浙江工业大学《通信光电子基础》课件 第四讲 半导体激光器件基础知识

第五章半导体激光器—理论及应用激光器按照工作物质形态分为：气体激光器；燃料激光器（液体），固体激光器。半导体激光器属于固体激光器的一类。半导体激光器特性：半导体激光器体积小、寿命长、性能稳定、价格低廉.电子注入泵浦的驱动电压电流都很小，在半导体的PN结中，注入电子使导带(E2)中的电子达到粒子数反转。当电子跳回价带(E1)并

与空穴复合时便发出光子。半导体激光器的电光转换效率高，具有很大的指数增益系数，可采用F-P激光腔(简单)，也可采用分布反馈的光栅DFB(高性能)

的激光器。泵浦电流的直接调制速率达20GHz以上。容易与由III－V类材料制作的场效应管、微波振荡器、双极晶体管等光学元器件形成单片集成。半导体工艺非常成熟，能大批量生产。半导体激光器输出光斑尺寸与硅光纤匹配，易耦合，输出波长与光纤低损耗、低色散窗口容易匹配。1969年研究成功“双异质结”结构。两种微型半导体光源LED、LDLED（lightemitteddiode）发光二极管，光亮度低、发散角大（定性差）、调制带宽窄、辐射的连续性差。只能应用在短距离的较低带宽的局域网。LD(laser

diode)，激光二极管，可应用在长距离高容量通信线路中。但价格（两千－几万）远比LED（几千）高。

半导体的能带结构：半导体是由紧密排列的原子组成的一种固体物质。每个原子含有多个电子，但物质的性质是由其最外层电子决定。在半导体中可能的能级是离散的，但这些能级排列得非常紧密，因此描述成一个能带.

区分两种能带价带（较低能量）和导带（较高能量），它们中间被禁带分开，在禁带的能量范围内不包括任何能级，即电子可以在价带导带所对应的轨道上活动，但决不能在禁带内活动。能带能带能带E带隙带隙EF图5-1晶体中电子的能级图。费米能级EF：温度达到绝对零度附近时，电子分布的满态和空态的能量界限，不是一个真正能级。半导体激光器光源宽带宽特性原因半导体分类本征半导体：其中的电子和空穴密度相等（游离在共价键之外的）。非本征半导体：在半导体中掺入其他物质的原子以产生大量电子（负电荷载体)或空穴（正电荷载体），分别称为n型半导体（电子密度大）和p型半导体（空穴密度大）。本征半导体（A）本征半导体的能级图。上园弧线表示导带—上能级(EC)、下弧线表示价带—下能级(EV)。当本征本导体温度为0K时，其费米能级EF处在导带与价带的中间。这意味着EF以下的价带被电子占满故也称为满带，而EF以上的导带都是空的没有被电子填充。本征半导体内部电子密度与空穴密度相等。最理想的本征半导体是由一种物质的原子组成的纯净物，如硅、锗等。化合物GaAs也属于本征半导体。n型半导体(B)将一5价原子（如锑、磷、砷等五族元素）掺入本征半导体中，则将多出自由电子形成ｎ型半导体。

自由电子为主要载流子。因为5价原子提供了额外的自由电子，因此被称为施主杂质（donorimpurity).EF上升到导带内部。

SiDontor........SiSiSiFreeElectron+5SiP型半导体（C）将3价原子（硼、镍、铟等）掺入本征半导体中，则将多余出空穴数目，形成p型半导体。空穴为主要载流子，电子为次要载流子。因为3价原子可以提供接纳电子的空穴，故称为受主杂质（Acceptorimpurity).它的费米能级EF下降到价带之中，因此价带顶部与导带都是空穴、EF之下的价带才充满电子。Acceptor.......SiSiSiSiHole+3双简并态半导体(D)

非热平衡状态下的半导体----双简并态。费米能级分裂成EFC和EFV

，分别深入到导带与价带之内，导带底充满电子、价带顶为空穴所占据。半导体光电效应就是形成双简并态一个例子。当光注入时,Eg为半导体的禁带宽度,价带中的电子吸收光子的能量跃迁到导带中去，在价带留下一个空穴。当光照撤除,导带中的电子经外电路回到价带与空穴复合、形成光电流。

发生本征吸收，光子能量必须等于或者大于禁带宽度Eg：hν≥hν0=Eg

当频率低于ν0时，不可能发生本征吸收，吸收系数迅速下降。典型半导体

GaAs:Eg=1.43eV,λ0=0.867μm，ν0=3.46x1014Hz

Si: Eg=1.12eV,λ0=1.10μm，ν0=2.73x1014Hz吸收限都在红外区半导体中的光吸收半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有105cm-1的吸收系数。材料吸收辐射导致电子从低能级跃迁到较高的能级。由于在晶体中有很多能级

连续的吸收带。

A.本征吸收物理图象理想半导体在0K时，价带完全被电子占满，导带是空的，价带内的电子是不可能被激发到更高的能级上（由于带隙Eg)。唯一可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带，而在价带中留下一个空穴，形成电子—空穴对。

这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程—本征吸收导带与价带之间的直接跃迁和间接跃迁GaAs、InP属于直接带隙半导体直接跃迁：电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒，电子在跃迁过程中波矢保持不变(在波矢k空间必须位于同一垂线上）,发生几率在ns量级。间接跃迁：动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子从而达到动量守恒.发生几率在ms量级。Si，Ge

属于间接带隙半导体Fig.15-2直接带隙半导体的能带图。E－K图中每两个相邻态之间的横坐标相等。电子态的Fermi-Dirac分布准费米能级Fig.5-3(a)0K时n型半导体的能带.(b)0K时p型半导体的能带。辐射跃迁（电子－空穴复合）寿命为3－4ns,远大于带内的无辐射跃迁寿命（ps量级）。当外界辐射场时，电子才能吸收光子从价带跃迁到导带。Fig.5-4

电子被注入导带形成受激辐射5.2半导体介质中的增益和吸收上能态a向下能态b(a、b有相同的波矢k）跃迁的几率：图5-7GaAs光学增益与光子能量的关系的计算结果，注入载流子密度为参量。图5-8在T=300k时，图15-7中增益峰值与反转密度的函数关系曲线5.3GaAs/Ga1-xAlxAsLasers两类主要半导体激光器都是基于III－V族元素：

III:Al铝Ga镓In铟

V:P磷As砷Sb锑(一)GaAs/Ga1-xAlxAsx表示每摩尔GaAs中被Al原子替换掉的Ga原子的百分比。适宜做L<2km的短距离通信光源。(二)Ga1-xInxAs1-yPy

适宜做长距离通信光源。

Fig.15-9AtypicaldoubleheterostructureGaAs/GaAlAslaser.ElectronsandholesareinjectedintotheactiveGaAslayerfromthenandpGaAlAs.Frequenciesnearareamplifiedbystimulatingelectron-holerecombination.半导体生长技术(微细加工)(一)化学汽相沉积法(CVD，chemicalvapordeposition)(二)分子束外延法(MBE,molecularbeamepitaxy)(三)液相外延法(LPE,liquid-phaseepitaxy)采用上述微加工技术可实现在衬底(substrate)上生长出原子尺度的薄层。平板波导结构：由于掺杂使半导体材料的折射率降低，，有源层与上下夹层之间形成平板介质波导。受激辐射形成的基模的能量主要限定在GaAs有源层里。

双异质结半导体激光器双异质结三种不同掺杂的半导体形成“三明治”结构的双pn结。中间层的载流子复合区(形成激光)被二个异质结的高势垒夹住，载流子不会穿过势垒流失。载流子被限制在结区，大大提高复合载流子密度和激光强度。波导结构另一方面，“三明治”结构也是光折射率“低—高—低”的三层结构，当光线从光密介质向光疏介质传输时会产生全反射，因此这种结构也成为约束光子的波导结构、使光子密度大为提高。现在光通信中使用的半导体激光器大多为双异质结构。在图15-10中，GaAs/GaAlAs界面上能隙的不边续量大部分是由导带的不边续和小部分价带的不边续组成，，电子和空穴被有效限定在有源区，激光放大形成的电磁模式也会被有效限定在同一区域，因此大大降低了半导体激光器的阈值(thresholdvalue),成功实现低阈值连续半导体激光器。有源层厚度为d,当外界电流一定时，载流子浓度以及增益会正比于1/d，引入模式增益的概念。模式增益g有源层厚度d对模式分配比例的影响图5-12.导引层厚度不同时各区间的近场强度分布图.图5-13(a)未掺杂有源层的大面积、腔长500um的AlGaAs双异质结（DH）激光二极管的阈值电流密度与有源层厚度d的函数关系的计算值和实验值。图15-13(b)未掺杂和掺杂有源层GaAlAs双异质结DH激光二极管的阈值电流密度与有源层厚度d的函数关系的计算值和实验值。数值列：双异质结激光器中的阈值电流密度如Fig.15-10所示的GaAs/GaAlAs激光器中，参数如下：5.4常见激光器结构图5-9典型的双异质结GaAs/GaAlAs激光器.回顾：缺陷：图15中只是将电流和受激辐射在Z方向做了限制，Y方向无限制，电磁场沿X方向传播时，Y向会形成多个横模，这样会引起在Y方向空间和时间上的跳模现象(modehoping)。改进：为克服此缺陷，采用掩埋双异质结构半导体激光器将载流子浓度和电磁场横模加以限定。图5-15一个掩埋式双异质结激光器

掩埋式双异质结构激光器的结构特点：一、有源区GaAs四周被低折射率GaAlAs包围，形成矩形介质波导。通过选择矩形介质波导的横向尺寸(微米量级)，仅使低阶横模(如基模)沿纵向传输。二、如上节内容所述，由于有源区GaAs与四周GaAlAs能带的不连续使得载流子被限定在有源区，并由于势垒作用防止载流子逃逸出有源区，这样大大降低了激光器的阈值。过去Ith=60~120mA,

现在Ith=5~30mA,Imin=1mA,

商用Ith~20mA

图5-16低阈值商用双异质结(DH)GaAs/GaAlAs激光器的功率与电流关系图PI数字电信号数字光信号光发射机的信号调制过程。图5-17低阈值电流商用双异质结(DH)GaAs/GaAlAs激光器的远场强度的角分布图GaInAsP四元半导体激光器GaInAsP半导体激光器的发射波长在1.1um~1.6um

石英光纤在1.3um附近色散最小，在1.55um附近损耗最小，因此GaInAsP激光光源适宜于长距离大容量通信。从晶格常数随波长的关系曲线可知，GaInAsP与InP在波长0.9um~1.7um范围内匹配，因此采用外延生长技术在有源区GaInAsP四周生长低折射率的