4半导体激光器-1

1、 激光原理概述 半导体激光放大器（LD） 注入式半导体激光器 激光的安全概述激光原理概述激光原理概述一一. . 受激吸收、自发辐射、和受激辐射受激吸收、自发辐射、和受激辐射受激吸收：受激吸收：原子吸收光子原子吸收光子hvhv= =E E2 2- -E E1 1向向高能态跃迁。高能态跃迁。自发辐射：自发辐射：激发态原子会自发地向低能激发态原子会自发地向低能态跃迁而发射出一个光子。态跃迁而发射出一个光子。 hvhv= =E E2 2- -E E1 1E2E1hv hvE2E1 受激辐射：受激辐射：处于高能态的原子受到外来处于高能态的原子受到外来光子光子hv hv = =E E2 2- -E E1

2、1的的诱发而发射出一个与的的诱发而发射出一个与外来光子频率、相位、偏振态和传播方外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子。向都相同的光子。E2E1hvhvhv 激光是基于激光是基于受激发射受激发射放大放大原理而产生的一种相干原理而产生的一种相干辐射辐射(Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLaser)二、产生激光的条件二、产生激光的条件(1)(1)粒子数反转粒子数反转在正常状态下，处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原在正常状态下，处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子数，这是玻尔兹曼分布的结果子数，这是玻

3、尔兹曼分布的结果. .kTEiiAeN/在正常分布下，当光通过物质时，受激吸收过程较之受激辐在正常分布下，当光通过物质时，受激吸收过程较之受激辐射过程占优势，不可能实现光放大。射过程占优势，不可能实现光放大。要实现光放大，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子要实现光放大，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数，这种分布称为粒子数布居反转分布，简称数，这种分布称为粒子数布居反转分布，简称粒子数反转粒子数反转。 能实现粒子数布居反转分布的物质，称为能实现粒子数布居反转分布的物质，称为激活介质激活介质( (或称工或称工作介质作介质) ) 。从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后

4、跃从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态这一能量供应过程称为迁到高能态这一能量供应过程称为“激励激励”，又称，又称“抽运抽运”或或“光泵光泵”一般可以有一般可以有光激励、气体放电激励、化学激励、光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等激励核能激励等激励的方法的方法粒子数反转的实现粒子数反转的实现处于激发态的原于是不稳定的，平均寿命约为处于激发态的原于是不稳定的，平均寿命约为10-8s有些物质存在着比一般激发态稳定得多的能级，其平均寿命可达到有些物质存在着比一般激发态稳定得多的能级，其平均寿命可达到10-31s的数量级这种受激态常称为的数量级这种受激态常称为亚稳态亚稳

5、态。例如，三能级系统例如，三能级系统具有亚稳态的物质就有可能实现粒子数反转。具有亚稳态的物质就有可能实现粒子数反转。激励能源把激励能源把E E1 1上的原子抽运到上的原子抽运到E E3 3上去，这些原子通过碰撞把能量上去，这些原子通过碰撞把能量转移给晶格而无辐射地跃迁到转移给晶格而无辐射地跃迁到E E2 2由于在由于在E E2 2态的原子寿命较长，态的原子寿命较长，这样使这样使E E2 2态的原子数不断增加，态的原子数不断增加，而而E E1 1上不断减少，于是在上不断减少，于是在E E2 2和和E E1 1两能级间实现了原子数反转两能级间实现了原子数反转 (2)(2)光学谐振腔光学谐振腔使某一

6、方向和频率的光子享有最优越的条件进行放大。使某一方向和频率的光子享有最优越的条件进行放大。只有沿轴线方向的光子，能在腔内来回反射，在一定的条件下，产只有沿轴线方向的光子，能在腔内来回反射，在一定的条件下，产生连锁式的光放大，从部分反射镜射出很强的光束（激光）生连锁式的光放大，从部分反射镜射出很强的光束（激光）讨论谐振腔要满足的条件讨论谐振腔要满足的条件谐振腔中的增益与损耗谐振腔中的增益与损耗)(xIdIM1M2x x+dxL0I4I5I1I2I3设工作介质的增益系数为设工作介质的增益系数为G,G,经过距离经过距离dxdx后后, ,光强的增量为光强的增量为dI ,dI ,有：有：dxxGIdI)

7、( xeIxIG 0)(GLeII12GLeIrIrI12223 GLGLeIreII21234 GLeIrrIrI2121415 光在谐振腔中增益大于损耗，光在谐振腔中增益大于损耗，1221 GLerr)ln(211ln212121rrLrrLGmG G大于大于G Gm m时时, ,能形成激光能形成激光阈值条件阈值条件光放大光放大: : 在受激辐射中，一个入射光子会得到两个状在受激辐射中，一个入射光子会得到两个状态全同的光子。这两个光子还能再引起受激辐射，这样态全同的光子。这两个光子还能再引起受激辐射，这样继续下去，就能得到大量特征相同的光子，实现光放大。继续下去，就能得到大量特征相同的光子

8、，实现光放大。能实现粒子数布居反转分能实现粒子数布居反转分布的物质，称为布的物质，称为激活介质激活介质( (具有具有亚稳态亚稳态结构结构) ) 。粒子数反转粒子数反转: : 要实现光放大，必须使处在高能态的原子要实现光放大，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数，粒子数反转。数大于低能态的原子数，粒子数反转。激光器：由激励能源、工激光器：由激励能源、工作物质和谐振腔组成的能作物质和谐振腔组成的能产生激光的装置产生激光的装置。（1 1）红宝石激光器）红宝石激光器（2）氦氖激光器）氦氖激光器（3 3）半导体激光器）半导体激光器P-GaAsn-GaAs+- 要形成激光必须满足两个条件：要形成激光

9、必须满足两个条件： 一、要有能实现一、要有能实现粒子数反转粒子数反转(泵浦泵浦)的的激激活介质活介质 二、要有满足阈值条件的二、要有满足阈值条件的谐振腔谐振腔 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布产生粒子数反转的方法产生粒子数反转的方法 强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器 气体电离气体激光器气体电离气体激光器 注入载流子半导体激光器注入载流子半导体激光器 （a) P-Na) P-N结内载流子运动；结内载流子运动； P 区区PN结空结空间电间电荷区荷区N 区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移势垒势垒能量能量EpcP区区EncEf

10、EpvN区区Env(b) (b) 零偏压时零偏压时P-NP-N结结的能带倾斜图的能带倾斜图PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，电子，空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-NP-N结能带图结能带图增益区（作用区）的产生增益区（作用区）的产生： 在在PNPN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使向相反，便使N N区的电子向区的电子向P P区

11、运动，区运动，P P区的空穴向区的空穴向N N区运动，最区运动，最后在后在PNPN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒粒子数反转分布子数反转分布，见图。，见图。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光, ,这些光子将引起处于反转分布状这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。 产生粒子数反转分布的

12、条件：产生粒子数反转分布的条件：npFFEEVq光光增增益益ECEV产生激光的必要条件三：有光学谐振腔产生激光的必要条件三：有光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生激光振荡的产生 粒子数反转分布粒子数反转分布（必要条件（必要条件)+ )+ 激活物质置于光学谐振腔激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择中，对光的频率和方向进行选择 = = 连续的光放大和激光振荡连续的光放大和激光振荡输出。输出。 基本的基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为由两个反射率分别为R1R1和和R2R2的平行反射的平行反射镜构成，并被称为法布里镜构成，并被称为法布里- -珀罗珀罗

13、(Fabry-Perot, FP)(Fabry-Perot, FP)谐振腔。谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的产生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。作为入射光。 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件1 1：合适的谐振腔：合适的谐振腔2/Lmn产生稳定振荡的条件（相位条件）产生稳定振荡的条件（相位条件）m m 纵模模数，纵模模数，n n 激光媒质的折射率激光媒质的折射率注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L 法布里珀罗腔法布

14、里珀罗腔 反馈反馈端面端面（解理面）（解理面）作为反射镜作为反射镜2)11(nnR半导体的折射率半导体的折射率n很大，很大，R接近于接近于1，具有很高的反射，具有很高的反射率。因此在率。因此在PN结激活区的两个端面形成一对面积为结激活区的两个端面形成一对面积为 间隔为间隔为d的反光镜，构成光学谐振腔。的反光镜，构成光学谐振腔。 半导体半导体空气界面上的功率反射率空气界面上的功率反射率lw 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流。为达到阈值增益所要求的注入电流

15、称为称为阈值电流阈值电流。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。式，即在该频率上形成激光输出。 激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件2 2：光增益等于或大于总损耗：光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为th th 为阈值增益系数，为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R R1 1，R R2 210K带宽中的光子激光放大带宽中的光子激光放大增益系数与泵浦

16、（增益系数与泵浦（pumpingpumping）载流子的注入率载流子的注入率nR (1)pTnn峰值增益系数峰值增益系数电流泵浦电流泵浦JelRnAiJelJlAeiR)(/(1)()pTTTirirJJelJn透明电流密度TJl1 21ln2tGrrL内阈值条件2121()()()()000cvcvtGfEfEfEfEGdIGG粒子数反转分布时， ，光强得到放大。且当时，产生激光。1 2411,111ln2GaAs35 10 A cmtmtmtttGaAsJJGJmmGGJGrrLJ内-2举例：激光器泵浦方式：加正向电流（阈值电流密度） 产生激光为增益因子。同质结：；异质结。增益达到阈值时，

17、阈值电流密度（）室温下，同质结，tGG注入电流逐渐增大的过程中，经历了三种类型的发光过程。（1）电流较小时，发出的光为荧光。光强较弱，带宽较宽，以自发辐射为主。（2）电流增大，G0，受激辐射起主导作用，发出的光很强，但仍属于荧光范畴，没有建立起一定的模式，称为超辐射。（3）电流继续增大，时，产生激光，带宽很窄，光强更强。ttIIIII比较小荧光超辐射激光自发辐射为主受激辐射受激辐射，很小，光强很大无振荡模式DH半导体激光器有两个异质结，称为双异质结（）激光器。异质结半导体激光器异质结半导体激光器1. 结构特点结构特点同型异质结同型异质结 n-N, p-P 异型异质结异型异质结 n-P, p-N

18、为了获得高势垒为了获得高势垒, ,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。GaAlAs-GaAs1970年研制成功在室温下连续工作的双异质结激光器。带隙差和折射率差本质性质有重带隙差和折射率差本质性质有重要的特性和效应：要的特性和效应：高高注入比注入比和超注入比；和超注入比；几乎完全的载流子限制作用几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光限制作用；和几乎完全的光限制作用； 导波效应和导波效应和“窗口窗口”效应效应TTiirrTpelJnlJ DHDH激光器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压正向偏压后，后

19、， P P层的层的空穴和空穴和N N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。 P P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子电子形成了势形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P P层。层。 同理，同理， 注入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N N层。层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的有源层内形成的有源层内形成粒子数反转分布粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴

20、浓度增大而提高效益。就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在制在有源区有源区内，因而电内，因而电/ /光转换效率很高，输出激光的光转换效率很高，输出激光的阈值电阈值电流流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。1-xxGaAl Asxnnx5%的折射率随 的变化n=0.62xx=0时， =3.59(GaAs)x=1时， =2.71(AlAs)一般情况， =0.3， n=0.1860.186折射率突变量3.59DHLDHLDHLP GaAsdm双异质结激

21、光器（）的能带含有两个异质结，有源区为 -，厚度为0.5。特点：（1）电子和空穴均受到异质结势垒的限制，载流子的浓度大大提高，反转粒子数越多，增益也就越大。（2）两个异质结处有5%的折射率差，边界损耗小。（1）正向电压较高，有源区较宽，需要很大的阈值电流。同质结阈值高的原因同质结阈值高的原因: （2）同质结波导的折射率差值很小，0.11%，边界损耗大。依异质结构发展依异质结构发展:同质结同质结-单异质结单异质结-双异质结双异质结-大光腔大光腔-分分离限制异质结离限制异质结- 量子肼量子肼-量子线量子线-量子点量子点大光腔（大光腔（LOC）激光器）激光器激光二极管的基本结构激光二极管的基本结构4

22、9分离限制异质结分离限制异质结(SCH)激光器激光器DHL的结构（宽接触型结构）特点：工作区域宽，有源区的截面积大，工作时需要的电流大，温升高，不利于室温下连续工作。依条形结构发展依条形结构发展:宽接触宽接触条形结构条形结构DHLm改进：质子轰击条形用直径1220的金丝或钨丝把外延片沿腔轴方向掩蔽以来，再用300600千电子伏质子轰击其余部分，使被轰击部分电阻率增高两个数量级以上，除去掩蔽物，装上电极就制作成了条形器件。tWJmADHLdm由于条形器件的工作区域宽度的减小，通电截面积减小，对应相同的阈值电流密度 所需的工作电流就大大减小，一般远在500以下。因此，温升小。条形器件的优点：（1）

23、辐射光的面积很小，与低数值孔径的光纤（直径 小于100）易耦合。（2）有源区很小，降低了晶体缺陷的可能性，有助于提高器件长期工作的可能性。阈值特性阈值特性Jth与有源层厚度的关系与有源层厚度的关系Jth与腔长的关系与腔长的关系Jth同温度的关系同温度的关系)exp()(00TTTJTJrthT0为表征半导体激光器的温度稳定性的物理参数，为表征半导体激光器的温度稳定性的物理参数， T0称为特征温度。称为特征温度。 T0越大，越大，Jth随随 T的变化越小，激的变化越小，激光器越稳定。光器越稳定。54温度对的影响主要来自三个方面：温度对的影响主要来自三个方面： 1, 增益系数增益系数 2, 内量子

24、效率内量子效率 3, 内部载流子和光子损耗。内部载流子和光子损耗。AlGaAs/GaAs DH LD: 如果异质结势垒足够高、如果异质结势垒足够高、界面态足够少，温度的影响主要是其对有源层的界面态足够少，温度的影响主要是其对有源层的增益系数的影响，增益系数的影响，当当温度温度升高时，必要注入更多升高时，必要注入更多的载流子来维持所需的粒子数反转。的载流子来维持所需的粒子数反转。这种激光器的这种激光器的T0为为120-180K。温度影响温度影响半导体激光器的增益系数依赖器件的工作温度。半导体激光器的增益系数依赖器件的工作温度。低温，即使注入的载流子浓度不太高，也容易获得很低温，即使注入的载流子浓

25、度不太高，也容易获得很高的增益。原因：低温下，注入的载流子较集中于导高的增益。原因：低温下，注入的载流子较集中于导带底和价带顶，材料中的光吸收比较弱，容易实现粒带底和价带顶，材料中的光吸收比较弱，容易实现粒子数反转，获得高增益。子数反转，获得高增益。可解释半导体激光器的光输出功率为什么随温可解释半导体激光器的光输出功率为什么随温度温度迅速变化。度温度迅速变化。依谐振腔的发展依谐振腔的发展: FP腔腔-分布反馈分布反馈-分布布拉格发射器分布布拉格发射器-垂垂直腔面直腔面-微腔微腔DFB LD：Distributed Feedback Laser DiodeDBR LD：Distributed B

26、ragg Reflector Laser DiodeVCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser FP激光器的谐振腔由镀膜的自然解理面形成的激光器的谐振腔由镀膜的自然解理面形成的 ，只能只能实现静态单模工作实现静态单模工作。在高速调制或温度和电流。在高速调制或温度和电流变化时，会出现模式跳跃和谱线展宽。变化时，会出现模式跳跃和谱线展宽。分布式反馈激光器的提出：分布式反馈激光器的提出： 前面描述的激光器的光学反馈都是基于一对反射面的，但是在光学集成光路中，很难形成这样的反射面。有两种解决办法：有两种解决办法： 可以通过刻蚀技术形成反射面，但晶片的的表

27、面就会被破坏，使得电气连接和散热器的制造变得很困难。 利用分布式反馈激光器分布式反馈激光器58DFB（DBR）激光器器件结构分布反馈激光器DFB：Distributed Feedback光栅为内光栅，光栅在有源层内的波导层上。分布布喇格反射激光器DBR：Distributed Bragg Reflector光栅在有源层两端外的波导层上形成。59DFB-LD和DBR-LD 结构图（a）DFB激光器（b）/4相移的DFB激光器60zxDistributed-Bragg-Reflector Laser (DBR-Laser)DBR-reflectorDBR-reflectorcurrent flow

28、 non-reflective coating active regionDistributed-Feedback Laser (DFB-Laser)Fabry-Perot Laser (FP-Laser)active regioncurrent flow reflective coating 2Lz 0z 2Lz current flow non-reflective coating active regionshifted 4理论基础理论基础为了保持波前的相位为了保持波前的相位相干性而且避免相消相干性而且避免相消干涉，光线的路程差干涉，光线的路程差必须为波长的整数倍。必须为波长的整数倍。即

29、满足：即满足：2 sin0,1,2dmm 为了能够在激光器中通过光栅为了能够在激光器中通过光栅 实现实现180。的反射，只需要满足的反射，只需要满足90,dnm202m 无论无论DFB还是还是DBR激光器，所有光栅都必须满足布喇格反射激光器，所有光栅都必须满足布喇格反射条件条件. 为光栅的周期长度，为光栅的周期长度，m为阶模，为阶模，n为折射率，为折射率， 0为光波在为光波在真空中的波长。真空中的波长。nm20对于对于=1.55 m的激光器来说，的激光器来说，InGaAsP有源区折射有源区折射率的典型值率的典型值n=3.4，因此有：，因此有： 一级光栅：一级光栅：m=1， 1=0.23 m 二

30、级光栅：二级光栅：m=2， 2=0.46 m64耦合波理论耦合波理论 由于光栅的引入，会造成波导层中介电常数的周期变化，从而会引起激光器中特定的激光模式的前向和后向波间的耦合。对这种周期波导结构中的光波耦合，有三种分析方法：Kogelnik & Shank 行波耦合波分析；Yariv 波导耦合波分析；1. Dewanes、Hall、Cordero & S. Wang 等人的Bloch(布洛赫) 波分析。归纳起来，这三种分析方法可以等价归纳起来，这三种分析方法可以等价为两种方法：为两种方法： 耦合波方法：规定边界条件，求出耦合波方法：规定边界条件，求出前向和后向耦合波方程的解；前向和后向耦合波方

31、程的解； Bloch波方法：假定结构无限长，求波方法：假定结构无限长，求出出Bloch波的本征解，之后再用于特波的本征解，之后再用于特定的条件。定的条件。66根据根据Maxwell方程可推导出方程可推导出波动方程波动方程：222022202),(1),(1),(),(ttzyxPcttzyxEcttzyxEctzyxE (1)若若E和和P是时间是时间 t 的谐波场，则有：的谐波场，则有：)exp(),(),(tizyxEtzyxE(2)(3)exp(),(),(tizyxPtzyxP将上式代入将上式代入(1）可得：）可得：式中式中 为真空磁导率为真空磁导率, 0为真空介电常数，为真空介电常数，

32、c为光速，为光速，k0为真空波数为真空波数, ( )为介质的极化率。为介质的极化率。),()(),()(1 ),(0200202zyxPkzyxEikzyxE(4)67将上式代入将上式代入(4）可得：）可得：0)()()(1 ),(0202rEikzyxE(6),(tzyxP可写为：可写为：),()(),(0zyxEzyxP(5)式中式中令式中令式中 )()(10i为介质的复介电常数，代入为介质的复介电常数，代入(6）式则得）式则得Helmhoth波动方程：波动方程： 0),(),(),(202zyxEkzyxzyxE(8)(7)68在在DFB或或DBR激光器中，激光器中， (x,y.z)是是

33、z的周期的周期函数，因此可以将函数，因此可以将 (x,y.z)是是z改写为：改写为：),(),(),(zyxyxzyx(9)式中式中 (x,y.)是是 (x,y.z)的平均值，的平均值， 是介电常是介电常数的微干扰项，只在光栅区数的微干扰项，只在光栅区才不为零。才不为零。0),(),(),(202zyxEkzyxzyxE69无光栅时，无光栅时， =0，(8）式的通解为：）式的通解为：)exp()exp(),(),(ziEziEyxEizyxEbf式中式中Ef和和Eb分别为前向波和后向波，分别为前向波和后向波，f - forward, b - backward。 为复数传播常数。为复数传播常数。

34、20mmigkn(11)intggm(12) 是限制因子，是限制因子，g为有源区增益，为有源区增益， 为内部的纵损耗。为内部的纵损耗。(10)70有光栅时，介电微扰0，由于Bragg光栅的衍射作用，前向和后向的振幅随周期变化，是以光栅周期为周期的函数，可展开成Fourier函数形式：b为Bragg波传播常数，为相位失配因子。当当l=m时，时， 为最小，此时其它项可忽略不计，这时满足为最小，此时其它项可忽略不计，这时满足Bragg反射条件反射条件，光场的前向和后向波传播过程中发生耦合。，光场的前向和后向波传播过程中发生耦合。)2(exp),(),(1lziyxzyxllmbmbmb(13)(15

35、)(14)71在介电微扰作用下，将产生无穷级次各异的衍射，但在在介电微扰作用下，将产生无穷级次各异的衍射，但在0的的Bragg波长附近，将有一对衍射振幅最大，且相位同步的正波长附近，将有一对衍射振幅最大，且相位同步的正、反向传播的波存在，可分别表示为：、反向传播的波存在，可分别表示为：上式方括号中的每项都以上式方括号中的每项都以 为周期的周期函数。若将介电常数为周期的周期函数。若将介电常数的周期变化加以考虑，就可望出现的周期变化加以考虑，就可望出现Bloch型的本征模。型的本征模。 b=m / 为为Bragg波数，或叫波数，或叫Bragg传播常数传播常数，进一，进一步推导可以得出：步推导可以得

36、出：)exp()()(zizAzRb)exp()()(zizBzSb12( )( )exp()( )exp()exp()( )exp()( )exp()exp()bbbbE zA zizr qiziqzB zizr qiziqz(18)(20)分析表明分析表明:(19)激光器中激光模式的物理解释激光器中激光模式的物理解释 模式：在一定的边界条件下，电磁波在谐振腔模式：在一定的边界条件下，电磁波在谐振腔内形成内形成驻波驻波，光强呈稳定分布，这种稳定的分，光强呈稳定分布，这种稳定的分布为激光模式。布为激光模式。纵模：光波在传播方向上的分布情况。纵模：光波在传播方向上的分布情况。横模：光波在垂直谐振

37、腔方向上的分布情况。横模：光波在垂直谐振腔方向上的分布情况。其中垂直其中垂直pn结平面方向为垂直横模，平行结平面方向为垂直横模，平行pn结结平面方向为水平横模。平面方向为水平横模。求解麦克斯韦方程，得出电磁波定态解，可用求解麦克斯韦方程，得出电磁波定态解，可用一组整数一组整数(m,n,q)表征，它们为模式指数。表征，它们为模式指数。半导体激光器的模式半导体激光器的模式激光器中激光模式的物理解释激光器中激光模式的物理解释: F-P腔腔:向左向右传播的两束光形成驻波向左向右传播的两束光形成驻波,如果它们的振幅相等如果它们的振幅相等,来回的相位差等于来回的相位差等于2pi，就可以形成耦合干涉波。，就

38、可以形成耦合干涉波。 DFB激光器激光器: 光波在传播过程中驻波部分地、周期性地被反光波在传播过程中驻波部分地、周期性地被反射了，若光波的频率同射了，若光波的频率同DFB中的周期中的周期一致或者非常接近，一致或者非常接近，就会通过光增益获得光放大，实现受激辐射，发出激光。就会通过光增益获得光放大，实现受激辐射，发出激光。DFB激光模式并不是正好在布拉格波长激光模式并不是正好在布拉格波长 处，而是对称出现处，而是对称出现在在 两边。两边。BB210,1,22BmBmmnL:L:.0mmm受激发射波长，衍射光栅的有效长度模式阶数 大的光波的光学增益很小，只有的光波才可能获得很大的光学增益，放大形成

39、激光。光栅周期均匀分布的光栅周期均匀分布的DFB激光器发射出来的激光是具激光器发射出来的激光是具有两个主模的多模光谱。有两个主模的多模光谱。造成这种两个主模是由完全对称的、并且均匀分布的周期光造成这种两个主模是由完全对称的、并且均匀分布的周期光栅造成的。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振栅造成的。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阀值增益差增大，采用如下方法：荡模式的阀值增益差增大，采用如下方法：在光栅中引进一个在光栅中引进一个 /4相移；相移；将解理面之一弄斜，或在端面镀增透膜，造成非对称的端面将解理面之一弄斜，或在端面镀增透膜，造成非对称的端面反射率；反射率；使距腔

40、面之一的一小段没有光栅，形成无分布反馈的透明区；使距腔面之一的一小段没有光栅，形成无分布反馈的透明区；对光栅周期进行适当啁啾。对光栅周期进行适当啁啾。上述方法中，引进上述方法中，引进 /4相移相移和不对称端面反射率两种方法和不对称端面反射率两种方法较可行，并且有效。较可行，并且有效。FP-LD与与DFB-LD的比较的比较光谱特性光谱特性 .激光器光谱特性包括峰值激光器光谱特性包括峰值(或中心或中心)波长、光谱宽度；波长、光谱宽度；DFB性能特点性能特点 1.波长选择性：波长选择性： 在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定

41、的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模。许多纵模。 在在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由要由光栅周期光栅周期决定。决定。 当当 l 阶模和阶模和 l1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。时，只有一个模式有足够的增益产生激光。 应用：波长复用技术应用：波长复用技术总结总结 2.光发射线宽光发射线宽 线宽窄线宽窄：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式选择

42、特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。此，发射谱宽较窄。 典型的端面反射型激光器的单模线宽为典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到到2埃，约埃，约 50 GHz，而带有光栅结构的，而带有光栅结构的DFB的线宽约为的线宽约为50100 kHz。 目前商用的目前商用的DFB激光器在激光器在1.55m处的线宽小于处的线宽小于25埃。埃。 3.稳定性稳定性 传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响。影响。 DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激激光器波长的稳定性

43、较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。（光器输出给定的波长。（发射波长随温度变化小发射波长随温度变化小） DFB DFB激光器与激光器与F-PF-P激光器相比，激光器相比， 具有以下具有以下优点：优点： 易形成单纵模振荡；易形成单纵模振荡； 谱线窄，谱线窄， 方向行性好；方向行性好； 高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好； 输出线性度好。输出线性度好。80垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser （VCSEL）垂直腔面发射激光器，顾名思义，它的腔面平行于pn结平面，激光的

44、发射方向垂直于pn结平面。VCSEL表现出低工作电流、单模激光输出、光束发散角度小、寿命长等一系列优点，成为非常实用的一种半导体激光器。81面发射激光器的结构面发射激光器的结构82面发射激光器的结构面发射激光器的结构83面发射激光器的结构面发射激光器的结构84多层介质膜的反射率多层介质膜的反射率在垂直腔面发射激光器中，振腔谐既不是解理面构成的在垂直腔面发射激光器中，振腔谐既不是解理面构成的Fabry-Perot腔，也不是腔，也不是DFB(或或DBR) 激光器中波导层激光器中波导层中厚度周期变化的中厚度周期变化的Bragg 光栅，而是光栅，而是多层介质膜构成的多层介质膜构成的Bragg 光栅光栅

45、。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为n1和和n2、d1和和d2，并且满足如下条件：，并且满足如下条件： 212211dndn则多层介质膜在界面处对所选波长的光波进行反射。则多层介质膜在界面处对所选波长的光波进行反射。85 有两种介质，如果其折射率分别为有两种介质，如果其折射率分别为n1和和n2，并且，并且n1n2，将，将其交替沉积在折射率为其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一种介质层的厚度的衬底上，每一种介质层的厚度为为 /4，即分别为，即分别为d1= 0/4n1和和d2= 0/4n2。 如果这两种介质的层总数为偶数如果这两种介质的层总数为偶数2m+1时，

46、则其垂直方向时，则其垂直方向上的反射率为：上的反射率为：2212212()1()1msmsn n nRn n n多层介质膜的反射率多层介质膜的反射率可以看出可以看出: n1/n2的比值越大则越有利于获得高的的比值越大则越有利于获得高的R。同样，。同样，介质层数目越多，即介质层数目越多，即2m越大时越大时R也会越大。也会越大。86VCSEL的特性的特性 VCSEL激光器的腔长激光器的腔长L很短，模式间隔很大，容易实现单很短，模式间隔很大，容易实现单纵模工作，发射光谱很窄，可以获得很纯的单纵模。纵模工作，发射光谱很窄，可以获得很纯的单纵模。 发光面既大又对称，园形发光面直径为几微米到几十微米发光面

47、既大又对称，园形发光面直径为几微米到几十微米，发散角度很小，仅仅几度。，发散角度很小，仅仅几度。 VCSEL激光器中发光面积很大，激光功率密度小。不会激光器中发光面积很大，激光功率密度小。不会因功率密度大于临界值而发生灾变性退化现象，因而器件因功率密度大于临界值而发生灾变性退化现象，因而器件寿命长。寿命长。L22如激光器的腔长为如激光器的腔长为L，折射率为，折射率为n，发射光谱的模式，发射光谱的模式间隔为：间隔为：87VCSEL的特性的特性 VCSEL激光器的工作电流小：由于腔长短，整个有源区激光器的工作电流小：由于腔长短，整个有源区的体积比端面发射激光器小许多，即使注入很小电流也能的体积比端

48、面发射激光器小许多，即使注入很小电流也能获得足够高的增益，发射激光。获得足够高的增益，发射激光。 VCSEL激光器的阈值电流仅仅为毫安量级，甚至小于激光器的阈值电流仅仅为毫安量级，甚至小于1mA，仅仅几十到几百微安的电流就能获得激光输出。，仅仅几十到几百微安的电流就能获得激光输出。 VCSEL激光器无须解力就已经形成了谐振腔，可以对外激光器无须解力就已经形成了谐振腔，可以对外延片上所有的器件进行检测，大大提高了工作效率、降低延片上所有的器件进行检测，大大提高了工作效率、降低了成本。了成本。 可以在同一衬底上集成多个可以在同一衬底上集成多个VCSEL激光器，制成多功能激光器，制成多功能的的VCS

49、EL激光器阵列。激光器阵列。88量子阱激光器（量子阱激光器（QW LD）超晶格与量子阱超晶格与量子阱 超晶格概念是超晶格概念是1970年由美国年由美国IBM公司的日本人江崎公司的日本人江崎(Dr. Esaki)和华人朱兆强首先提出来的。和华人朱兆强首先提出来的。 超晶格：两种或两种以上不同组分或不同导电类型的超薄超晶格：两种或两种以上不同组分或不同导电类型的超薄层材料，交替堆叠形成多个周期的结构，如果每层的厚度层材料，交替堆叠形成多个周期的结构，如果每层的厚度足够薄，以致其厚度小于电子在该材料中的德布洛依的波足够薄，以致其厚度小于电子在该材料中的德布洛依的波长，这种周期变化的超薄多层结构，叫做

50、超晶格。长，这种周期变化的超薄多层结构，叫做超晶格。 组分超晶格和掺杂超晶格组分超晶格和掺杂超晶格89量子阱量子阱 超晶格中，周期交替变化的薄层层厚很薄，相邻的超晶格中，周期交替变化的薄层层厚很薄，相邻的势阱中电子的波函数能够互相交替，使势阱中电子的波函数能够互相交替，使势阱中电子势阱中电子能态虽然是分立，但已被展宽能态虽然是分立，但已被展宽。 如果限制势阱的势垒的厚度足够厚，大于德布洛依如果限制势阱的势垒的厚度足够厚，大于德布洛依的波长，那么不同势阱中的波函数不再交叠，势阱的波长，那么不同势阱中的波函数不再交叠，势阱中的电子的能级状态变为分立的状态。这种结构称中的电子的能级状态变为分立的状态

51、。这种结构称之为量子阱。之为量子阱。 单量子阱（单量子阱（SQW，Single Quantum Well）。）。 多量子阱（多量子阱（MQW，Multi-quantum Well）。）。90量量 子子 阱阱两种不同组分（能带隙不同）的半导体材料密接两种不同组分（能带隙不同）的半导体材料密接时时, , 形成异质结形成异质结两个靠得足够近的相向异质结可以构成理想的矩形势两个靠得足够近的相向异质结可以构成理想的矩形势阱阱, ,当阱宽小于电子的平均自由程当阱宽小于电子的平均自由程, ,即形成量子阱即形成量子阱。InGaAsPInGaAsPInPInPk k = 0 = 0 处处InPInPInGaAs

52、PInGaAsPInPInPE Eg1g1E Eg2g291量子阱材料的能带结构量子阱材料的能带结构体材料体材料量子阱材料量子阱材料k kz zk kx xk ky yk kxyzxyzk ky yk kx xk kxyxyk kxyxyZ Z方向形成方向形成分立能级分立能级k kz z价电子带价电子带HH1HH1LH1LH1HH2HH2LH1LH1HH2HH2HH1HH1xyxy方向仍为连续能级方向仍为连续能级92低维量子材料及其状态密度低维量子材料及其状态密度体材料体材料随着维数的减少，状态密度越来越小，随着维数的减少，状态密度越来越小，对于量子点，只变成了一个个孤立的直线。对于量子点，只

53、变成了一个个孤立的直线。量子线量子线量子点量子点E ED(E)D(E)E ED(E)D(E)E E0 0E E1 1E E2 2量子阱量子阱D(E)D(E)E EE E0 0E E1 1E E2 2D(E)D(E)E EE E0 0E E1 1E E2 2Esaki (1968)Esaki (1968)Sakaki (1980)Sakaki (1980)Arakawa & Arakawa & Sakaki (1982)Sakaki (1982)93量子阱的分立能级和态密度量子阱的分立能级和态密度)(2222zyemkkmEE)()(2)1(mmeeEEHmE量子线的分立能级和态密度量子线的分立

54、能级和态密度222zenmkmEEE)(12)()2(nmmneEEEmE94量子点的分立能级和态密度分别量子点的分立能级和态密度分别lnmEEEE)(2)()3(lnmzyxEEEELLLE22)(2xemLmmEm, n, l=1，2，3 22)(2yenLnmE22)(2zelLlmE0y 20 x 1)(xH95量子阱中，导带和价带的态密度分量子阱中，导带和价带的态密度分布由抛物线形能带变为阶梯状，形布由抛物线形能带变为阶梯状，形成了以量子化能级为最低能态的二成了以量子化能级为最低能态的二维维“子带子带”组。组。二维二维“子带子带”使得电子和空穴在其使得电子和空穴在其上的填充情况大为改

55、变，增大了吸上的填充情况大为改变，增大了吸收边光跃迁的状态数，发射光谱变收边光跃迁的状态数，发射光谱变窄。窄。96量子阱激光器工作原理量子阱激光器工作原理受激发射必须满足的条件为：受激发射必须满足的条件为：211ln21RRLgth设激光器的腔长为设激光器的腔长为L，端面反射率为，端面反射率为R1、R2，内部，内部吸收损耗为吸收损耗为 ，光限制因子为，光限制因子为 ，因激光器应满足的，因激光器应满足的阀值条件为：阀值条件为：11cVchhFFEE进一步推广至各子能带情况：进一步推广至各子能带情况：cVmcnVFFEEh97 SQW： MQW：20222)(2xcasLnn bbaaaamtNt

56、NtN202222)(2cbbaanntNtNbbaabbbaaatNtNtnNtnNnSQW和和MQWNa个势阱和个势阱和Nb个势垒，个势垒，n 为有源区势垒层和势阱层的平均折为有源区势垒层和势阱层的平均折射率。射率。 表示的是折射率为表示的是折射率为n的等效层（厚度为的等效层（厚度为Nata+Nbtb）的）的光限制因子。光限制因子。 m正比于势阱的总厚度同势阱和势垒的总厚度正比于势阱的总厚度同势阱和势垒的总厚度和之比值。和之比值。MQW的的 m可达可达0.2，比，比 s要大得多。要大得多。 SCH-SQW99量子阱激光器的新特点量子阱激光器的新特点态密度呈阶梯分布，光子能量态密度呈阶梯分布

57、，光子能量h =Ec1-Ehh1Eg， g， 蓝蓝移移。辐射复合主要发生在辐射复合主要发生在Ec1和和Ehh1两个能级之两个能级之间，发射光谱的间，发射光谱的谱线窄谱线窄。很高的注入效率，易于实现粒子数反转。很高的注入效率，易于实现粒子数反转。温度稳定性好温度稳定性好声子协助载流子跃迁。声子协助载流子跃迁。100量子阱激光器的特性量子阱激光器的特性 阀值特性: 比DH LD低5-10倍, 能小于1mA。 P-I特性特性 外量子效率, 可达80%以上. 特征温度T0可达160K以上.101AlGaInP量子阱激光器的量子阱激光器的P-I特性曲线和光谱特性特性曲线和光谱特性半导体激光器的主要特性半

58、导体激光器的主要特性1. 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性ggEEhc24. 1不同半导体材料有不同的不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度E Eg g，因而有不同的，因而有不同的发射波长发射波长峰值波长峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。干发射模式中最大强度的光谱波长。中心波长中心波长：在激光器发出的光谱中，连接：在激光器发出的光谱中，连接50最大幅度值线最大幅度值线段的中点所对应的波长。段的中点所对应的波长。 GaAlAs-DHGaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a) (

59、a) 直流驱动直流驱动; (b) 300 Mb/s; (b) 300 Mb/s数字调制数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b) 在直流驱动下，在直流驱动下， 发射光波长发射光波长只有符合激光振荡的只有符合激光振荡的相位条件相位条件式式的波

60、长存在。这些波长取决于的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度激光器纵向长度L L，并称为激光器的，并称为激光器的纵模纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和和方向方向的选择，使的选择，使边模消边模消失失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。 当驱动电流足够大时，当驱动电流足够大时，多纵模多纵模变为变为单纵模单纵模，这种激光器称为，这种激光器称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。 图（图（b)b)是是300 Mb/s300 Mb/s数字调制的光谱特性，数字调制的光谱特性