 ( y ) = 一4 z k 。2 ( j ，) ( 2 1 5 ) 式中，a 2 ( y ) 是有源区内吸收系数的分布。因此消光系数的变化可表示 为： 也2 ( y ) = 詈 g ( o ) 一g ) 】 ( 2 1 6 ) 另一方面，折射率：( 力的变化与自由载流予吸收和温度有关， 如下式： a n r ：( y ) = 吆( o ) 一_ ( 力 一劬【l ( o ) 一l ( 】，) 】 ( 2 1 7 ) 式中，是总的载流子浓度，l 是有源区温度，、吩是比例系数。 因为一。：随温度和自由载流子浓度的变化是相反的趋势，变化的效应是 1 0 相互补偿的，因此总的a n r ，( ) ，) 比较小。 综上所述，在没有内建波导的平面条形激光器中，垂直于结平面的 x 方向的波导效应是由于异质结界面复数折射率实部的突变造成的。而 在平行于结的y 方向，增益分布g ( y ) 起主要作用，即消光系数的变化起 主要作用，即消光系数的变化起主要作用，结果形成增益导引效应。而 a n a ，( y ) 的变化只有附加的弱波导或反波导作用，究竟哪一个作用为主， 取决于有源区的厚度及器件的工作条件。这样的限制机理使条形激光器 的辐射很不稳定。 2 2 载流子连续性方程 电子和空穴连续性方程( 又称为载流子速率方程) 是描述非平衡状 态下载流予运动的基本方程。描述非平衡状态下的连续性方程的意义 即：单位时间、单位体积内载流子数的增加等于注入的载流子数减去因 复合而消耗的载流子数“1 ”，具体如下面两式： 百t o n = i 1 v 以一舷p ) ( 2 1 8 ) 至：一丢v j v 叫珂，力 (219)ot口 、 式中r ( n ，p ) 是电子一空穴对的产生一复合速率j n 、j p 分别为电子和 空穴电流密度矢量1 j ，= z n n 勺e m + a 。u , , n k 8 v t 2 2 0 ) j p = p p p v e 一仪p “p p k b v t t 2 2 1 ) 器件模拟中为了简化计算，在不考虑温度梯度产生热扩散效应时， 上两式可以简化为： 以= 。挖v e j ， ( 2 2 2 ) 以= z p p v e f e ( 2 2 3 ) 其中迁移率是描述载流子迁移快慢程度的物理量，它直接反映了载 流子漂移运动和扩散运动的快慢。一般而言，迁移率是电场的函数。 2 3 欧姆接触 金属与半导体接触所形成的非整流接触，即欧姆接触，是一类重要 的金属一半导体接触。欧姆接触是半导体器件工艺中不可或缺的环节之 一，它可以用于器件和电路信号的输入以及各元器件间的相互连接。欧 姆接触质量的好坏和可靠性的高低直接影响器件的使用。欧姆接触不产 生明显的附加电阻，不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生明显的改 变。从电学上讲，当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应远小于样品 或器件本身压降，这种接触不影响器件的电流一电压特性o ”，2 ”。 s