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； 超晶格：兩種半導體材料交替生長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。 一型超晶格：由于、Eg的不同，可將兩種半導體薄層構(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，如果限制勢阱的勢壘厚度足夠厚， 大于德布羅意波長， 那么不同勢阱中的波函數(shù)不再交疊， 勢阱中的電子的能級狀 態(tài)變?yōu)榉至顟B(tài)，這種結(jié)構(gòu)稱為量子阱。 量子線：其讓導帶電子、價帶空穴及激子受到二維限制，只有一維自由度，載流 子限制在了線狀勢阱中。 量子點： 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)： 對于普通的F-P腔激光器，結(jié)構(gòu)上主要依賴于一對平行的解理面形成光腔，進而 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，而是在整個腔上，依靠刻蝕在激光器有源層（激活區(qū)）或其相鄰波導層上 的周期光柵。 原理和性能： F-P 腔激光器的光反饋是通過兩個解離面的反射實現(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，所以難于實現(xiàn)單縱模工作。 DFB 激光器的光反饋是通過有源層或其相鄰波導層上的周期性光柵所形成的擾 動，即通過布拉格衍射提供分布反饋的， 這種反饋作用使得激活區(qū)內(nèi)的前向波與 后向波發(fā)生相干耦合。 這種工作

4、機制易出現(xiàn)單縱模， 但可能出現(xiàn)的單縱模往往是 由于 DFB 區(qū)兩端的不對稱的反射所致，這時輸出功率往往不穩(wěn)定，并可能產(chǎn)生 DFB區(qū)中形成相移區(qū)，來 4 入b 跳模和不穩(wěn)定的兩模振蕩。通過在均勻波紋光柵的 實現(xiàn)以最強的反饋、最低的閾值增益在布拉格波長 下實現(xiàn)動態(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：實現(xiàn)以最強的反饋、最低的閾值增益在布拉格波長入b下實現(xiàn)動態(tài)單縱模 工作。同時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。通過擾動正反行波的對稱性，使輻射功率集中到一個主模上，同 時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，左右兩段內(nèi)的各自正 4 反向行波會形成駐波，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分布，右圖為加入一位移光柵、 4 等效折射率分布及光強分布 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)過往返會產(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，會使輸出功 4 率增加，且單縱模重復性好，但

6、相應振蕩波長也會稍有偏離入bo 4. 半導體閾值電流十分依賴工作溫度。有一個激光器的實驗數(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 對溫度T的指數(shù)關(guān)系，并以這三點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推導出I北同T的關(guān)系表達式。 解： 所有半導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，認為影響半導體的溫度相關(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(將俄歇復合，載流子與有源 層中缺陷和異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的復合損失歸于內(nèi)量子效率考慮) 因影響半導體溫度特性的因素很多，為便于測量，一般用近似式： T -T 1

7、 IthfT )=Ith(Tr exp L來表示溫度對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)系表達式：I也T = 76 exp 一25】mA I 91.2 丿 物理意義: 半導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，lth=2.88mA; T=300K 時，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數(shù)量級時，會出現(xiàn)量子 尺寸效應，這時載流子被限制在有源層構(gòu)成的勢阱中，即量子阱，這導致自由載 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，使 能級之間的電子躍遷來支配產(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、復合時，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 相應地，其發(fā)射波長小于禁帶寬度所對應的波長 124，發(fā)生了藍移。 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：光子來回一周所經(jīng)的光程必須是波長的整 數(shù)倍。 即：2nL = m 0 對于相鄰兩模式, 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 對于F-P腔激光器，腔長Li =200m ,則縱模間隔為： 2 1 2 0.87 0.5271nm 2nL12 3.59 200 對于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 1 24 = 0.77m。 Eg2 1.611 1.24 對于F-P腔激光器，腔長L2二200m，則縱模間隔為: 2 0.77 0.4228nm 2nL22 3.506 200 對于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-空穴對在復合發(fā) 出的光子數(shù)的效率。公式可表示為： 單位時間內(nèi)發(fā)出的光子 數(shù) 單位時間內(nèi)有源區(qū)注入的電子-空穴對數(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 H JSH DH LOC SCH GAIN-SCH-SQW MQW 激光器的演 變進程進行物理解釋。 半導體激光器的基本結(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。以不斷對工作物質(zhì)進行優(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)的電子擴散長度和n區(qū)的空穴擴散長度所對應 的區(qū)間所組成的。 特點：有源區(qū)厚度主要由p區(qū)電子擴散長度決定，而它是隨溫度的增加而 增加，導致閾值電流密度隨溫度發(fā)生劇烈變化；由于電子擴散長度較長， 室溫下5m，且在一個電子擴散長度范圍內(nèi)受激光子無限制地向結(jié)區(qū)兩邊材 料擴展，導致閾值電流密度很高，達104 A cm2。 (2) S.H.單異質(zhì)結(jié)半導體激光器 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，同時異質(zhì)結(jié)兩邊的折射率差形成了光波 導效應，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：閾值電流密度比HJ低一個數(shù)量級，能獲得高的脈沖值功率；具 有光波導層，減少光子橫向逸出。具有光波導層，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，對光構(gòu)成了很好的波導限制。 ! 1 ! I八I NP n-GaAlAs p-GaAs P-GaAlAs 特點：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)分別對注入 該區(qū)的非平衡少子和該區(qū)多子進行限制；對受激產(chǎn)生的光子進行了光學限 制，光限制因子】增加。閾值電流密度又比SH的大幅降低，實現(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。缺點在于發(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層，光強能夠從有源層擴展到波導層中，波導層 與有源層一起形成介質(zhì)光波導。 特點：提高了激光器輸出功率，解決了單模運轉(zhuǎn)時要求薄有源層和發(fā)光面積 太小引起器件燒壞，而要求厚有源層的矛盾，波導層擴展了發(fā)光面積；但 LOC只在有源區(qū)一邊增加波導層，光和載流子限制仍有很大重疊，仍對高功 率輸出不利。 P-GaAlAs包圍層 p-GaAs有源層 遊導層 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。 特點：兩波導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；兩波導層同有源層一起構(gòu)成光波導，光可擴散到這兩層中，.汕不大; 光和載流子分別限制在不同區(qū)域，進一步提高激光輸出功率。 解決了有源層厚度很薄時，不能同時兼有光限制和載流子限制這一雙重作 用。窄的有源區(qū)便于實現(xiàn)載流子限制，使很小的注入電流便可實現(xiàn)粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)，達到激射所需的光增益。寬的光波導層使光束在較寬區(qū)域內(nèi)傳播，既解 決了光波導問題，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，使其長時間穩(wěn)定工作。 圖8.5分離限制激光