分布反饋量子阱和垂直腔面發(fā)射激光器(20201207211423)

1、第八章 分布反饋、量子阱和垂直腔面發(fā)射激光器 1. 名詞解釋：超晶格、I型超晶格和II型超晶格、組分超晶格、摻雜超晶格、 量子阱、量子線、量子點(diǎn)； 超晶格：兩種半導(dǎo)體材料交替生長(zhǎng)的薄層組成一維周期結(jié)構(gòu)，每層厚度足夠薄， 以至于其厚度小于電子在該材料中德布羅意波長(zhǎng)。 一型超晶格：由于、Eg的不同，可將兩種半導(dǎo)體薄層構(gòu)成超晶格或量子阱的I 型和U型結(jié)構(gòu)。I型超晶格結(jié)構(gòu)如下圖1 ,滿足：AEg 】Ec rEV , Ec二Ezc-Eg, aEvEw-Ezv o U型超晶格結(jié)構(gòu)如下圖2 ,滿足： Eg=也Ec AEv, Ec=E2C Eq A Eg2，也Ev=E/-Eg!。 圖1.1 I型超晶格示意圖

2、圖1.2 II型超晶格示意圖 組分超晶格：利用周期性改變薄層半導(dǎo)體組分而形成的超晶格，如 Ga1-xAlxAs/GaAs。 摻雜超晶格：利用周期性改變組分相同的半導(dǎo)體各薄層中的摻雜類型而形成的超 晶格 量子阱： 與超晶格結(jié)構(gòu)類似，但周期數(shù)有限，如果限制勢(shì)阱的勢(shì)壘厚度足夠厚， 大于德布羅意波長(zhǎng)， 那么不同勢(shì)阱中的波函數(shù)不再交疊， 勢(shì)阱中的電子的能級(jí)狀 態(tài)變?yōu)榉至顟B(tài)，這種結(jié)構(gòu)稱為量子阱。 量子線：其讓導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子受到二維限制，只有一維自由度，載流 子限制在了線狀勢(shì)阱中。 量子點(diǎn)： 其讓載流子受到三維限制，有零維自由度，載流子限制在箱狀勢(shì)阱中 2. DFB激光器與F-P腔激光器在原理、

3、結(jié)構(gòu)和性能上有何差別？ 結(jié)構(gòu)： 對(duì)于普通的F-P腔激光器，結(jié)構(gòu)上主要依賴于一對(duì)平行的解理面形成光腔，進(jìn)而 用以光反饋放大使激光產(chǎn)生； DFB 激光器不是依賴于激光器的端面反射鏡形成 光腔，而是在整個(gè)腔上，依靠刻蝕在激光器有源層（激活區(qū)）或其相鄰波導(dǎo)層上 的周期光柵。 原理和性能： F-P 腔激光器的光反饋是通過(guò)兩個(gè)解離面的反射實(shí)現(xiàn)，縱模的選擇是由增益譜決 定的，由于增益譜通常比縱模間隔寬的多，所以難于實(shí)現(xiàn)單縱模工作。 DFB 激光器的光反饋是通過(guò)有源層或其相鄰波導(dǎo)層上的周期性光柵所形成的擾 動(dòng)，即通過(guò)布拉格衍射提供分布反饋的， 這種反饋?zhàn)饔檬沟眉せ顓^(qū)內(nèi)的前向波與 后向波發(fā)生相干耦合。 這種工作

4、機(jī)制易出現(xiàn)單縱模， 但可能出現(xiàn)的單縱模往往是 由于 DFB 區(qū)兩端的不對(duì)稱的反射所致，這時(shí)輸出功率往往不穩(wěn)定，并可能產(chǎn)生 DFB區(qū)中形成相移區(qū)，來(lái) 4 入b 跳模和不穩(wěn)定的兩模振蕩。通過(guò)在均勻波紋光柵的 實(shí)現(xiàn)以最強(qiáng)的反饋、最低的閾值增益在布拉格波長(zhǎng) 下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作。 3. DFB激光器中-相移區(qū)有何作用？為什么能起到這種作用？ 4 作用：實(shí)現(xiàn)以最強(qiáng)的反饋、最低的閾值增益在布拉格波長(zhǎng)入b下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模 工作。同時(shí)由于主模和次模的閾值增益相差很大， 可能得到次模抑制比大于30db 的穩(wěn)定單縱模。通過(guò)擾動(dòng)正反行波的對(duì)稱性，使輻射功率集中到一個(gè)主模上，同 時(shí)使各振蕩模式的閾值增益差增大。 原理

5、：將DFB區(qū)分為左和右兩段，在不加入相移區(qū)時(shí)，左右兩段內(nèi)的各自正 4 反向行波會(huì)形成駐波，而駐波波節(jié)均位于正向波傳播方向上等效折射率增加最快 之處。由下圖可見， 00 0 -25 圖3.左圖一般正弦光柵、等效折射率分布及光強(qiáng)分布，右圖為加入一位移光柵、 4 等效折射率分布及光強(qiáng)分布 左段和右段的駐波在DFB區(qū)兩段的分界處不能平滑相接，因此不能在布拉 格波長(zhǎng)上發(fā)生諧振，b =2 , n為等效折射率，A為正弦光柵周期。 但若在分界處引入-相移區(qū)，行波經(jīng)過(guò)往返會(huì)產(chǎn)生 =n的相移，從而使兩段的 4 駐波平滑相接，一些研究表明，-相移區(qū)的位置在偏向輸出端面時(shí)，會(huì)使輸出功 4 率增加，且單縱模重復(fù)性好，但

6、相應(yīng)振蕩波長(zhǎng)也會(huì)稍有偏離入bo 4. 半導(dǎo)體閾值電流十分依賴工作溫度。有一個(gè)激光器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：在 0C、 25C和50C下，閾值電流1也分別為57.8mA76mA和100mA。試畫出1也同絕 對(duì)溫度T的指數(shù)關(guān)系，并以這三點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出I北同T的關(guān)系表達(dá)式。 解： 所有半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度均隨溫度的升高而明顯增大，增大的幅度 隨不同的激光器而已，認(rèn)為影響半導(dǎo)體的溫度相關(guān)的因素主要是：增益系 數(shù)g；內(nèi)量子效率i;內(nèi)部載流子和光子損耗(將俄歇復(fù)合，載流子與有源 層中缺陷和異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復(fù)合損失歸于內(nèi)量子效率考慮) 因影響半導(dǎo)體溫度特性的因素很多，為便于測(cè)量，一般用近似式： T -T 1

7、 IthfT )=Ith(Tr exp L來(lái)表示溫度對(duì)I th的影響，其中Tr為室溫，To為特征 I T0丿 溫度，Ith Tr為室溫下的閾值電流密度。 取25C為室溫，則由題意可知：IthTr =76mA，將其他數(shù)據(jù)代入: 57.8 =76 exp To 50-25 91.3+91.1 To91.2 2 100 =76 exp 將兩式中的特征溫度求平均，可得 可得I th同T的關(guān)系表達(dá)式：I也T = 76 exp 一25】mA I 91.2 丿 物理意義: 半導(dǎo)體激光器的閾值電流隨溫度升高而明顯增大，增大幅度隨不同激光器而 已。特征溫度To越高，代表激光器的溫度穩(wěn)定性越好， T。：，則半導(dǎo)體

8、激光 器的Ith不隨溫度變化。 圖4a.lth與T的關(guān)系圖 圖 4b.T=0K 時(shí)，lth=2.88mA; T=300K 時(shí)，lth=77.6mA 1 24 5試述量子阱激光器的工作原理。為什么量子阱激光器的發(fā)射波長(zhǎng)小于土4 ? Eg 工作原理：有源層厚度薄到玻爾半徑或德布羅意波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)量子 尺寸效應(yīng)，這時(shí)載流子被限制在有源層構(gòu)成的勢(shì)阱中，即量子阱，這導(dǎo)致自由載 流子受到一維限制，特性發(fā)生變化，利用量子約束在有源層中形成量子能級(jí)，使 能級(jí)之間的電子躍遷來(lái)支配產(chǎn)生受激輻射。 量子阱有源區(qū)的能帶由于量子化而與體材料的不同，不像體材料拋物線能帶 中載流子必須從接近帶底處開始填充，電子與空穴

9、復(fù)合時(shí)，首先是Eg與E!V之 間的發(fā)生，產(chǎn)生光子能量2二巳C -E!VEg，即光子能量大于材料禁帶寬度， 1 24 相應(yīng)地，其發(fā)射波長(zhǎng)小于禁帶寬度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 124，發(fā)生了藍(lán)移。 Eg 圖5.量子阱中的電子帶間躍遷 6. F-P腔激光器的腔長(zhǎng)200卩m , VCSEL激光器的有源區(qū)厚度2卩m ,如果有 源區(qū)為GaAs、（2）Alo.i5Gao.85As，制作F-P腔激光器和VECEL激光器，試求 這四種激光器的縱模模式間隔。 解： 諧振腔內(nèi)存在穩(wěn)定駐波的條件是：光子來(lái)回一周所經(jīng)的光程必須是波長(zhǎng)的整 數(shù)倍。 即：2nL = m 0 對(duì)于相鄰兩模式, 取: dm = -1，則 do = d o為

10、縱模間隔, 兩邊取微分： 2dn L = md 00dm 其中分母方括號(hào)代表的是增益介質(zhì)材料的色散，若不考慮色散的影響，則 2 0 2nL (1) Eg1 1240.87m。 1.424 GaAs的折射率m =3.59 ,禁帶寬度Egi =1.424eV ,可知波長(zhǎng) 對(duì)于F-P腔激光器，腔長(zhǎng)Li =200m ,則縱模間隔為： 2 1 2 0.87 0.5271nm 2nL12 3.59 200 對(duì)于VCSEL激光器，光子振蕩有源區(qū)Li =25，則縱模間隔為: n 2 1 2 0.87 2nL；2 3.59 2 52.7 nm Al 0.15Ga0.85As 的折射率 n2 =3.59-0.71

11、0 x 0.091x2 = 3.506，禁帶寬 度Eg2 =1.424 1.247 0.15 =1.611eV， 可知波長(zhǎng) 1 24 = 0.77m。 Eg2 1.611 1.24 對(duì)于F-P腔激光器，腔長(zhǎng)L2二200m，則縱模間隔為: 2 0.77 0.4228nm 2nL22 3.506 200 對(duì)于VCSEL激光器，光子振蕩有源區(qū)L2二2F，則縱模間隔為: (0.77 2 =42.28nm 2nL22 3.506 2 物理意義: (1) VCSEL激光器有源區(qū)中光子增益光程 L要遠(yuǎn)小于F-P腔激光器的光反饋 光程; (2) 縱模間隔與光子增益的光程 L呈反比，L越小，縱模間隔越大，越 易

12、實(shí)現(xiàn)單縱模工作，即VCSEL的單模特性更好； (3) 縱模間隔與材料的選擇有關(guān)，材料的禁帶寬度越小，折射率越大，光子增 益的光程2nL越大，越小，材料對(duì)單模工作的限制越好。 (4) 寬帶隙材料縱模間隔丄小于窄帶隙材料。 7試證明半導(dǎo)體激光器的效率有內(nèi)量子效率、外微分量子效率和功率效率分別 為: 證明： (1) 半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率的定義為： 激光器內(nèi)注入的電子-空穴對(duì)在復(fù)合發(fā) 出的光子數(shù)的效率。公式可表示為： 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光子 數(shù) 單位時(shí)間內(nèi)有源區(qū)注入的電子-空穴對(duì)數(shù) Po h I e Po Eg I e eFQ EgI 其中：I為注入電流，Po為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光子能量 (2) 外微

13、分量子效率的定義為：工作電流大于Ith之后的功率同電流的線性關(guān)系 公式可表示為：odPh h =甩電.乞1 些 (I Ith ye I Ith EgEgdl 其中：I為注入電流，Pout為單位時(shí)間向體外輻射的光子能量。 (3) 功率效率定義為注入功率(電能)轉(zhuǎn)換為激光光能的效率 公式可表示為： 激光器所輻射的光功率P0 p激光器所消耗的電功率IVl2rs， 假設(shè) rs : 0，則 12rs ： 0 Po IV e Ej Eg eV 8 ,試對(duì) H JSH DH LOC SCH GAIN-SCH-SQW MQW 激光器的演 變進(jìn)程進(jìn)行物理解釋。 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成，即：高效率產(chǎn)生

14、受激發(fā)射的工作物 質(zhì)(有源介質(zhì)或增益介質(zhì))；提供光學(xué)反饋的諧振腔；提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦能 量源。以不斷對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，可解釋從同質(zhì)結(jié)到多量子阱激光器 MQW的 發(fā)展： (1) HJ同質(zhì)結(jié)激光器 有源區(qū)是由空間電荷區(qū)及P區(qū)的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度和n區(qū)的空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng) 的區(qū)間所組成的。 特點(diǎn)：有源區(qū)厚度主要由p區(qū)電子擴(kuò)散長(zhǎng)度決定，而它是隨溫度的增加而 增加，導(dǎo)致閾值電流密度隨溫度發(fā)生劇烈變化；由于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)， 室溫下5m，且在一個(gè)電子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)受激光子無(wú)限制地向結(jié)區(qū)兩邊材 料擴(kuò)展，導(dǎo)致閾值電流密度很高，達(dá)104 A cm2。 (2) S.H.單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 有源層p- GaAs被夾

15、在n-GaAs和P-GaAIAs之間，從n-GaAs注入到p-GaAs 的電子受到p-GaAs/P-GaAIAs異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘的限制，在同樣的注入速率下，使 有源層積累的非平衡少子濃度增加，同時(shí)異質(zhì)結(jié)兩邊的折射率差形成了光波 導(dǎo)效應(yīng)，限制了有源層中所激發(fā)的光子從橫向逸出該異質(zhì)結(jié)而損失掉。 n-GaAlAs p-GaAs P-GaAlAs 特點(diǎn)：閾值電流密度比HJ低一個(gè)數(shù)量級(jí)，能獲得高的脈沖值功率；具 有光波導(dǎo)層，減少光子橫向逸出。具有光波導(dǎo)層，減少光子橫向逸出。 P-GaAIAs p-GaAs n-GaAIAs 圖8.2單異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)、折射率分布、光強(qiáng)分布示意圖 (3) DH雙異質(zhì)結(jié)激光器 有

16、源區(qū)以另一個(gè)異質(zhì)結(jié)Np代替SH中的np同質(zhì)結(jié)，發(fā)光區(qū)為窄帶隙材料, 兩邊被寬帶隙材料所夾，對(duì)光構(gòu)成了很好的波導(dǎo)限制。 ! 1 ! I八I NP n-GaAlAs p-GaAs P-GaAlAs 特點(diǎn)：能高效率地向p區(qū)注入載流子；有源區(qū)兩邊的異質(zhì)結(jié)分別對(duì)注入 該區(qū)的非平衡少子和該區(qū)多子進(jìn)行限制；對(duì)受激產(chǎn)生的光子進(jìn)行了光學(xué)限 制，光限制因子】增加。閾值電流密度又比SH的大幅降低，實(shí)現(xiàn)了室溫 下激光器的連續(xù)工作，有源區(qū)厚度減小，單模工作特性增強(qiáng)。缺點(diǎn)在于發(fā)光 區(qū)太小，不能提高功率。 P-GaAlAs N-GaAlAs p-GaAs n-GaAs 圖8.3雙異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)、折射率分布、光強(qiáng)分布示意圖

17、 (4) LOC大光腔結(jié)構(gòu)激光器 有源區(qū)的一邊增加一層波導(dǎo)層，光強(qiáng)能夠從有源層擴(kuò)展到波導(dǎo)層中，波導(dǎo)層 與有源層一起形成介質(zhì)光波導(dǎo)。 特點(diǎn)：提高了激光器輸出功率，解決了單模運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要求薄有源層和發(fā)光面積 太小引起器件燒壞，而要求厚有源層的矛盾，波導(dǎo)層擴(kuò)展了發(fā)光面積；但 LOC只在有源區(qū)一邊增加波導(dǎo)層，光和載流子限制仍有很大重疊，仍對(duì)高功 率輸出不利。 P-GaAlAs包圍層 p-GaAs有源層 遊導(dǎo)層 AlGaAs下包圍層 圖8.4大光腔激光器結(jié)構(gòu)、折射率分布、光強(qiáng)分布示意圖 SCH分離限制異質(zhì)結(jié)激光器 有源區(qū)的兩邊各增加一層波導(dǎo)。 特點(diǎn)：兩波導(dǎo)層同有源層的禁帶寬度差.：Eg將載流子有效地限制在有源 層；兩波導(dǎo)層同有源層一起構(gòu)成光波導(dǎo)，光可擴(kuò)散到這兩層中，.汕不大; 光和載流子分別限制在不同區(qū)域，進(jìn)一步提高激光輸出功率。 解決了有源層厚度很薄時(shí)，不能同時(shí)兼有光限制和載流子限制這一雙重作 用。窄的有源區(qū)便于實(shí)現(xiàn)載流子限制，使很小的注入電流便可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)，達(dá)到激射所需的光增益。寬的光波導(dǎo)層使光束在較寬區(qū)域內(nèi)傳播，既解 決了光波導(dǎo)問(wèn)題，又降低了光子流密度，有利于提高激光器的總輸出功率和 提高器件的可靠性，使其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。 圖8.5分離限制激光