第9章 半导体激光器修改2.ppt

半导体激光器的突出优点：半导体激光器的突出优点：低功率低电流抽运，可由晶体管电路直接驱动；低功率低电流抽运，可由晶体管电路直接驱动；可获得高速调制的激光输出；可获得高速调制的激光输出；是直接的电子光子转换器，转换效率高是直接的电子光子转换器，转换效率高;覆盖的波段范围广，包含光纤的低损耗、低色散区域；覆盖的波段范围广，包含光纤的低损耗、低色散区域；输出光束大小与硅基光纤相容，可用光纤耦合输出；输出光束大小与硅基光纤相容，可用光纤耦合输出；可形成集成光电子电路；可形成集成光电子电路；基于半导体的制造技术，适用于大批量生产；基于半导体的制造技术，适用于大批量生产；使用寿命最长；使用寿命最长；体积小，容易组装进其他设备中，质量轻，价格便宜。体积小，容易组装进其他设备中，质量轻，价格便宜。第第9 9章章 半导体激光器半导体激光器半导体激光器最常用的两种材料体系均属于半导体激光器最常用的两种材料体系均属于IIIV族半导体：族半导体：短距离的光纤通信和固体激光器的泵浦源。短距离的光纤通信和固体激光器的泵浦源。长距离光纤通信光源长距离光纤通信光源主要有主要有：近年来已出现可见光和中红外的半导体激光器。近年来已出现可见光和中红外的半导体激光器。和和 InP和和GaAs的典型结构的典型结构9.1 9.1 半导体激光器物理基础半导体激光器物理基础9.1.1 9.1.1 半导体的能带结构和电子状态半导体的能带结构和电子状态 GaAsGaAs的晶格结构的晶格结构 半导体是由一种（或几种）原子周期性规则排列而成。半导体是由一种（或几种）原子周期性规则排列而成。孤孤立立的的原原子子处处在在一一系系列列不不同同的的运运动动状状态态中中，这这些些不不同同的的运运动动状状态态，对应原子的不同能级。对应原子的不同能级。当当大大量量的的孤孤立立原原子子彼彼此此靠靠得得很很近近时时，原原子子之之间间有有相相互互作作用用，致致使使原原子子的的每每个个能能级级分分裂裂为为能能量量稍稍有有不同的若干能级。不同的若干能级。在在一一个个具具有有N N个个粒粒子子相相互互作作用用的的半半导导体体中中，每每一一个个能能级级会会分分裂裂成成为为N N个个能能级级，彼彼此此十十分分接接近近的的N N个个能能级级好好象象形形成成一一个个连连续的带，称之为续的带，称之为能带。能带。固体的能级固体的能级 本征半导体的能带本征半导体的能带 本本征征半半导导体体在在绝绝对对零零度度时时，价价带带全全为为电电子子占占据据，导导带带没没有有电电子子。价价带带和和导导带带之之间间不不允允许许电电子子存存在在，称称禁禁带带。这这时时半半导体是绝缘体。导体是绝缘体。温度升高温度升高时，由于电子的热运动，可以由价带激发到导带时，由于电子的热运动，可以由价带激发到导带中，成为在中，成为在导带底的自由电子导带底的自由电子，同时价带顶少了一个电子就，同时价带顶少了一个电子就产生一个产生一个空穴空穴，相当于一个正电荷。，相当于一个正电荷。电子和空穴在外电场作用下产生运动而导电，称为电子和空穴在外电场作用下产生运动而导电，称为载流子载流子。9.1.2 9.1.2 半导体中载流子的分布与复合发光半导体中载流子的分布与复合发光 1.热平衡状态下半导体中的载流子热平衡状态下半导体中的载流子 热平衡状态：热平衡状态：半导体中具有统一的费米能级，半导体中的自半导体中具有统一的费米能级，半导体中的自由载流子浓度由载流子浓度电子和空穴，保持动态平衡的常数。电子和空穴，保持动态平衡的常数。本征半导体本征半导体 热状态平衡时，电子在能带中能级上的分布服从热状态平衡时，电子在能带中能级上的分布服从费米分布费米分布：费米能级不是真实的能级，是特征参量，由掺杂浓度和费米能级不是真实的能级，是特征参量，由掺杂浓度和温度决定。温度决定。导带能级导带能级被被电子电子占据的几率占据的几率 被被空穴空穴占据的几率占据的几率 价带价带能级能级被被电子电子占据的几率占据的几率 被空穴占据的几率被空穴占据的几率 热平衡下直接带隙半导体的能带结构及电子占据能级的状热平衡下直接带隙半导体的能带结构及电子占据能级的状态：实心圆点表示该能级被电子占据；空心圆点表示没有态：实心圆点表示该能级被电子占据；空心圆点表示没有被被电子占据能级。电子占据能级。在在四四价价半半导导体体中中掺掺入入五五价价元元素素（如如锑锑、砷砷、磷磷），称称N N型型半半导导体体，多多出出来来的的电电子子成成为为自自由由电电子子，在在导导带带下下方方形形成成施施主主能能级级，常常温温下下该该能能级级电电子子容容易易激激发发到到导导带带中中，增增加加导导带带的的电电子子数数；在在四四价价半半导导体体中中掺掺入入三三价价元元素素（如如铝铝、硼硼、镓镓），称称P P型型半半导导体体，在在价价带带上上方方形形成成受受主主能能级级，价价带带中中的的电电子子容容易易被被激发到该能级，增加价带中的空穴数。激发到该能级，增加价带中的空穴数。杂质半导体：杂质半导体：施主能级（施主能级（N型）型）受主能级（受主能级（P型型)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度的关系费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度的关系 P P型型半半导导体体，掺掺杂杂浓浓度度越越高高，费费米米能能级级越越低低；N N型型半半导导体体，掺掺杂杂浓浓度度越越高高，费费米米能能级级越越高高。对对于于重重掺掺杂杂P P型型半半导导体体，费费米米能能级级进进入入价价带带内内，低低于于费费米米能能级级的的能能态态都都被被电电子子占占据据，高高于于费费米米能能级级的的能能态态都都是是空空的的，称称为为P P型型简简并并半半导导体体；对对于于重重掺掺杂杂N N型型半半导导体体，费费米米能能级级进进入入导导带带内内，低低于于费费米米能能级级的的能能态态都都被被电子占据，导带内也有电子，称为电子占据，导带内也有电子，称为N N型简并半导体型简并半导体。2.非热平衡状态下半导体中的载流子与复合发光非热平衡状态下半导体中的载流子与复合发光 电子处于电子处于导带中导带中E能级的几率：能级的几率：电子处于电子处于价带中价带中E能级的几率：能级的几率：若有一频率若有一频率 的光子入射，且其能量满足的光子入射，且其能量满足：导带中的电子便会在光子的作用下，跃迁到价带中空穴占据导带中的电子便会在光子的作用下，跃迁到价带中空穴占据的能级上而发出一个与原入射光子状态相同的受激跃迁光子。的能级上而发出一个与原入射光子状态相同的受激跃迁光子。电子填充空穴的过程称为电子和空穴的电子填充空穴的过程称为电子和空穴的复合复合。各自的费米能级各自的费米能级-准费米能级准费米能级 把把P P型型和和N N型型半半导导体体制制作作在在一一起起，由由于于电电子子和和空空穴穴的的扩扩散散，在在连连接接处处形形成成空空间间电电荷荷层层，建建立立自自建建电电场场，并并引引起起电电子子和和空空穴穴漂漂移移。未未加加电电场场时时，P P区区和和N N区区的的费费米米能能级级必必然然达达到到同同一一水水平平，P P区区的的价价带带顶顶充充满满空空穴穴，N N区区的的导导带带底底充充满满电电子子，P P区区对对N N区区有有一一负负电电位位，在在结结区区造造成成能能级级弯弯曲曲。在在p-np-n结结区区形形成成宽宽度度微微米米量量级级的的强强电电场场空空间间电电荷荷区区，阻阻止止电电子子和和空空穴穴向向结结区区进进一一步步扩扩散散，达达到平衡状态。到平衡状态。9.1.3 PN结结 电电子子能能量量扩散扩散漂移漂移内建场内建场正向电压正向电压V V时形时形成的双简并能成的双简并能带结构带结构 在在P-NP-N结上加结上加正向电压正向电压V V时（时（p p接正，接正，n n接负），外电场部分接负），外电场部分抵消内建场的作用，使抵消内建场的作用，使p-np-n结的势垒下降，结的势垒下降，n n区的费米能级相区的费米能级相对对p p区提高了区提高了eVeV,形成结区的两个费米能级形成结区的两个费米能级 和和 ，称，称为准费米能级。为准费米能级。外加电压破坏了原来的平衡，此时有正向电流流过外加电压破坏了原来的平衡，此时有正向电流流过p-np-n结结（即从（即从n n区向区向p p区注入电子，从区注入电子，从p p区向区向n n区注入空穴，称载流子区注入空穴，称载流子注入）。注入）。注入的载流子一部分聚集在结区注入的载流子一部分聚集在结区，使得结区中有大，使得结区中有大量量导带电子和价带空穴导带电子和价带空穴。u产产生生受受激激辐辐射射的的条条件件：在在结结区区的的导导带带底底部部和和价价带带顶顶部部形形成成粒子数反转分布。粒子数反转分布。在结区导带底和价带顶实现在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件粒子（电子）数反转的条件是是（1 1）N N区区和和P P区区的的准准费费米米能能级级之之差差大大于于禁禁带带宽宽度度，这这只只有有在在重重掺杂下存在双简并能带才有可能；掺杂下存在双简并能带才有可能；（2 2）在）在PNPN结上加上正向偏压结上加上正向偏压u复合发光复合发光：结区的导带电子与价带空穴复合。：结区的导带电子与价带空穴复合。9.1.4 9.1.4 半导体激光器受激发光条件半导体激光器受激发光条件 发光波长：发光波长：9.2 LD工作特性（书中工作特性（书中9.5节）节）9.2.1 9.2.1 阈值特性阈值特性阈值电流是产生受激辐射所需要的最小注入电流。阈值电流是产生受激辐射所需要的最小注入电流。LD的的PI 特性曲线特性曲线 LD的的VI 特性曲线特性曲线 当注入电流小于当注入电流小于阈值电流阈值电流时，输出光功率随电流的增加时，输出光功率随电流的增加变化较小（自发辐射）；当电流超过阈值电流时，激光器输变化较小（自发辐射）；当电流超过阈值电流时，激光器输出的光功率随电流的增加而急剧上升。出的光功率随电流的增加而急剧上升。9.2.2 LD的模式特性的模式特性纵模：纵模：当激光器的注入电流大于阈值后，激光器的输出光谱当激光器的注入电流大于阈值后，激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡。纵模间隔为：呈现出以一个或几个模式振荡。纵模间隔为：LD腔腔长长一一般般小小于于1mm，纵纵模模间间隔隔达达100GHz，波波长长间间隔隔约约1nm，但但增增益益谱谱宽宽约约数数十十nm，所所以以可可能能出出现现多多纵纵模模。即即使使有有些些LD连连续续工工作作时时是是单单纵纵模模，但但在在高高速速调调制制时时，由由于于载载流流子子的的瞬态效应，也会出现多纵模。瞬态效应，也会出现多纵模。纵纵模模数数随随注注入入电电流流而而变变。当当激激光光器器仅仅注注入入直直流流电电流流时时，随随注注入入电电流流的的增增加加纵纵模模数数减减少少；当当用用交交流流调调制制时时，纵纵模模数数随随电电流流增增大而增多。大而增多。峰值波长随温度变化。峰值波长随温度变化。1.纵模与线宽纵模与线宽线宽：单模线宽为线宽：单模线宽为 反射率高，腔长大，线宽小。反射率高，腔长大，线宽小。线宽还和驱动电流有密切关系。当线宽还和驱动电流有密切关系。当驱动电流超过阈值电流驱动电流超过阈值电流以后，光谱宽度迅速变窄以后，光谱宽度迅速变窄，至，至23nm或更小或更小 半导体激光器的线宽与温度有关，温度升高时，线宽会增加。半导体激光器的线宽与温度有关，温度升高时，线宽会增加。随着激光器的老化，其线宽也会变宽。随着激光器的老化，其线宽也会变宽。2.2.横模与光束发散角横模与光束发散角 通常把垂直于有源区方向的横模称为通常把垂直于有源区方向的横模称为垂直横模垂直横模。平行于有。平行于有源区方向的横模称为源区方向的横模称为水平横模水平横模。有有源源层层很很薄薄，垂垂直直横横模模可可保保证证单单横横模模；水水平平方方向向较较宽宽，可可能能出出现现多多横横模模。如如果果在在两两个个方方向向上上都都是是单单横横模模，则则为为理理想想的的TEM00模，发散角最小，亮度最高，能与光纤有效耦合。模，发散角最小，亮度最高，能与光纤有效耦合。发发散散角角：远远场场并并非非严严格格的的高高斯斯分分布布，平平行行和和垂垂直直于于有有源源区区的的两两个方向的发散角不同，光束的远场分布一般呈椭圆状。个方向的发散角不同，光束的远场分布一般呈椭圆状。垂直方向的发散角近似为：垂直方向的发散角近似为：水平方向的发散角近似为：水平方向的发散角近似为：d为有源层厚度。为有源层厚度。为有源层宽度。为有源层宽度。通通常常，垂垂直直方方向向发发散散角角达达 ；水水平平方方向向达达 。采采取取一一定定措措施施，垂垂直直方方向向发发散散角角达达150；水水平平方方向向发发散散角角达达50。为了改善输出方向性，常用尾纤耦合输出；为了改善输出方向性，常用尾纤耦合输出；LD输出光束输出光束的聚焦常采用柱面镜和球面镜构成的透镜组。的聚焦常采用柱面镜和球面镜构成的透镜组。9.2.3 9.2.3 转换效率与输出功率转换效率与输出功率功率效率：功率效率：输出功率输出功率:外微分量子效率外微分量子效率:实际上都采用外微分量子效率来表示某一温度下的器件实际上都采用外微分量子效率来表示某一温度下的器件转换效率，达转换效率，达3050%。阈值电流与温度的依赖关系：阈值电流与温度的依赖关系：Tr为室温；特征温度为室温；特征温度 越高，阈值电流密度越高，阈值电流密度 随温度随温度T的变化越小，激光器也就越稳定。的变化越小，激光器也就越稳定。9.2.4 9.2.4 温度特性温度特性 激激光光器器阈阈值值电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加，输输出出功功率率随随温温度度升升高高而而下下降降。要要维维持持输输出出功功率率，必必须须增增大大电电流流，但但电电流流增增大大，温温度度升升高高，阈阈值值电电流流又又增增大大，造造成成恶恶性性循循环环。所所以以必必须须采采取取温控措施。温控措施。温度对波长也有影响。温度对波长也有影响。9.2.5 9.2.5 动态特性动态特性1.输出功率与调制频率之间的关系输出功率与调制频率之间的关系 fr为为输输出出激激光光的的弛弛豫豫振振荡荡频频率率，分分别别为为阈阈值值电电流流和和偏偏置置电电流流;为为零零增增益益电电流流，对对于于高高掺掺杂杂LD，；为为非非平平衡衡载载流子寿命，流子寿命，为腔内光子寿命。为腔内光子寿命。LD的响应时间为纳秒量级，的响应时间为纳秒量级，幅度调制的幅度调制的 为数为数GHz。2.2.电光延迟时间电光延迟时间 激光输出与注入电脉冲之间存在时间延迟，与自发辐射寿激光输出与注入电脉冲之间存在时间延迟，与自发辐射寿命命 同一数量级，约为纳秒量级，电光延迟时间为：同一数量级，约为纳秒量级，电光延迟时间为：对激光器进行对激光器进行脉冲调制脉冲调制时，减小电光延迟的方法是时，减小电光延迟的方法是加直加直流偏置电流流偏置电流，使脉冲到来之前把有源区的电子密度提高到一，使脉冲到来之前把有源区的电子密度提高到一定程度。这时：定程度。这时：式中，式中，是偏置电流密度；是偏置电流密度；为调制脉冲电流密度。为调制脉冲电流密度。3 3 驰豫振荡驰豫振荡 半导体激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。半导体激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。（a）脉冲电流（）脉冲电流（）（b）光响应）光响应阶跃脉冲调制下的驰豫振荡阶跃脉冲调制下的驰豫振荡 4 4 啁啾限制啁啾限制 啁啁啾啾效效应应:激激光光器器频频率率（波波长长）随随调调制制信信号号大大小小而而改改变变的的现现象象，用用激激光光器器输输出出激激光光的的频频率率与与其其中中心心频频率率之之间间的的偏偏差差来来度度量。量。啁啾是由于在瞬态过程的阻尼驰豫振荡期间，载流子密度啁啾是由于在瞬态过程的阻尼驰豫振荡期间，载流子密度起伏产生折射率调制，它使起伏产生折射率调制，它使光脉冲的前沿和后沿相对于中心光脉冲的前沿和后沿相对于中心波长发生漂移波长发生漂移。波长的改变量为。波长的改变量为:式中，式中，是折射率改变量，是折射率改变量，L L为腔长；为腔长；N N为整数，是在腔内为整数，是在腔内一次往返所需要的波数。一次往返所需要的波数。9.3.1 9.3.1 异质结半导体激光器异质结半导体激光器 异异质质结结LDLD：由由不不同同材材料料的的P P型型半半导导体体和和N N型型半半导导体体构构成成的的PNPN结结。一一般般要要求求材材料料具具有有不不同同的的禁禁带带宽宽度度，它它们们是是决决定定结结区区能能带结构及特性的主要因素。带结构及特性的主要因素。同质结同质结LDLD：在同一种基质的不同区域分别形成在同一种基质的不同区域分别形成P P型区和型区和N N型区。型区。缺点：有源区厚度大，达几微米，缺点：有源区厚度大，达几微米，阈值电流密度很高阈值电流密度很高，达，达 ，容易损伤材料，在，容易损伤材料，在非常低的温度下脉冲非常低的温度下脉冲工作。工作。异异 质质 结结 半半 导导 体体 激激 光光 器器 有有 源源 层层 薄薄、阈阈 值值 电电 流流 密密 度度 低低、达达 ，内部损耗小、电光转换量子效率高，可再室温下连续工作。，内部损耗小、电光转换量子效率高，可再室温下连续工作。可以通过改变混晶比来调节输出激光波长。可以通过改变混晶比来调节输出激光波长。9.3 有源区对载流子和光子的限制有源区对载流子和光子的限制同质结、异质结结构示意图同质结、异质结结构示意图1.1.单异质结单异质结LDLD 有有源源区区偏偏向向P P区区，厚厚度度仍仍然然较较大大，阈阈值值电电流流偏偏大大；折折射射率率台台阶阶一一边边较较小小，有有一一部部分分光光场场溢溢出出到到有有源源区区之之外外。不不易易室室温温连连续续工作。工作。P型型GaAs层层可可发发生生激激发发和和受受激激辐辐射射，厚厚度度零零点点几几微微米米；高高的的势势垒垒阻阻止止电电子子的的运运动动，使使有有源源区区有有更更多多的的电电子子和和空空穴穴；大大的的折折射射率率台台阶阶使使有有源源区区的的光光波导效应增强波导效应增强。（a a）单异质结）单异质结 （b b）同质结）同质结2.双异质结双异质结LD（DHLD）将将低低带带隙隙的的GaAs（带带隙隙能能量量1.4eV）层层夹夹在在二二层层重重掺掺杂杂的的高高带带隙隙的的GaAlAs层层（1.7eV）中中间间，形形成成的的一一个个双双异异质质pin结结构构。低低带带隙隙的的GaAs作作为为激激光光有有源源层层（0.1-0.3um），在在正正向向偏偏置置下下n区区和和p区区的的AlGaAs分分别别向向有有源源区区注注入入电电子子和和空空穴。穴。高高带带隙隙的的P型型层层对对注注入入的的电电子子形形成成势势垒垒，阻阻止止GaAs层层内内的的电电子子向向P型型层层扩扩散散；同同样样注注入入的的空空穴穴也也被被阻阻止止向向N型型层层扩扩散散，使使得得粒粒子子数数反反转转在在很很薄薄的的有有源源层层内内形形成成，只只需需很很小小的的外外加加电电流就可以增大载流子浓度。流就可以增大载流子浓度。同同时时，限限制制层层的的折折射射率率低低于于有有源源层层，类类似似于于波波导导结结构构，产产生的激光被限制在有源层内，溢出损耗低。生的激光被限制在有源层内，溢出损耗低。双异质结双异质结 激光器的典型结构激光器的典型结构 9.3.2 量子阱（量子阱（QW）半导体激光器）半导体激光器u量量子子阱阱半半导导体体激激光光器器：把把双双异异质质结结激激光光器器的的有有源源层层厚厚度度做做成成数数十十纳纳米米以以下下的的结结构构,此此时时它它的的量量子子效效应应变变得得明明显显起起来来，载载流流子子（电电子子和和空空穴穴）被被限限制制在在某某一一区区域域，因因而而称称为为量量子子阱阱结构。结构。除了有源层厚度更薄外，这种激光器在许多方面都与普通除了有源层厚度更薄外，这种激光器在许多方面都与普通双异质结激光器相似。双异质结激光器相似。量子阱结构由一个到几个非常薄的量子阱结构由一个到几个非常薄的窄带隙半导体层和宽带窄带隙半导体层和宽带隙半导体层交替组成。隙半导体层交替组成。优优点点：阈阈值值电电流流小小，功功耗耗更更低低，输输出出功功率率更更高高，发发射射光光谱谱更更纯纯，温温度度特特性性更更好好，噪噪音音更更低低，响响应应速速度度更更快快，波波长长覆覆盖盖范范围更宽，更容易阵列化。围更宽，更容易阵列化。量子阱中导带和价带的能量关系量子阱中导带和价带的能量关系 多量子阱激光器的能带图多量子阱激光器的能带图（a）单量子阱）单量子阱（b）变形单量子阱）变形单量子阱（c）分布折射率分别）分布折射率分别限制单量子阱限制单量子阱（d）多量子阱）多量子阱 （e）变形多量子阱）变形多量子阱各种量子阱结构各种量子阱结构 量子阱（量子阱（QW）LD、量子线（、量子线（QWR）LD和量子盒（和量子盒（QB）LD的结构示意图的结构示意图 在在半半导导体体激激光光器器内内部部，为为避避免免热热损损伤伤和和光光能能损损耗耗，应应尽尽量量限制电子空穴复合区，并将电流及光束约束在有源区内。限制电子空穴复合区，并将电流及光束约束在有源区内。针对有源区的载流子和光子在针对有源区的载流子和光子在结平面方向（结平面方向（y向）向）的限的限制问题，通常用两种方法：制问题，通常用两种方法：增益波导约束增益波导约束折射率波导约束折射率波导约束 条形结构条形结构 只只有有p-n结结中中部部与与解解理理面面垂垂直直的的条条形形面面积积上上有有电电流流通通过过，称称为为条条形形结结构构。条条形形结结构构提提供供了了平平行行于于PN结结方方向向的的电电流流限限制，从而大大降低了激光器的阈值电流，改善了散热特性。制，从而大大降低了激光器的阈值电流，改善了散热特性。9.3.4 波导型波导型LD1.1.增益波导结构增益波导结构 增益波导激光器结构增益波导激光器结构 侧面方向侧面方向（y向）有一对窄金属向）有一对窄金属电极，决定了有源区的长度；电极，决定了有源区的长度；纵向方向纵向方向，有源区由一对平行的，有源区由一对平行的部分反射镜面限制，并形成了激部分反射镜面限制，并形成了激光器的谐振腔光器的谐振腔 的的上上方方，只只有有中中间间一一窄窄条条与与金金属属电电极极接接触触，其其他他区区域域则则被被氧氧化化物物绝绝缘缘层层与与电电极极分分开开。因因此此，电电流流被被限限制制在在这这一一窄条中，光束也相应被约束。窄条中，光束也相应被约束。（2 2）折射率波导结构）折射率波导结构 有源层：有源层：在中央区域形成隆起。在中央区域形成隆起。氧氧化化层层相相对对于于P型型材材料料具具有有较较低低折折射射率率，二二者者界界面面处处形形成成折折射射率率垒垒，即即由由较较高高折折射射率率的的有有源源区区和和环环绕绕有有源源区区周周围围的的折折射率构成，从而对激光横向有源层上方的扩展起到约束作用。射率构成，从而对激光横向有源层上方的扩展起到约束作用。这这种种激激光光器器对对光光的的限限制制更更强强，使使光光的的方方向向性性更更好好，具具有有低低阈阈值值电电流流、高高输输出出光光功功率率、高高可可靠靠性性等等优优点点，且且能能得得到到稳稳定定的的基基横横模模特特性性，从从而而受到广泛重视。受到广泛重视。半导体激光器对有源区载流子和光子进行限制的不同结构半导体激光器对有源区载流子和光子进行限制的不同结构 9.4.1 FP腔半导体激光器腔半导体激光器 FP腔双异质结激光器结构简图腔双异质结激光器结构简图 在在轴轴向向（z z向向）的的解解理理面面形形 成成 反反 射射 率率 约约 为为 0.30.30.320.32的的谐谐振振腔腔端端面面反反射射镜镜，从从而而构构成成FPFP型型谐谐振振腔腔，并并在在腔腔面面上上蒸蒸镀镀抗抗反反射射或或增增透透膜膜以以改改善善腔腔面面的的光光学学性性能。能。FP-LD的的结结构构和和制制作作工工艺艺最最简简单单，成成本本最最低低，适适用用于于调调制速度小于制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。的光纤通信系统。高速调制时，原有的激光模式会发生变化，出现多模工作，高速调制时，原有的激光模式会发生变化，出现多模工作，这就决定了这就决定了FPLD不能应用于高速光纤通信系统。不能应用于高速光纤通信系统。9.4 半导体激光器的谐振腔结构半导体激光器的谐振腔结构9.4.2 9.4.2 分布反馈式与布喇格反射式半导体激光器分布反馈式与布喇格反射式半导体激光器 DFBDFBLD LD（Distributed Distributed Feedback Feedback Bragg，DFBDFB）与与DBRDBRLD LD（Distributed Distributed Bragg Bragg ReflectorReflector，DBRDBR）是是由由内内含含布布喇格光栅来实现光的反馈。喇格光栅来实现光的反馈。DFB激光器激光器 DBR激光器激光器 实实现现动动态态单单纵纵模模工工作作的的最最有有效效的的方方法法之之一一就就是是在在半半导导体体内内部部建建立立一一个个布布拉拉格格光光栅栅，依依靠靠光光栅栅的的选选频频原原理理来来实实现现纵纵模模选择。选择。1.1.分布反馈半导体激光器分布反馈半导体激光器 分布反馈原理示意图分布反馈原理示意图 基于布喇格衍射原理，在一半导体晶体的表面上，做基于布喇格衍射原理，在一半导体晶体的表面上，做成周期性的波纹形状。成周期性的波纹形状。光程差：光程差：反射波加强：反射波加强：介质内前向、后向传播的光波传播的光波，介质内前向、后向传播的光波传播的光波，分布反馈式激光器的基本结构分布反馈式激光器的基本结构 多频道多频道GaAs/AlGaAsGaAs/AlGaAs DFB DFBLDLD 制作不同光栅周期的制作不同光栅周期的DFBLD并通过一个光波导耦合便并通过一个光波导耦合便可输出多种不同波长的光。可输出多种不同波长的光。目前目前DFBLD已成为中距离光纤通信应用的主要激光器已成为中距离光纤通信应用的主要激光器 DFBLD的特点是，光栅分布在整个谐振腔中，光波在的特点是，光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的FPLD。直接调制直接调制DFBLD的最大优点是在高速调制的情况下仍的最大优点是在高速调制的情况下仍能保持动态单模，非常适合能保持动态单模，非常适合高速短距离高速短距离的光纤通信系统。的光纤通信系统。DFBLD的的单单频频特特性性虽虽然然很很好好，但但波波长长的的准准确确控控制制却却比比较较困困难难，而而且且在在高高速速调调制制下下的的线线宽宽展展宽宽比比较较严严重重，因因此此在在超高速、超长距离超高速、超长距离通信系统中，需要使用外调制激光器。通信系统中，需要使用外调制激光器。由由于于波波纹纹光光栅栅提提供供反反馈馈的的结结果果，使使前前向向和和后后向向两两种种光光波波得得到到了了相相互互耦耦合合，由由于于晶晶体体表表面面波波纹纹结结构构的的作作用用，使使光光波波在在介介质质中中能能自自左左向向右右或或自自右右向向左左来来回回反反射射，即即实实现现了了腔腔内内的的光光反馈，起到了没有两端腔反射镜的谐振腔作用。反馈，起到了没有两端腔反射镜的谐振腔作用。可以通过改变光栅的周期来调整发射波长可以通过改变光栅的周期来调整发射波长 2.2.分布布喇格反射半导体激光器分布布喇格反射半导体激光器 与与DFBLD的的差差别别在在于于它它的的周周期期性性沟沟槽槽不不在在有有源源区区波波导导层层表表面面上上，而而是是在在有有源源波波导导层层两两外外侧侧的的无无源源波波导导上上，将将有有源源区区与与波波纹纹光光栅栅分分开开，这这两两个个无无源源的的周周期期波波纹纹波波导导充充当当Bragg反反射射镜镜作作用用，在在自自发发辐辐射射光光谱谱中中，只只有有在在Bragg频频率率附附近近的的光波才能提供有效地反馈。光波才能提供有效地反馈。GaAs/AlGaAs DBRLD结构示意图结构示意图 在在DFB-LDDFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会刻蚀光栅会引入污染和损伤引入污染和损伤，于是又提出了，于是又提出了DBR-LDDBR-LD结构结构。可调谐单频三段式可调谐单频三段式DBR激光激光器的示意图器的示意图 波长可调谐波长可调谐DBR激光器激光器 连续调谐范围连续调谐范围:由于由于DBR-LD是通过改变光栅区的注入电流实现调谐的，是通过改变光栅区的注入电流实现调谐的，这导致了较大的谱线展宽。这导致了较大的谱线展宽。3.3.单频激光器单频激光器 在在DFB和和DBR激光器中，光栅间隔是均匀的，因此它们仅将激光器中，光栅间隔是均匀的，因此它们仅将一窄波长范围的光反射回激光器的有源层，激光器的有源层一窄波长范围的光反射回激光器的有源层，激光器的有源层只放大这一被选中的波长范围，产生非常窄的谱宽，即所谓只放大这一被选中的波长范围，产生非常窄的谱宽，即所谓“单频单频”，其波长取决于光栅的条纹间隔和半导体的折射率。，其波长取决于光栅的条纹间隔和半导体的折射率。分布反馈激光器分布反馈激光器 分布布喇格反射激光器分布布喇格反射激光器 外腔可调谐激光器外腔可调谐激光器 9.4.3 9.4.3 垂直腔表面发射半导体激光器（垂直腔表面发射半导体激光器（VCSELVCSEL）激激光光腔腔的的方方向向（光光振振荡荡方方向向）垂垂直直于于半半导导体体芯芯片片的的衬衬底底，有源层的厚度即为谐振腔长度。有源层的厚度即为谐振腔长度。VCSEL结构原理图结构原理图 可调谐可调谐VCSEL 光放大器光放大器光放大器的三种典型应用光放大器的三种典型应用 掺杂光纤放大器：掺杂光纤放大器：利用光纤中掺杂稀土物质引起的增益机制实现光放大，放大利用光纤中掺杂稀土物质引起的增益机制实现光放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。器的特性主要由掺杂元素决定。铒铒（Er）、钬钬（Ho）、钕钕（Nd）、钐钐（Sm）、铥铥（Tm）、镨镨（Pr）和和 镱镱（Yb）等等稀稀土土元元素素可可用用于于实实现现不不同同波波长长的的放放大大，波波长长覆覆盖从可见光到红外的范围。盖从可见光到红外的范围。EDFA：1550nm PDFA：1300nm石英光纤中石英光纤中 的相关能级的相关能级 EDFA的结构示意图的结构示意图 (1)EDFA的结构与工作原理的结构与工作原理 EDFA的三种泵浦方式的三种泵浦方式(2)EDFA的泵浦方式的泵浦方式(3)EDFA的特点的特点 EDFA的工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长的工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长1330nm1600nm。EDFA的的增增益益高高，在在较较宽宽的的波波段段内内提提供供平平坦坦的的增增益益，因因此此能能放放大大多多个个光光信信道道中中的的信信号号，尤尤其其适适合合于于密密集集波波分分复复用用（DWDM）系统。）系统。噪声低，接近量子极限。噪声低，接近量子极限。增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。与传输光纤易耦合，与光纤的耦合损耗小。与传输光纤易耦合，与光纤的耦合损耗小。放大特性与系统比特率和数据格式无关，因而对数字和放大特性与系统比特率和数据格式无关，因而对数字和模拟信息都可以放大传输。模拟信息都可以放大传输。