分布反饋量子阱和垂直腔面發(fā)射激光器

1、第八章 分布反應(yīng)、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、超晶格：兩種半導(dǎo)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。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)如下列圖1 ,滿足：A5 ?】Ec rEv , ec二Ezc-Eg, aEvaEw-Ezv O U型超晶格結(jié)構(gòu)如下列圖 2 ,滿足: Eg =也 Ec AEv, Ec =E2CEq A Eg2，也 EV =Ea/Eg!。圖1.1 I型超晶格示意圖圖1.2 II型

2、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 。晶格摻雜超晶格：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?態(tài)，這種結(jié)構(gòu)稱為量子阱。量子線：其讓導(dǎo)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、結(jié)構(gòu)和性能上有何差異？結(jié)

3、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(jìn)而用以光反應(yīng)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(dǎo)層上的周期光柵。原理和性能：F-P 腔激光器的光反應(yīng)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 激光器的光反應(yīng)是通過有源層或其相鄰波導(dǎo)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應(yīng)的， 這種反應(yīng)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。 這種工作機(jī)制易出現(xiàn)單縱模， 但可能出現(xiàn)的單縱模

4、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)生跳模和不穩(wěn)定的兩模振蕩。通過在均勻波紋光柵的DFB區(qū)中形成相移區(qū)，來4，實現(xiàn)以最強(qiáng)的反應(yīng)、最低的閾值增益在布拉格波長下實 入b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(qiáng)的反應(yīng)、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：將DFB區(qū)分為左和右兩段，在不參加相移區(qū)時，左右兩段內(nèi)的

5、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。由下列圖可見，圖 3. 左圖一般正弦光柵、等效折射率分布及光強(qiáng)分布，右圖為參加一位移光柵、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上發(fā)生諧振，b =2A , n為等效折射率，A為正弦光柵周期。但假設(shè)在分界處引入-相移區(qū)，行波經(jīng)過往返會產(chǎn)生 二門的相移，從而使兩段的4駐波平滑相接，一些研究說明， -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(fù)性好，但相應(yīng)振蕩波長也會稍有偏離入 bo4. 半導(dǎo)體閾值電流十分依賴工作溫度。 有一個激光器的實驗數(shù)

6、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)為根底，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，為便于測量，一般用近似式：I thfT )=I th(Tr expT -T 1L來表示溫度對1 th的影響，其中Tr為室溫，To為特征

7、I T0丿溫度，Ith Tr為室溫下的閾值電流密度。取25C為室溫，那么由題意可知：I thTr =76mA將其他數(shù)據(jù)代入57.8 =76 exp100 =76 expTo50-2591.3+91.1To91.22可得I th同T的關(guān)系表達(dá)式：I也T = 76 exp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。：，那么半導(dǎo)體激光 器的Ith不隨溫度變 化。1 24Eg圖 4b.T=0K 時，lth=2.88mA T=300K 時，I th=77.6mA5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

8、長小于土工作原理：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(yīng)，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(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，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，電子與空穴復(fù)合時，首先是Eg與Ev之間的發(fā)生，產(chǎn)生光子能量 2二巳c -E!V? Eg，即光子能量大于材料禁帶寬度，1 24相應(yīng)地，其發(fā)射波長小于禁帶寬度所對應(yīng)的波長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20

9、0卩m, VCSE嗷光器的有源區(qū)厚度2卩m,如果有源區(qū)為GaAs(2) Alo.i5Gab.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。對于相鄰兩模式,取:-252nLn d/即：2nL = m o兩邊取微分：2dn L = md oodm其中分母方括號代表的是增益介質(zhì)材料的色散，假設(shè)不考慮色散的影響，那么2nLGaAs的折射率 m =3.59 ,禁帶寬度 曰=1.424eV ,可知波長(1124_ 0&11.424220.8710.5271 nm2nL12 3.59 200對于尸

10、-片腔激光器，腔長L2二200m那么縱模間隔為12nL；2 3.59 2 52.7 nm1.24Eg2 1.6111 24=0.77Am 。2Al 0.15Ga0.85As 的折射率 n2 =3.59-0.710x 0.091x= 3.506，禁帶寬可知波長度Eg2 =1.424 1.247 0.15 =1.611eV2nL22 3.506 20020.4228nm0.77對于VCSEI激光器，光子振蕩有源區(qū) L2二2F，那么縱模間隔為:2(0.77=42.28nm2nL22 3.506 2對于F-P腔激光器，腔長Li =200m ,那么縱模間隔為：對于VCSEL激光器，光子振蕩有源區(qū) Li

11、=25,那么縱模間隔為物理意義:(1) VCSEL激光器有源區(qū)中光子增益光程L要遠(yuǎn)小于F-P腔激光器的光反應(yīng)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(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:激光器內(nèi)注入的電子-空穴對在復(fù)合發(fā) 出的光(1)半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率的定義為:子數(shù)的效率。公式可表示為：單位時間內(nèi)發(fā)出的

12、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 hI ePo EgI e eFQEgI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) 外微分量子效率的定義為：工作電流大于I th之后的功率同電流的線性關(guān)系公式可表示為：。dP亦二甩電.乞1 ?些(I I th ye I I th 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、亠r 士一 激光器所輻射的光功率P0公式可表示為：2p激光器所消耗的電功率IV? l2rs，Eg旦 e eVIV Ej假設(shè) rs ： 0，貝y 12rs : 08 ,試對 H

13、J SH- DH LOC SCH GAIN-SCH-SQV MQW激光器的演 變進(jìn)程進(jìn)行 物理解釋。半導(dǎo)體激光器的根本結(jié)構(gòu)由三局部組成，即：高效率產(chǎn)生受激發(fā)射的工作物質(zhì)(有源介質(zhì)或增益介質(zhì))；提供光學(xué)反應(yīng)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(jìn)行優(yōu)化，可解釋從同質(zhì)結(jié)到多量子阱激光器MQ幽 開展：(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)散長度和n區(qū)的空穴擴(kuò)散長度所對應(yīng) 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(kuò)散長度決定，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)散長度較長， 室溫下5m，且在一個電子擴(kuò)散長度范圍內(nèi)受激光

14、子無限制地向結(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。圖8J同質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)裏折射率分布.光強(qiáng)分布樂息圖S.H.單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 有源層p- GaAs被夾在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(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。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(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-G

15、aAIAs)L， Ap-GaAsn-GaAlAs p-GaAs P-GaAlAsn-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DH雙異質(zhì)結(jié)激光器 有源區(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(dǎo)限制。特點：能高效率地向p區(qū)注入載流子1有源區(qū)兩邊的異質(zhì)結(jié)分別對注入該區(qū)的非I八I平衡少子和該區(qū)多子進(jìn)行限制；對受激產(chǎn)生的光子進(jìn)行了光學(xué)限制，光限制因子】A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(qiáng)。缺點在于發(fā)光 區(qū)太小，不能提高功率。N-GaAIAs

16、p-GaAsn-GaAsn-GaAIAs p-GaAs P-GaAIAsP-GaAIAs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(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：提高了激光器輸出功率，解決了單模運(yùn)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(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別離限制異質(zhì)結(jié)激光器有源區(qū)的兩邊各增加一層波導(dǎo)。特點：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，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)，到達(dá)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別離限制激光器折射