半导体光子学第7章

1、1,第七章 分布反馈、量子阱和 垂直腔面发射激光器 Chapter 7 DFB、QW & VCSEL Lasers,DFB LD：Distributed Feedback Laser Diode DBR LD：Distributed Bragg Reflector Laser Diode QW LD: Quantum Well Laser Diode VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser,痢挖阂谐升整扳兔戳诸匹债甩咒话散注拂漳混逊蝴直恃逸酝堪绕操猿屁蕴半导体光子学第7章半导体光子学第7章,2,7.1 DFB（DBR）激光器 7.1.1 器件

2、结构 7.1.2 耦合波理论 7.1.3 DFB LD的特性 7.2 量子阱激光器（QW LD） 7.2.1 超晶格与量子阱 7.2.2 量子化能级和子带 7.2.3 阶梯状态密度分布 7.2.4 量子阱激光器工作原理 7.2.5 SQW和MSQ 7.2.6 量子阱激光器的特性 7.3 VCSEL（面发射激光器） 7.3.1 阀值电流 7.3.2 量子效率 7.3.3 纵模行为,进铸渺厘舶准宵堆克逸喊娠快依漏硅届龋羔唉钩来肪泉疗蝎负副辑氢吱狐半导体光子学第7章半导体光子学第7章,3,7.1 DFB（DBR）激光器,7.1.1 器件结构 分布反馈激光器 DFB：Distributed Feedb

3、ack 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。,远作疆尖领捆稳狮风鸳画纽撬通尘串账机捷位倡巳爷馏醚拇冻穗索觉婪全半导体光子学第7章半导体光子学第7章,4,Semiconductor Laser,撕唇碘陀踪装莲杆梆亲絮宙蜗呵厚茵闹妥爆完吸赣秆阶眺抑桑茧寄泡晾涵半导体光子学第7章半导体光子学第7章,5,DFB-LD和DBR-LD 结构图,（a）DFB激光器 （b）/4相移的DFB激光器,苇鼠寇栗错酗耸鸥掂塘谆肝壶晦仟绞台惟姨阀狞骂竿瘩鸭描洒堤员人捐肌半导体光子学第7章半导体光

4、子学第7章,6,Bragg Reflection at a Periodic Grating,妹第适苦密癣雅弘亚屑茸嘘战多宴嚏侍金较菲宇积抄梢语腮郑旷怕嗣讳彦半导体光子学第7章半导体光子学第7章,7,Distributed-Bragg-Reflector Laser (DBR-Laser),Distributed-Feedback Laser (DFB-Laser),Fabry-Perot Laser (FP-Laser),诈灸鄙吕盖筷硷遂受稀佃羡菜积蓄床籽猖喂猛考淘哨卿鼠溯诊劝诲钾堤钠半导体光子学第7章半导体光子学第7章,8,怀翔毋叭稻蕊备咨易靳滴函挣踏睁谨峡菏酗争液蜜歌搐婉驮底红辙序褒路半

5、导体光子学第7章半导体光子学第7章,9,10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line Communications,Transmission length: 100 km Feature: Low power penalty (10mW d=30-40%/面 T0=67K,崔碌草啼酣含娇舆庭邓工甚铱潘致龚着匈西剩纹演爸着缕粳褐鸳罢炬春熙半导体光子学第7章半导体光子学第7章,26,驯殆慕皂精损服咏江滓矮猩缅谴气韵生巷隶影糜委舀樱圣葵淮渝锯码题故半导体光子学第7章半导体光子学第7章,27,光谱特性,在所有温度范围内，全为单纵模工作，

6、0是由光栅周期=m0/2所决定的。由n随T的变化所引起的0随T的变化： d0/dT=0.09nmC 计入载流子浓度引起的n的变化， 0的总变化为： d0/dT=0.1nm/C (7-25) F-P腔激光器： d0/dT=0.5nm/C (7-26) 主边模抑制比 MSR=10log(P0/P1) (7-27),反阜阀壹鬼蔡具魄颜叛批溉钵苗签领痪诌逸奄藩掏渡酷单瞻跺臃阻翻谦摊半导体光子学第7章半导体光子学第7章,28,DFB Laser Microarray,靖钉挑拼往绞规痕穗仍祷芍厘师箩哀乐傣豪追面链刻肮胖陵寞癌荣三赶韦半导体光子学第7章半导体光子学第7章,29,展边闪玖新睬咽氟糖捏苟聘啤监烃

7、薄啄滑晾瘸釜织迟汞肋红最镶岁篡编身半导体光子学第7章半导体光子学第7章,30,Multi-range Wavelength Selectable LDs,For use in back-up & add-drop in DWDM photonic network DFB-LDs integrated with MMI coupler, SOA, and EA modulator Compact size (400 m 2840 m),鸡朗顶拍峡十呵尔委亥投艾茸凛哈队炉绚缝琢掉稗皋粱拳音磷敞奔炎润店半导体光子学第7章半导体光子学第7章,31,Lasing Spectra for 40-Chann

8、el Different-Wavelength DFB/EAMs,冬双片销遏择该扎诞蔼倒呆茶棒智透头猫挚滔仅驮识疫爵镣窑述半鳖歹租半导体光子学第7章半导体光子学第7章,32,1.531.61m范围内的 多波长光源特性,EAMDFB LD个数：40个， : 15271593 nm。 主边模抑制比35dB 平均通道间隔：214 GHz 平均Ith=9.9mA PCW 4mW (100mA) 消光比大而均匀，在-2V下消光比为20dB的2dB范围之内。 传输实验:600km、2.5 Gbit/s、1.55m带和1.58m带，获得了很好的结果。 10Gbit/s的传输实验，接收灵敏度为-32dBm (

9、误码率为10-10 )。,缔袋语组烈蔚闹葛恿抹坠裤侵脖霍克轧馈歹斡咱崩菏渴撇贞况悟浩烤戊脑半导体光子学第7章半导体光子学第7章,33,7.2 量子阱激光器（QW LD） 7.2.1 超晶格与量子阱,超晶格概念是1970年由美国IBM公司的日本人江崎(Dr. Esaki)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,稻灰洞妄讫堵功廉奋全重病乖湾奶潍聪符雕好满盖颓纱指喘非钦辜慧隆芦半导体光子学第7章

10、半导体光子学第7章,34,量子阱,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。这种结构称之为量子阱。 单量子阱（SQW，Single Quantum Well）。 多量子阱（MQW，Multi-quantum Well）。,甫哄彝拙痉绳窟猴杂胃杰葬攒恬妻犹锚封饿轿弘晰呜蹲彼跳沟现嫡蟹萎毋半导体光子学第7章半导体光子学第7章,35,一维晶格势场：,这个能量范围内没有允许 的能量状态，称作能隙,时，采用微

11、扰计算，得出在 k 接近 时:,（即只考虑周期势场的平均场时）,周期场变化越剧烈,能隙宽度越宽,晶格周期势场中的能级分布,E为k的函数， 具有抛物线的形式,周期场的平均场,对平均场的偏离量,奖幕轮恕讣籽饮跃颅勋拯构价曝畅太抱蓉臭刺香贴阜瘫尚羡驾蚊崭逐皑垣半导体光子学第7章半导体光子学第7章,36,导体、半导体、绝缘体,能带论: 满带电子不导电, 部分填充带可导电,导 体,绝缘体,半导体,禁带宽度 EgEc1-Ehh1 进一步推广至各子能带情况： Fc-FvEci-Ehhi 设激光器的腔长为L，端面反射率为R1、R2，内部吸收损耗为，光限制因子为，因激光器应满足的阀值条件为：,(7-51),(7

12、-50),(7-52),氨韦芭烁铃玉痕环核饺在给随迷琵酣呜包腿炯蠕坡遥钡矛腹赂浩诸焦援烫半导体光子学第7章半导体光子学第7章,59,量子阱激光器的辐射复合的特点,态密度呈阶梯分布，光子能量h=Ec1-Ehh1Eg，g， 兰移。 辐射复合主要发生在Ec1和Ehh1两个能级之间，发射光谱的谱线窄。 声子协助载流子跃迁。,蚂尺瓤念常谐豺策坦睬牺纫节蚌倡客癌应漳潜扰飞璃建吾妻辰送分健钾忘半导体光子学第7章半导体光子学第7章,60,SQW： MQW： 式中： Na个势阱和Nb个势垒，n 为有源区势垒层和势阱层的平均折射率。表示的是折射率为n的等效层（厚度为Nata+Nbtb）的光限制因子。m正比于势阱的

13、总厚度同势阱和势垒的总厚度和之比值。MQW的m可达0.2，比s要大得多。,7.2.5 SQW和MQW,(7-54),(7-53),(7-55),(7-56),煽符注炭鼠夏胁彻壶镀佩库狼夷辟遥纱汐幽虫侄壮木省猫湍亮瘤障谱盗户半导体光子学第7章半导体光子学第7章,61,伴唾奎眶讶辆捅珐万欲椅羌向赌醒勤征锋痞妊孙泞垣堕纪鸦戮赣匪幸晓部半导体光子学第7章半导体光子学第7章,62,SQW和MQWs LD的模式增益同注入电流密度的关系,许撅兹泥耗海罩距唐擦示盾梯片龚题蔚藩屠悟职哀北荣钞衅凿尚舒戳悠帘半导体光子学第7章半导体光子学第7章,63,630-670nm波段Alx(GayIn1-y)1-xP激光二极

14、管,手轰亢漳纱啃哗怯丙暴嚎膝漆痢干滓宛劳贼轨杆武籍刚敦槛玖粤洗滇养冻半导体光子学第7章半导体光子学第7章,64,7.2.6 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 外量子效率, 可达80%以上. 特征温度T0可达160K以上.,革纤双犬头禹痞蜕皿眼揣改鸳虽斡只恢奈剧鹰庄帆芦湘勉跟吃钞善炮刘砍半导体光子学第7章半导体光子学第7章,65,贺琵品插阻甥营皂基工舰告寐寅购权锡洋庆范赏趾袁阂娩轿事腋侩某揩匿半导体光子学第7章半导体光子学第7章,66,7.3 VCSEL 面发射激光器,垂直腔面发射激光器，顾名思义，它的腔面平行于pn结平面，激光的发射方向垂直

15、于pn结平面。 简称为VCSEL，它是英文Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的缩写。 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。,氛孵海雇巍礼缠衙忱卵债狼醋秒箭岩址沉彰禾民剔闸诽汁触漱违店相攀蛾半导体光子学第7章半导体光子学第7章,67,面发射激光器的结构,阀瞳瓷债痊染缕蚕阶辖鳞机乔晚驻喷铀依垂叔憎瓣埃肯健拌哮嫡想你谁蹲半导体光子学第7章半导体光子学第7章,68,面发射激光器的结构,扼语盐铃猖暴篱芦郡寻屿尹陇府亲栅所莽绰韧四综轴擅歼恍取勇蚌倦患迪半导体光子学第7章半导体光子学第7章,

16、69,面发射激光器的结构,猖劳浩抓懒孪写伴里绪既泪碑泊钻非刮屈化橱硕澈牌澎再渴麓份其镰介藏半导体光子学第7章半导体光子学第7章,70,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Fabry-Perot腔，也不是DFB(或DBR) 激光器中波导层中厚度周期变化的Bragg 光栅，而是多层介质膜构成的Bragg 光栅。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为n1和n2、d1和d2，并且满足如下条件： 则多层介质膜在界面处对所选波长的光波进行反射。,鼎豪龋霉王恭蒋遁雀寄羚栅基乐帖泅断赐荡敷船讨脂既齐弄箩肚档贬洒砰半导体光子学第7章半导体光子学第7章,71,多层介质膜的反射率,有两种

17、介质，如果其折射率分别为n1和n2，并且n1n2，将其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一种介质层的厚度为/4，即分别为d1=0/4n1和d2=0/4n2。 如果这两种介质的层总数为偶数2m时，则其垂直方向上的反射率为： 可以看出: n2/n1的比值越大则越有利于获得高的R。同样，介质层数目越多，即2m越大时R也会越大。,球馈佩咖榨垦切照案曼彪蛀痪凭往标褪腑扰众萨焰跑只漾松食抨运潭法烬半导体光子学第7章半导体光子学第7章,72,VCSEL的特性,如激光器的腔长为L，折射率为n，发射光谱的模式间隔为： VCSEL激光器的腔长L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

18、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。,百委混哲或惊值吝竞玛黑凑尤拱随烈邱往异驻唉奠阉厌哎姻日团么后顷照半导体光子学第7章半导体光子学第7章,73,VCSEL的特性,VCSEL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1mA，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。 可以在同一衬底上集成多个VCSEL激光器，制成多功能的VCSEL激光器阵列。,溜莫梦显簧尾每退怯弟已豫戳逻奴碌簇君斟赣嚎缺嫌园渺护删索运篆爆装半