（光学专业论文）光泵浦半导体激光器的增益特性分析.pdf

摘要 摘要 近年来，光泵浦半导体激光器在远程通信、生物医学诊断、照相洗印等领域 得到了成功的应用。光泵浦半导体激光器之所以受到大家的青睐，原因在于它兼 顾了面发射半导体激光器、边发射半导体激光器和固体激光器三者的优点，既有 好的模式和较高的功率，波长又可以设计，还可方便地进行腔内倍频和锁模运行， 是一种新型实用的激光光源。在光泵浦半导体激光器的设计中，增益是一个非常 重要的同时也是一个非常复杂的参量，激光器的一些重要工作性能都和增益参数 有密切联系，如阈值电流、效率和功率就依赖于增益谱和发射波长的对准情况。 因此，深入研究增益特性，对进一步改善激光器的性能具有重要意义。本文主要 有如下几方面内容： 第一章是绪论。简述了光泵浦半导体激光器的特点、应用及其发展历史和研 究现状。从高功率连续光输出、倍频光输出和锁模输出三个方面对光泵浦半导体 激光器的研究现状进行了总结；介绍了光泵浦半导体激光器的应用价值；综述了 分析应变量子阱有源区增益特性的方法。 第二章是光泵浦半导体激光器的结构及工作原理。简述了对泵浦源、谐振腔、 增益结构的设计要求；研究了光泵浦半导体激光器增益结构的设计，包括分布式 布拉格反射镜、量子阱增益区、微腔结构等；详细介绍了有源区应变量子阱的材 料特性及应变的引入对能带结构、禁带宽度、发射波长等的影响。 第三章是能带结构计算。首先介绍能带结构分析的基本方法，然后介绍带边 不连续性及带隙的计算方法，以i n g a a s g a a s 应变量子阱材料为例，利用有限 差分法对含6 x 6l u t t i n g e r - k o h n 哈密顿量的有效质量方程精确求解，得到了 i n g a a s g a a s 应变量子阱导带、价带的能带结构和包络函数，并给出了一些分析 结果。这部分工作特点是将带隙、带边不连续性计算和带结构计算系统结合起来， 构成一完整体系，这些对于优化设计来说是必须的。 第四章是增益计算。首先介绍了态密度、准费米能级等一些与增益有关的参 数。然后介绍了增益的定义、微扰矩阵元、考虑光谱展宽的增益等。详细研究了 i n g a a s g a a s 应变量子阱材料体系，用两种方法计算了量子阱自发辐射谱和增益 谱，一种方法是用抛物线近似能带直接给出能级位置计算增益谱和自发辐射谱； 另一种方法是用考虑带间混合作用的多能带有效质量模型进行计算，得到量子阱 增益谱和自发辐射谱。本文最后讨论了阱宽、载流子浓度、温度、模式特性等因 素对量子阱增益的影响，比较了两种方法的计算结果。本工作为o p s v e c s e l 的优化设计提供了理论依据。 北京工业大学理学硕士学位论文 关键词：光泵垂直外腔面发射半导体激光器；应变量子阱；能带结构：增益谱； 自发辐射谱 n a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a l l yp u m p e ds e m i c o n d u c t o rv e r t i c a le x t e r n a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ( o p s v e c s e l ) i san o v e lk i n do fl a s e rr e s o u r c e sa n dh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n t h el o n g - r a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，b i o m e d i c a ld i a g n o s i s ，p h o t op r i n t sa n do t h e rf i e l d s m a n yp e o p l ea r ei n t e r e s t e di no p s - v e c s e l ，b e c a u s et h e yh o l dt h ea d v a n t a g e so ft h e s u r f a c e - e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，t h ee d g ee m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n d s o l i d s t a t el a s e r s b e s i d e so ft h eg o o db e a mm o d e l s ，ah i g h e rp o w e ra n dw i d er a n g e w a v e l e n g t hc a l lb ed e s i g n e d ra l s oa l l o w si n t r a c a v i t yf r e n q u e n c yd o u b l i n ga n d m o d e l o c k i n go p e r a t i o n f o rd e s i g no fo p s - v e c s e l ，g a i ni sav e r yi m p o r t a n ta n d v e r yc o m p l e xp a r a m e t e r s o m eo ft h ei m p o r t a n tl a s e rp e r f o r m a n c ea r ec l o s e l yl i n k e d w i t hg a i np a r a m e t e r , s u c ht h r e s h o l dc u r r e n t ，e f f i c i e n c ya n do u t p u tp o w e rw h i c h d e p e n do nt h eg a i ns p e c t r u m t h e r e f o r e ，o p t i m i z et h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c si sv e r y i m p o r t a n tf u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl a s e r s t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so f o p s v e c s e lw e r ei n t r o d u c e d t h er e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n ts t u d i e so n o p s - v e c s e lw e r es u m m a r i z e df r o mt h r e ea s p e c t s ，w h i c hw e r eh i g ho u t p u t ， f r e q u e n c yd o u b l i n ga n dm o d e - l o c k i n go u t p u to p e r a t i o n t h ea p p l i c a t i o nv a l u eo f o p s v e c s e lw e r ed e s c r i b e d t h ea n a l y s i sm e t h o d so ft h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t r a i n e dq u a n t u mw e l lw e r er e v i e w e d t h es e c o n d c h a p t e r i st h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e o ft h e o p s v e c s e l t h ep u m ps o u r c e ，r e s o n a t o r , g a i ns t r u c t u r ea r ed e s i g n e dt om e e tt h e r e q u i r e m e n t s t h ed e s i g no ft h eg a i ns t r u c t u r ei n c l u d i n gd b r ，q u a n t u mw e l l sa n d m i e r o c a v i t yw e r ed e s c r i b e d t h em a t e r i a l so ft h es t r a i n e dq w s w e r ea l s oi n t r o d u c e d t h ei n t r o d u c t i o no fs t r a i nw i l li m p a c tb a n ds t r u c t u r e ，b a n dg a p ，e m i s s i o nw a v e l e n g t h t h et h i r dc h a p t e ri sa b o u tt h eb a n ds t r u c t u r ec a l c u l a t i o n f i r s tw ei n t r o d u c et h e b a s i cm e t h o d so fs t r u c t u r a l a n a l y s i s ，a n d t h e ni n t r o d u c e dt h e b a n d - e d g e d i s c o n t i n u i t i e sa n db a n dg a p f o rl n g a a s g a a ss t r a i n e dq w s ，w eu s et h ef i n i t e 1 1 1 d i f f e r e n c em e t h o dt os o l v et h e6 x 6e f f e c t i v e - m a s sl u t t i n g e r - k o h nh a m i l t o n i a na n d o b t a i n e dt h ec o n d u c t i o n - b a n ds t r u c t u r e s ，t h ev a l e n c e b a n ds t r u c t u r e sa n de n v e l o p e f u n c t i o n s s o m er e s u l t sw e r ed i s c u r s e d a f t e rc o n s i d e ra l lt h ee f f e c t so ft h eb a n d - g a p ， b a n d - e d g ed i s c o n t i n u i t i e sa n db a n ds t r u c t u r e ，ac o m p l e t es y s t e mi so p t i m a i z e d t h ef o u r t hc h a p t e ri st h eg a i ns p e c t r u mc a l c u l a t i o n f i r s ti n t r o d u c e dt h ed e n s i t y o fs t a t e s ，q u a s i - f e r m il e v e lw h i c ha r er e l e v a n tt ot h eg a i n t h e ni n t r o d u c e dt h e d e f i n i t i o no ft h eg a i n , t h ep e r t u r b a t i o nm a t r i xe l e m e n t sa n dt h eb r o a d e n e dg a i n s p e c t r u m t w om e t h o d sa l eu s e dt oc a l c u l a t et h es p o n t a n e o u sr a d i a t i o ns p e c t r u ma n d t h eg a i ns p e c t r u mo ft h ei n g a a s g a a ss t r a i n e dq u a n t u mw e l l s ：o n ei sp a r a b o l i c a p p r o x i m a t i o nb a n ds t r u c t u r e s ，a n o t h e ri st h ei n t e r - m i x i n gw i t hm u l t i b a n de f f e c t i v e m a s sm o d e l f i n a l l yt h ee f f e c t so ft h ew e l lw i d t h ，c a r r i e rc o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e o nt h eg a i no fq u a n t u m w e l l sw e r ec o m p a r e db yu s i n gt h e s et w om e t h o d s t h er e s u l t s p r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sf o r o p t i m i z e s t h e d e s i g n o f o p t i c a l l y - p u m p e d s e m i c o n d u c t o rl a s e r s k e y w o r d s ：o p t i c a l l y p u m p e de x t e m a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ； s t r a i n e dq u a n t u mw e l l ；b a n ds t r u c t u r e ；g a i ns p e c t r u m ；s p o n t a n e o u sr a d i a t i o ns p e c t r u m i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：笙芝釜公日期：。趁旦兰互旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：笙硷导师签名： 邈日期竺雄。了 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 2 1 世纪是光电子时代。光电子技术是国际上竞争十分激烈的高新技术产业之 一，半导体激光器则是光电子产业中最核心的技术。经过4 0 多年的研究、开拓， 半导体激光器无论是从波长上( 从红外到蓝绿光) ，输出功率的水平上( 从m w 至几十w 量级) ，器件的结构优化上( 从同质结，异质结，量子阱结构到应变 量子阱结构) 以及可靠性的提高( 通信用激光器的寿命已达到1 0 0 万小时) 等， 都有了惊人的提高与发展，随之开展的应用研究工作，涉及光纤通信，光盘读写， 光缆电视，高效光泵，激光医疗，激光加工，光陀螺以及光雷达等领域。半导体 激光器的每一次进展都促进了通信等领域的进步，同时不断开创的应用领域又促 进了半导体激光器技术的飞速提高。 近年来，光泵浦半导体激光器( 又称为光泵垂直外腔面发射半导体激光器【l 。】， o p t i c a l l yp u m p e ds e m i c o n d u c t o rv e r t i c a le x t e r n a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ，简 称为o p s v e c s e l ) 作为一种半导体前沿技术发展的新成果，已引起许多发达 国家的重视。在一些具有国际水平的实验室，该器件的理论和实验均取得了令人 瞩目的进展。o p s v e c s e l 之所以受到大家的青睐，原因在于它兼顾了面发射 半导体激光器【4 5 1 、边发射半导体激光器【6 - 7 】和固体激光器【8 】三者的优点，具有较 高的输出功率、良好的光束质量和紧凑的结构及可插入腔内之中的灵活性。这种 新型激光器可以通过半导体能带工程提供更加广泛的波长选择范围，还可方便地 进行腔内倍频和锁模运行，是一种新型实用的激光光源，在远程通信、生物医学 诊断、生化分析、光时钟、照相洗印、高密度光存储、激光雷达等领域有重要应 用【9 1 。随着o p s 技术研究的进展，o p s v e c s e l 将进入更广阔的应用领域，这 要求具有更宽的波长范围和更高的输出功率【l 叫1 1 ，激光器的性能需要进一步优 化。在o p s v e c s e l 的设计中，增益是一个非常重要的同时也是一个非常复杂 的参量，有源区的增益特性决定着半导体激光器的性能，如阈值电流、线宽增强 因子、输出功率、增益饱和特性、噪声因子等。因此，深入研究增益特性，对进 一步改善激光器的性能具有重要意义。能带结构是影响增益的主要因素，量子阱 中由于势垒层与势阱层材料的晶格常数不匹配而产生应变，而应变的引入将影响 量子阱的能带结构，进一步影响激光器的增益特性，因此精确计算量子阱的能带 结构对增益谱的计算至关重要。 本课题来源于国家自然科学基金项目( 批准号：6 0 6 7 8 0 1 0 ) 资助的课题。 北京工业人学理学硕| ：学位论文 1 2o p s v e c s e l 的特点、发展历史及研究现状 1 2 1 特点 o p s v e c s e l 具有光泵固体激光器【8 】的优点：灵活可设计的外腔结构能选出 高品质光束( 基横模、圆形光斑、近衍射极限) ，也允许插入元件进行腔内倍频 和锁模；l d 泵浦既支持高效率和高功率输出，又使激光器变得紧凑可小型化； 半导体增益介质很短的吸收长度( 1 2 肛m ) 导致高效的泵浦吸收，准一维热流 有利于增益区的冷却，温度梯度沿光腔的轴向能最大限度地减小热透镜效应和退 偏振效应，这些都有利于提高激光器功率。 o p s v e c s e l 同时具有半导体激光器的优点：发射波长可根据需要自行设 计( 半导体激光材料的发射波长覆盖了从可见光到红外范围的广阔波段) ；量子 阱半导体带隙工程允许设计出完美的激光器性质( 如低阈值和高转换效率等) ； 既能输出面发射激光器的优质t e m o o 基模，也能获得可与边发射激光器相媲美 的高功率。 另外，o p s v e c s e l 独具的优势还有：芯片结构简单( o p s v e c s e l 芯片 没有p n 结，没有电接触，极大地简化了芯片的后处理过程，既提高了芯片的可 靠性，又消除了附加电阻上的热效应) ；芯片用非搀杂的半导体材料生长，减小 了自由载流子吸收导致的光损耗( 这种搀杂层的自由载流子吸收正是限制边发射 激光器功率的重要因素之一) ；o p s v e c s e l 腔内循环功率是输出的2 0 - 9 0 倍 ( 缘自高反的布拉格反射镜( d i s t r i b u t e db r a gr e f l e c t o r ，d b r ) 和低的输出耦合 率) ，允许高效的腔内倍频( 与之相比，高功率边发射半导体激光器腔内和腔外 功率在同一数量级，用它进行非线性倍频效率要低) ；泵浦波长可有选择地设计 ( 半导体激光介质有大于4 0 n m 的泵浦吸收带，既可允许设计选择泵浦波长，也 确保了l d 宽带泵浦的高效吸收，消除了对单一泵浦波长的依赖，还消除了对 l d 温度变化所致泵浦波长漂移的敏感) ；可获得很宽( 1 0 0 n m ) 的波长调谐 范围：半导体芯片上泵浦光斑较大( 1 0 0 p m 以上) ，高功率时产生光学损伤的 可能性减小了。 总之，良好的空间光束模式、大的激光功率范围、体积小、可集成、高光束 质量等优点使o p s v e c s e l 具有诱人的应用前景。有几种成熟的半导体材料体 系用来制作o p s v e c s e l 可提供好几个令人们感兴趣的波长范围。比如 i n g a a s a i g a a s g a a s ，i n g a a s i n g a a s p g a a s 和i n g a a s p i n p 等材料就是如此。 适用于制作o p s v e c s e l 的现有半导体材料的波长范围基本上覆盖了从紫外到 可见直到红外的所有光波段。基于半导体多量子阱结构的能带工程可得到低阈 值、高输出功率、高转换效率以及宽波长调节范围( 可以超过1 0 0r i m ) 的芯片材料， 2 第i 章绪论 激光器的运行波长和泵浦波长还可以通过优化设计进行一定的选择。 1 2 2 发展历史 在1 9 8 8 年面发射半导体激光器室温连续运转成功后，日本n t tb a s i cr e s e a r c h l a b o r a t o r i e s 的w b j i a n g a 等在1 9 9 1 年就把光泵浦用于外腔面发射半导体激光器。 当时是用n d ：y a g 激光泵浦( 而非l d 泵浦) ，工作温度7 7 k ，输出1 9 0 m w 连 续( c o n t i n u o u sw a v e ，c w ) 光【1 2 】。1 9 9 5 年j v s a n d u s k y 等报道外腔面发射激光 器在室温下运行，文章报道的功率为5 0 0 m w 泵浦下输出2 0 n w 1 3 l 。1 9 9 6 年j d e l l u n d e 等人就外腔对面发射激光器横模的选择特性问题进行了研究【1 4 j 。m a r k k u z n e t s o v 等人1 9 9 7 年首次成功地把光泵浦固体激光器的概念和技术手段引入半 导体激光器，提出光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器( o p t i c a l l y - p u m p e d v e r t i c a l e x t e r n a l c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n g l a s e r ，o p s v e c s e l ) 概念， 为 o p s v e c s e l 作了实验及理论上奠基性的、开创性的工作，首次获得基横模近衍 射极限的优质圆形光斑及高功率( o 5 w ) 输出【1 5 06 1 。1 9 9 9 年，美国s a n d i a n a t i o n a l l a b o r a t o r i e s 的t d r a y m o n d ，w j a l f o r d 等在o p s v e c s e l 中进行了腔内倍频， 得至t j 4 9 ( ) n m ，5 m w 的输出。1 9 9 9 年，英 u n i v e r s i t yo fs t r a t h c l y d e 的m a h o l m 等 首次做了单频可调谐实验，得到3 k h z 线宽，2 5 0 m h z 精细调谐范围输出。2 0 0 0 年，英国u n i v e r s i t yo fs o u t h h a m p t o n 的s h o o g l a n d ，s d h a n j a l ，a c t r o p p e r 等完 成了对o p s v e c s e l 的第一例锁模，输出4 4 g h z 重复频率、2 2 p s 脉冲宽度、平均 功率2 1 6 m w 的脉冲光。之后，瑞士的s w i s sf e d e r a li n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ，德国 的u n i v e r s i t yo fu l m 等众多大学、研究所及商业公司参与投入了o p s v e c s e l 的 研究开发。2 0 0 4 年，s a s m i t h 等人又报导了波长为1 3 k t m 的输出【1 7 1 引，他们用 的是g a l n n a s 做基底的微片v e c s e l ，在5 时得到了波长为1 3 2 2 n m 的大于0 6 w 的连续光输出。2 0 0 4 年，h a n sl i n d b e r g 等人用i n p 做基底i n g a a s p 量子阱的增益片， 用1 2 5 0 n m 的光纤拉曼激光器做泵浦，获得7 0 m w 的1 5 5 0 n m 多横模输出【i9 1 。后来 他们在表面采用s i 热沉散热，在2 4 0 k 时得到2 3 0 m w 的近似高斯基模光输出【2 0 】。 2 0 0 5 年，j e h a s t i e 等人利用单晶宝石作为前表面热沉，获得3 9 0 m w 线偏振6 7 4 n m 的高功率的红光输出【2 l l 。2 0 0 6 年，l if a n ，m a h m o u df a l l a h i 等人报道了一种波长 可调的v e c s e l 激光器【2 2 1 ，获得以9 8 0 n m 为中心的近2 0 n m 的可调波长范围。他们 在腔中加入了双折射滤波片。 1 2 3 研究现状 目前，世界发达国家的许多大学、研究机构、公司纷纷进入o p s v e c s e l 这 一领域，研究从紫外到红外各个波段的材料组分、器件结构及器件特性。 北京丁业大学理学硕卜学位论文 o p s v e c s e l 研究及开发的主要方向有：高功率连续光输出、腔内倍频输出、锁 模光输出。 1 高功率连续光输出 o p s v e c s e l 的优点之一就是可以实现高功率输出。在散热能力允许的条 件下，可通过使用大功率泵浦，增大泵浦光斑提高o p s v e c s e l 的输出功率， 也可通过增加增益芯片中量子阱的个数，或在激光器中用多片增益介质【2 3 彩1 等手 段来提高输出功率。已报道的最高输出功率是3 0 w 】。 2 腔内倍频输出 o p s v e c s e l 具有组合的外腔结构，d b r 的反射率一般可达9 9 9 ，外腔反 射镜的反射率也很高( 9 0 以上) ，故其腔内功率是输出功率的2 0 - 9 0 倍( 而垂 直腔面发射型半导体激光器( 简称v c s e l s ) 两者数量级相当) ，因而比较适合 在腔内实现高效倍频【2 5 之们。国内有人提出可以在o p s v e c s e l 腔内加入b b o 进 行倍频【2 7 1 ，认为用v e c s e l - b b o 可以实现蓝绿光波段光源的小型化；利用 v e c s e l + s e s a m + 倍频晶体实现短波长的脉冲激光输出。国外较早报道有将倍 频晶体朝腔内的一面做成布儒斯特角，外面一端磨成球面作为输出镜，得到了 9 8 0 n m 和4 9 0 n m 的输出圆1 。目前最好功率的o p s o v e c s e l 倍频蓝光输出为相干公 司做出的，他们用一类严格相位匹配的l b o 晶体对高功率二极管泵浦的 i n g a a s g a a so p s v e c s e l 进行内腔倍频，得到5 m w 的4 6 0 n m 光和2 0 0 m w 的 4 8 8 n m 光输出。最近，三星研究中心报导了2 w 的4 6 0 n m 的倍频蓝光输出【2 9 1 。 3 锁模光输出 o p s v e c s e l 克服了光束质量不好、功率低这两个缺点，可用来产生高功率 高光束质量的锁模脉冲：对o p s v e c s e l 锁模也无需经过高非线性的半导体波 导，因此可以产生低于皮秒的变换极限的光脉冲。最早用连续光泵浦v e c s e l 产 生脉冲光的报道见于1 9 9 9 年【3 0 1 ，他们所用的锁模器件为一个内腔声光调制器，重 复频率为1 6 8 m h z ，锁模二次谐波频率为3 3 6 m h z ，最后得至l j l 0 0 - - - 1 2 0 p s 的脉冲输 出。最早的s e s a m 锁模v e c s e l 于2 0 0 0 年由s h o o g l a n d 等人报道川，他们所采 用的是v 型腔，增益结构为i n g a a s g a a s ，工作波长为1 0 0 0 - - 1 0 4 0 n m ，重复频率 为4 4 g h z ，用这种装置获得2 2 p s 的脉冲，输出平均功率为2 1 m w 。但早期s e s a m 锁模形成的脉冲往往有很强的啁啾。目前报道的被动锁模脉宽最短的为 a g a m a c h e 等人于2 0 0 2 年报道的小于5 0 0 f s 的类孤子脉冲 3 2 】，他们采用的增益介 质是以g a a s 做基底，量子阱结构为i n o 2 3 g a o r 7 7 a s ，所用的锁模器件s e s a m 是表 面态生长方法生长的，量子阱吸收体与空气界面只相隔2 n m ，其恢复时间只有 2 1 p s 。用i w 的8 3 0 n m 泵浦，获得4 7 7 f s 的脉冲，输出平均功率达到1 0 0 m w ，当重 复频率为1 2 1 g h z 时得到脉冲峰值功率为1 5 2 m w 。该小组又于2 0 0 5 年用同样方法 4 第1 章绪论 生长的增益介质和s e s a m 获得了重复频率1 0 g h z 的小于5 0 0 f s 的激光输出【3 3 1 。 1 2 4 应用前景 半导体外延技术的发展以及半导体材料在很宽的范围内可改变的吸收带，使 o p s - v e c s e l 成为非常有潜力的半导体激光器件。特别是o p s v e c s e l 同半导体 可饱和吸收镜( s e s a m ) 集成在一起，可制成高功率输出、高重复频率的超短 脉冲激光器。这种器件在光通讯和激光测距方面有着广阔的应用前景。另一方面， 为了o p s v e c s e l 的商品化，要求高效、小型化和更可靠的封装。在小型化超快 脉冲源领域，o p s v e c s e l 具有相当大的发展潜力。注入抽运通过精细的晶片设 计，实现介质功率器件的优化，有可能制造带有复杂谐振腔的高度小型化的 o p s v e c s e l 器件。o p s v e c s e l 集成外腔是一种非常理想，也有可能实现的结 构，集成抽运激光器的可能性也值得进一步探讨。在这些集成结构中，反射镜将 与增益结构整合，结合其它非线性和光谱滤波功能，将有望发展出带有高级功能 的超小型器件。 o p s v e c s e l 有很多独特的应用【9 】。例如在生物医学中，观察生物用的普通 染料有毒，容易使生物活性细胞死掉。二十世纪九十年代末开发出的荧光蛋白质 染料是具有生物活性的物质，不会杀死活体细胞，同益得到广泛应用。例如对于 典型的荧光蛋白质的吸收光谱，除了e c f p 的吸收是4 0 0 n m 左右的短波长，其他 三种荧光蛋白质( 绿：e g f p 、黄：e y f p 、红：d s r e d ) 都可以用4 8 8 n m 的激光 来激发。而对于5 1 4 n m 附近的波长，这三种蛋白质的吸收都在5 0 以上，即这个 波长可以同时激发三种染料，特别适用于多波长生物标识。因此4 8 8 n m - - 一5 1 4 n m 波长在生物医学中有很重要的应用价值。由于固体激光器发光波长的限制，目前 主要的激光源是氩离子激光器。但氩离子激光器功率损耗大，寿命有限，因此开 发4 8 8 n m 一5 1 4 n m 波长的小型化固体或半导体激光器，取代气体激光器，对节省 能源，降低消耗，保护生态环境方面具有重大意义。尤其在当前电力不足，能源 紧张的情况下，开发低能耗的产品迫在眉睫。由于o p s v e c s e l 同时缩小了泵浦 源和谐振腔两部分，使总体体积大大缩小，在实际应用中，可以很方便地作为仪 器仪表和显微镜的配套光源，携带方便，实用化程度高。 1 3 半导体量子阱增益特性的研究概述 从2 0 世纪7 0 年代提出超品格、量子阱( q w ) 的概念以来，半导体有源器件 的光增益特性这一研究课题逐渐获得越来越多的关注。应变量子阱( s t r a i n e dq w ) 结构的有源区是这一课题中研究较多，也较为成熟的热点之一。量子阱是窄带隙 超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。如果窄带隙与宽带隙超薄层交替生长就 5 北京t 业人学理学硕l ：学位论文 能构成多量子阱( m q w ) 。在m q w 中如果各阱之间电子波函数发生一定程度的 交叠或耦合，这样的m q w 也就是超品格。量子阱结构通过量子尺寸效应f 3 4 1 使电 子被限制在有限深势阱中，形成二维电子气。其结果是电子在垂直于阱面方向受 到量子限制作用，使导带与价带的能级分裂为子带。这使得载流子态密度由抛物 线型变为台阶型，改变了能带结构，改变了载流子辐射复合和非辐射复合的速率， 因此能够有效提高有源介质的增益和微分增益，从而使半导体器件的发光特性得 到优化，实现低阈值、高功率等性能。 增益介质有源区的增益特性决定着半导体激光器的性能，如阈值电流、线宽 增强因子、输出功率、增益饱和特性、噪声因子等。半导体中由于带带跃迁产 生的增益取决于导带和价带能量与波矢的关系( 即能带结构) 及波函数。因此能 带结构是影响增益的主要因素，要研究增益特性首先要分析能带结构。通过改变 能带结构来改进半导体器件性能的举措被称为“能带工程 ，主要通过两种途径 来实现：一是对半导体材料在动量空间( k 空间) 能带结构的设计，即通过改变 量子阱的结构、组分、掺杂和引入应变来改变能带结构，称之为能带结构工程： 二是对半导体器件结构在几何空间中能带带边排列的设计，称之为能带带边工 程。之所以这样划分，是因为能带带边工程的设计思想是在器件的总体结构，即 有源区、波导层等之间的带边上下功夫，而不像能带工程那样主要针对有源区材 料。 半导体激光器的发展过程也是能带工程的发展过程。在早期，人们采用计算 体材料能带结构的抛物带近似理论加上量子尺寸效应的方法来解释量子化能级、 台阶状态密度、势垒隧穿以及量子斯塔克效应等量子阱结构中的实验结果。这一 近似的分析方法只是在1 1 点附近，也就是当岛( 平行于阱面方向的波矢) 很小时 比较合适，随着岛的增大，轻重空穴带之间的能带耦合效应( b a n dm i x i n ge f f e c t ) 增大，能带结构变成非抛物带模型。考虑到价带耦合作用，必须从体材料能带的 计算方法出发，加上量子阱的边界条件。计算量子阱能带的方法又有赝势法( 3 5 1 、 紧束缚法【3 6 1 、有效质量近似和基于k p 微扰理论的包络函数法及差分法f 3 7 - 4 。k - p 方法经过s e i t z 、s h o c k l e y 、d r e s s e l h a n s 、d i p 、k i f i r e l 等人，特别是k a n e 的发展， 已经成为分析计算半导体能带理论最常用的方法。s e i t z 4 2 】在1 9 4 0 年首先对k p 微 扰理论作了一定的探索工作，利用这种方法推出了一个有效质量的表达式。1 9 5 0 年s h o c k l e y 4 3 】把有效质量公式推展到更多复杂情况，首先利用k p 微扰法分析了能 带简并的情况。d r e s s e m a l l s i “】于1 9 5 5 年在他们关于回旋共振的经典文章中加进了 自旋一轨道相互作用的重要因素，奠定了k p 方法的基础。k a n e t 4 5 1 于1 9 5 6 年用这种 方法处理了p 型s i 和g e 的能带结构，1 9 5 7 年【4 6 】处理了i n s n 的能带结构，建立了 k a n e 的能带理论【4 7 】。另外，能带结构的分析离不开能带不连续性的计算( b a n d d i s c o n t i n u i t y ，亦或b a n do f f s e t ，b a n da l i g n m e n t ，b a n dl i n e u p ) ， m o d e l s o l i d 模 6 第l 章绪论 型【4 8 】和h a r r i s o n 模型【4 9 】常用于这方面的理论分析。 有两种模型来分析应变量子阱有源区的增益特性，一种是带尾模型，一种是 带内驰豫模型。后者是由m a s a d a l 5 0 】给出的一种比较方便的方法。对增益的计算 常采用l o r e n t z i a n 5 1 5 2 1 线形函数和g a u s s 线形函数，两种线形函数计算结果具有 相同的半宽。到目前为止，对于这两种线形函数的评价众说纷纭。实际上在相同 半宽下，两种线形函数给出的增益谱相差很小。我们采用l o r e n t z i a n 线形函数进 行计算。首先考虑在应变影响下能带及波函数的混合效应，计算应变量子阱的跃 迁矩阵元，然后对状态密度进行计算，因为它影响到实现粒子数反转条件的透明 载流子浓度n t h 和增益谱宽。必须注意到压应变和张应变的价带态密度的不同情 况。对于压应变量子阱，价带子能带的顶是重空穴带，与无应变量子阱比较，其 空穴有效质量变小，态密度变小，使准费米能级降低，透明载流子浓度减少，增 益增加。而张应变量子阱，它的价带子能带顶是轻空穴带，还保留着某些抛物线 能带的特征，所以具有较大的态密度，较窄的增益谱和较高的增益，透明载流子 浓度大，微分增益也高。无应变量子阱和压应变量子阱结构相对于体材料优化有 源介质的增益特性的同时，产生了增益的偏振特性。也即是在无应变量子阱和压 缩应变量子阱中，t e 模式的增益要远大于t m 模式的增益。在量子阱有源区结 构中加入应变能够有效提高有源介质的增益和微分增益，从而使激光器的调制特 性得到优化。 1 4 论文的主要研究内容 论文围绕o p s v e c s e l 的增益介质有源区增益特性这一研究课题，对应变 量子阱的增益特性进行了讨论和模拟。论文主要工作包括： 1 简述了光泵浦半导体激光器的特点、应用及其发展历史和研究现状。从 高功率连续光输出、倍频光输出和锁模输出三个方向对光泵浦半导体激光器的研 究现状进行了概括。介绍了光泵浦半导体激光器的应用价值。综述了分析增益介 质有源区量子阱增益特性的方法。 2 介绍了o p s v e c s e l 的增益芯片结构，简述了增益芯片结构的工作原理 以及发光原理。介绍了对泵浦源，谐振腔，增益芯片结构的设计要求，增益芯片 结构的设计包括分布式布拉格反射镜、量子阱增益区、微腔结构等。介绍了增益 芯片有源区应变量子阱的材料特性，以及应变的引入对能带结构、禁带宽度、发 射波长等的影响。 3 半导体中由于带带跃迁产生的增益取决于导带和价带能量与波矢的关系 ( 即能带结构) 及波函数。因此能带结构是影响增益的主要因素，要研究增益特 性首先要分析能带结构。首先介绍能带结构分析的基本方法，然后介绍带边不连 7 北京t 业人学理学硕 ：学位论史 续性及带隙的计算方法，以i n g a a s g a a s 应变量子阱材料为例，用两种方法具 体计算了导带和价带子能带沿岛方向的分布图，即能带结构。方法一用抛物线近 似理论得到能带结构，方法二利用有限差分法对含6 x 6l u t t i n g e r - k o h n 哈密顿量 的有效质量方程精确求解，得到了i n g a a s g a a s 应变量子阱导带、价带的能带结 构和包络函数。通过比较，方法二考虑了轻重空穴带混合效应、自旋轨道裂矩带 的相互作用等因素，所以计算结果更为精确。这部分工作特点是将带隙、带边不 连续性计算和带结构计算系统结合起来，构成一完整体系，用于优化设计增益芯 片结构参数。 4 介绍了态密度、准费米能级等一些与增益有关的参数。介绍了增益的定 义，微扰矩阵元等。增益还与自发辐射引起的有源介质的自然展宽有关，量子阱 中态密度的变化将引起自发辐射的变化，进而影响自然展宽和增益。以 i n g a a s g a a s 应变量子阱系统为例，两种方法计算了量子阱增益谱和自发辐射 谱，一种方法是用抛物线近似能带直接给出能级位置计算增益谱和自发辐射谱； 另一种方法是考虑价带混合作用，用多能带有效质量模型对增益谱和自发辐射谱 进行计算。最后讨论了阱宽、载流子浓度、温度、模式特性等因素对量子阱增益 的影响，比较了两种方法的计算结果。通过比较两种方法，发现用抛物线近似公 式给出导带和价带的能级位置，只能近似得到增益峰值波长，这在激光器设计中 会产生很大误差，而考虑能带混合效应的得到的增益谱则更为精确一些。为 o p s v e c s e l 的优化设计提供了理论依据。 8 耋：至耋垂圭量些塑耋塑墼薹堡垒三堡星矍 第2 章o p s v e c s e l 的结构及工作原理 激光器的设计主要包括三个部分：泵浦源，谐振