半导体激光器的设计和工艺

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1、半导体激光器的设计和工艺黄永箴中国科学院半导体所，光电子研发中心集成光电子国家重点实验室1一.半导体激光器的基本结构•1.半导体双异质结构•2.Fabry-Perot谐振腔(纵模)•3.侧模控制(基侧模)•4.横模控制•5.动态单模半导体激光器•6.波长可调谐半导体激光器•7.长波长VCSEL的进展•8.微腔激光器和光子晶体•9.半导体激光器材料的选择2二.半导体光波导•1.平板波导的模式，TE和TM模•2.光限制因子和模式增益•3.一维多层波导结构(VCSEL)光场分布•4.半导体激光器镜面反射系数•5.DFB

2、激光器的藕合模理论•6.DFB半导体激光器的一维模拟•7.等效折射率近似•8.数值模拟3三.半导体中的光跃迁和增益•1.费米分布函数及跃迁速率•2.电子波函数及跃迁矩阵元•3.简约态密度及增益谱•4.模式的自发辐射速率•5.应变量子阱的能带和增益谱数值结果•6.能带，跃迁矩阵元和增益谱数值结果•7.增益谱峰值的近似表达式4四.速率方程和动态效应•1．单模速率方程及基本物理量•2．稳态输出•3.共振频率和3dB带宽•4.载流子输运效应对带宽影响•5.开启延迟时间•6.线宽增宽因子和动态频率啁啾•7.自发辐射引起的噪

3、声•8.相对强度噪声•9.模式线宽•10.多模速率方程5五.半导体激光器的基本工艺和特性1.半导体激光器的工艺过程2.激光器微分特性3.激光器寿命4.激光器阈值电流的温度特性6一.半导体激光器的基本结构•1.半导体双异质结构双异质结构实现：1.载流子的超级注入2.光场限制3.载流子限制(a)单面注入和超级注入(b)电场下电子的漂移(c)电子和光限制(d)隧穿7第一个室温连续的电注入双异质结构半导体激光器(1970年)以及半导体激光器阈值电流密度随时间的变化•1970年第一支RT-CWGaAs/AlGaAsDHLD

4、:Z.Alferov,IEEEJ.STQE,vol.6,p.832(2000)(第一支RT-CW1.5µmGaInAsP/InPLD,JJAP,vol.18,p.2333,1979)82.Fabry-Perot谐振腔(纵模)•exp(iβl+gl/2)r1r2exp(i2βl+gl)rr1l2r1r2exp(i2βl+gl)=1阈值条件:r1r2exp(gl)=1r2exp(iβl+gl/2)谐振条件:2βl=2mπ(m纵模数,β=2πn/λ)⇒纵模间隔δλ=λ2/(2nl)g群折射率n=n-λdn/dλ一般比折

5、射率n大20~30%g在GaAs和InGaAsP双异质结边发射激光器中n=4~4.5g93.侧模控制(基侧模)电极质子轰击区氧化物P-限制层有源层N-限制层(a)(b)非自建的增益波导，即光波导是由注入载流子形成的增益空间分布构成的：(a)氧化物只在电极处限制电流注入；(b)质子轰击在半导体中形成电流注入通道。10电隔离的氧化P外延层物或有机物N外延层P外延层(c)(d)Si-扩散半绝缘层(e)(f)有源区自建的折射率波导，光波导由横向折射率空间分布所构成：（c）脊形波导提供电流和弱的光波导限制，（d)腐蚀台形的

6、二次外延掩埋异质结构提供电流，载流子和光波导限制；(e)杂质扩散或空位引起限制层和有源层间原子互扩散形成掩埋异质结构提供载流子和光波导限制和横向开启电压变化；(f)在图形衬底上生长形成窄条有源区114.横模控制•对边发射激光器横模是生长方向的模式分布，各层厚度可以由材料生长所控制，很容易实现基横模工作。在这一维度上的控制主要是载流子和光场限制，以及得到小的远场发散角以利光纤耦合。大的光场限制（降低阈值）和小的远场发散角必须折衷选择。IEcPiNEcEvEEgvEnc光场E分布v双异质结(DH)分别限制异质结构(S

7、CH)量子阱激光器125.动态单模半导体激光器实现动态单模的途径（1）增加模式间的增益差：短腔激光器垂直腔面发射激光器VCSEL（实现了单纵模，重点在横模和偏振控制）增益谱动态单模所需的模式间的损耗差（2）增加模式间的损耗差分布布拉格反馈（DFB）激光器分布布拉格反射器（DBR）激光器短腔激光藕合腔激光器，外腔激光器器纵模谱藕合腔(C3)激光器:VCSEL纵模谱13各种DFB激光器的结构解决折射率藕合的DFB激光器的双模问题:(a)高反和增透膜，(b)λ/4位移，(c)相位调制。(d)(e)抑制空间烧孔实现窄线宽

8、。采用增益藕合DFB更容易实现单模14与SOA和EA调制器集成的多波长DFB激光器阵列K.Kudo,IEEEPTL,vol.12,p.242(2000)15分布布拉格反射器(DBR)激光器(布拉格反射区是无源的)垂直腔面发射激光器(VCSEL):平面工艺制作，不要解理端面，对称的远场光束，窄线宽，易于光纤藕合166.波长可调谐半导体激光器•波长可调谐半导体激光器的技术选择