第三章-半导体激光二极管和激光器组件(2)

第三章半导体激光二极管的应用和分类3.1半导体激光二极管的应用1激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光二极管（LD）倍受重视，最具实用价值的半导体LD是PN结电流注入的LD。在经历了降低阈值电流、横模控制、纵模控制和波长控制阶段之后，现在正向高速化、大功率化、二维和三维集成化方向以及超长波长和可见光两个波段延伸。2和其他激光器相比，半导体LD因具有体积小、重量轻、低功率（低电压、小电流）驱动、高效率输出、调制方便（可直接调制）、寿命长和易于集成等一系列优点而得广泛应用，表3－1列出半导体LD的部分应用，光纤通信是这些应用中最重要的部分。3半导体LD在光纤通信中的应用主要包括：1.各种数据、图像等传输系统的发射光源；2.光纤CATV系统的光源；3.掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RFA）的泵浦源；4.未来全光通信网络诸如全光波长转换器、光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。4半导体激光二极管的分类：半导体的分类方法很多，有按结构分类，也有按波导机制分类，还有按（LD）的性能参数分类和按波长分类。在按结构分类中，可将LD分为法布里－珀罗（F－P）型、分布反馈（DFB）和分布反射器（DBR）LD、量子阱（QW）LD和垂直腔面发射激光器（VCSEL）；在按波导机制分类中，可分为增益导引和折射率导引LD；5在按LD性能参数分类中，可分为低阈值LD、高特征温度（T0）LD、超高速LD、大功率LD、动态单模LD等；在按波长分类中，可分为可见光、短波长LD、长波长LD和超长波长LD（包括中、远红外波段）。在诸多分类法中，最基本的是结构分类。63．2法布里－珀罗型激光二极管3．2．1组成法布里珀罗（F－P）型激光二极管（LD）是最常见和最普通的LD，这种由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。光纤通信用的F－P型LD通常为双异质结（DH）LD，有源层可以是N型，也可以是P型。7当DH结构LD施加正向偏置时，则电子从N型限制层，空穴从P型限制层注入到有源层。由于带隙差产生的异质结势垒的存在，注入到有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，因此容易实现粒子数反转，即使只有很小电流流过，薄有源层中的电子和空穴浓度也会很高。而且激光振荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度，所以有源层愈薄时，用很小的电流就可获得很大的增益。8另一方面，窄带隙有源层的折射率比限制层的折射率大，光向折射率大的区域集中，所以光也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导带跃迁到价带（或杂质能级），与空穴复合释放出光子，这些光子在由两个解理面形成的谐振腔中往复反射传播不断加强而获得光增益，当光增益大于谐振腔的损耗时，便有激光向外射出，如图3－1所示。9103．2．2基本工作原理要实现半导体F－P型LD激射工作，必须满足四个基本条件：要有能实现电子和光场相互作用的工作物质；要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）；要有一个F－P谐振腔；要满足振荡条件。111．光的自发发射、受激吸收和受激发射12振荡条件:当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗时，经过谐振腔的选频作用。特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，射出的光便是激光（相干光）133.2.3LD的模式及模式控制LD的模式是指能够在激光谐振腔内存在的稳定的光波的基本形式。在激光振荡时，光波在谐振腔内形成三种类型的驻波，即在两个异质结间形成的驻波、平行于有源层方向上形成的驻波和两个反射面间形成的驻波，如图3-4所示。1415两个反射面间形成的驻波称为纵模，其他两个驻波称为横模，垂直于有源层方向的横模称为垂直横模，平行于有源层方向的横模称为水平横模（侧向模式）。一般应用都要求LD在基横模单纵模下工作，所以必须进行模式控制。161.垂直横模的控制对于对称的三层平面波导的LD，有源层的折射率为，两个限制层的折射率分别为和，且两个限制层的带隙分别为和，由于是对称的结构，故，。垂直横模的有源层厚度（）的截止条件为：2n1n3n1gE3gE132nnn13ggEE22212dnn1Md3317式中是峰值波长，对于来说，有源层折射率，限制层折射率，若取波长，则产生基横模的有源层厚度的条件是0.70.3/DHLDGaAlAsGaAs23.56n133.40nn0.9m1M0.45dm182.水平横模的控制水平横模（S）的数目取决于LD的条宽（W），以增益波导LD为例，水平横模S可表示为：式中，为有源区因增益波导而产生的有效折射率。当时，可以算出4n1S10Wm22422ln1WSnn(34)19由此可见，实现基横模工作的半导体激光器的关键是控制有源层厚度和激光器的条宽。最常用的基横模工作的半导体激光器结构有隐埋异质结(BH)、平面隐埋异质结（PBH）、双沟平面隐埋异质结（DC-PBH）和脊形波导（RW）等结构，图3-5分别示出各种激光二极管的结构图。以这些结构为基础，将有源层改为量子阱结构或者在有源层刻制Bragg光栅，便成为一系列新型激光二极管，可以极大改善激光二极管的性能。203.纵模控制在基横模条件下，纵向模式决定了光谱分布：式中，是LD的腔长，由（3-5）式可知，LD的辐射谱是一个多线状的光谱，其模间的波长差为：qL21121,2,3qnLqq222nL（3-6）21在阈值电流附近可看到很多纵模。但如果输出功率较大时，则几乎只存在单纵模，这说明纵模受到横模的强烈影响。这种LD在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用十分不利。为了维持单模，减小光谱展宽，必须研究动态单模激光器。22目前有可能实现动态单模的有短腔激光器、耦合腔激光器、外腔激光器、长腔激光器、注入锁定激光器和分布反馈激光器反射器激光器，其中分布反馈激光器及分布Bragg反射器激光器是光纤通信最有前途的实用化器件。233．3分布反馈激光二极管和分布Bragg反射器激光二极管3．3．1分布反馈激光二极管分布反馈激光二极管型（DFBLD）和F-P型激光二极管的主要区别在于它没有集总反射的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的，这种反射机构是一种分布式的反馈机构，因而得名分布反馈激光二极管。24正因为这一非集总式的反馈机构，使得它的性能远远超过普通F-PLD，特别是Bragg光栅的选频功能使得它具有非常好的单色性和方向性。此外，正因为它没有使用晶体解理面作为反射镜，使得它更容易集成化，在光电子集成电路(OEIC)中有着十分诱人的优点。25DFBLD的结构和基本工作原理。图3-6是DFB-LD的示意结构，在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状，波纹的周期为Λ，只要用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转。则介质就具备增益条件。如果波纹的深度满足一定要求，则在两端就可得到激光输出。2627所发射的激光波长满足：20,1,2effnmm（3-7）28这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振腔的作用，它所发射的激光的波长，完全由光栅的周期来决定。所以，有可能通过改变光栅的周期来调整发射波长，甚至可以使在自发发射的长波边或短波边附近激射。这一点F-P型LD是不可能做到的，F-P型LD的发射波长只能位于自发发射的中心频率附近。由此可见相比，DFBLD和F-P型LD相比，其发射频率的选择范围很宽，可以在自发发射频率范围内自由地选择发射波长。29对DFBLD来说，只有一个横模所对应的Bragg波长才能落入自发发射光谱内。因此，DFBLD具有很好的横模选择性能，容易实现单横模工作。除此之外，DFBLD的输出是完全偏振的TE波，而F-P型LD却输出不完全偏振的TE波，因此，DFB-LD具有比F-P型LD更好的偏振特性，故它的谱线宽度非常的窄。目前DFBLD已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器，特别是在1.3微米和1.55微米光纤通信系统中。在光纤有线电视（CATV）传输系统中，DFBLD已成为不可替代的光源。3031通过制作不同光栅周期的DFBLD并通过一个光波导耦合便可输出多具不同波长的光（如图3-7所示），这样的多频道集成化的激光器在多频道高速数据传输中特别有用。此外，还可利用这种激光器来实现混频。323334分布Bragg反射器（DBR）激光二极管尽管DFBLD有很多优点，但并非尽善尽美，例如，为了制作光栅，DFBLD需要复杂的二次外延生长工艺，在制作出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使LD的内量子效率降低。35图3-8示出DBRLD的示意结构，它和DFBLD的差别在于它的周期性沟槽不在有源波导层表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导上，这两个无源的周期波纹波导充当Bragg反射镜作用，在自发发射光谱中，只有在Bragg频率附近的光波才能提供有效的反馈。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的反射，使只有在Bragg频率附近的光波能满足振荡条件，从而发射出激光。3637在未来的通信和CATV共纤传输的波分复用（WDM）系统中，DBRLD倍受青睐，因为具有DBRLD出色的宽带波长可调特性。383．3．3光纤通信系统对DFBLD和DBRLD的要求随着大容量长距传输的DWDM系统或城域网接入网的大量采用，对DFBLD和DBRLD提出更高要求，这些要求是窄线宽、低啁啾、可调谐、波长可选择和集成光源。尽管商用DFB或DBRLD的谱线宽度已达到50MHz以下，但在高速直接调制时，器件仍存在内在的频率啁啾，使激光谱线展宽。39通过器件设计、材料生长、制备工艺等措施来实现具有低啁啾的DFB或DBRLD。为了克服DFB或DBRLD直接调制时存在的弱点，也可采用外调制技术，最适合于DFB或DBRLD的外调制器是电吸收半导体调制器（EAM）。由于LD和电吸收调制器同属一种InP材料，能够用光子集成技术，把DFB或DBR和电吸收调制器单片地集成在一起，称之为电吸收调制激光器。40单片集成光源是包括DFB和DBR激光二极管在内的所有半导体激光光源的发展方向，它不仅保留DFB或DBR激光器工作稳定的优点，而且避免与其他器件如光波分复用器、EA调制器、光放大器等单元的输出/输入光纤的损耗，同时还减少各种单元器件的封装环节，降低器件的价格。目前，不仅可实现数十个单元DFB激光器的单片集成，而且还可实现多个信道DFB激光器和EA调制器和/或放大器等单元器件的单片集成。41因半导体材料固有特性受环境温度的变化或者器件自身的老化等因素，都会使DFB或DBR激光器及其集成光源的激光工作频率（或工作波长）随之漂移，由此引发出WDM应用中光源频率（或波长）的长期稳定性问题。42为解决光源频率（或波长）的稳定问题，可以两个方面入手：一是优化器件设计、改进制备工艺，提高器件的可靠性；二是通过封装技术来确保光源工作频率的稳定性，常用的办法是采用帕尔帖制冷器来自动控制稳定光源热沉的温度或者采用混合集成频率稳定元件和反馈控制回路。把上述的温控回路、频率稳定控制电路、光源驱动回路集成封装在一起成为可供实用的组件。433．4量子阱激光器3．4．1超晶格和量子阱的概念自从江崎提出超晶格材料的新功能特性之后，人们利用分子束外延MBE技术使半导体超晶格和量子阱材料的研究获得重大突破，而且在材料应用方面达到更新整个一代微波和光电子器件的水平。利用MBE技术人工制造半导体超晶格材料，这种新材料的周期结构是可以按人们的要求任意改变的，对其中运动的电子和空穴附加了人为的新周期势，也就是说，电子的波函数本身可被人们所控制。44从这个意义来说，超晶格材料是新的人工物质。利用这种新材料制作的异质结结构，不仅具有非常好的界面质量，而且它的势垒轮廓和杂质分布还可按设计者的意愿和需要来生长，其薄膜层的尺寸（厚度）可以控制到原子间距离的精度，在这种尺寸范围的材