半导体激光器的设计和工艺[1]

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1、1半导体激光器的设计和工艺半导体激光器的设计和工艺黄永箴黄永箴 中国科学院半导体所，光电子研发中心中国科学院半导体所，光电子研发中心 集成光电子国家重点实验室集成光电子国家重点实验室2一一. 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 1.半导体双异质结构半导体双异质结构 2.Fabry-Perot谐振腔谐振腔(纵模纵模) 3. 侧模控制侧模控制(基侧模基侧模) 4.横模控制横模控制 5. 动态单模半导体激光器动态单模半导体激光器 6. 波长可调谐半导体激光器波长可调谐半导体激光器 7.长波长长波长VCSEL的进展的进展 8.微腔激光器和光子晶体微腔激光器和光子晶体 9.半导体激光器材料的选

2、择半导体激光器材料的选择3二二.半导体光波导半导体光波导 1. 平板波导的模式，平板波导的模式，TE和和TM模模 2. 光限制因子和模式增益光限制因子和模式增益 3. 一维多层波导结构一维多层波导结构(VCSEL)光场分布光场分布 4. 半导体激光器镜面反射系数半导体激光器镜面反射系数 5. DFB激光器的藕合模理论激光器的藕合模理论 6. DFB半导体激光器的一维模拟半导体激光器的一维模拟 7. 等效折射率近似等效折射率近似 8. 数值模拟数值模拟4三三.半导体中的光跃迁和增益半导体中的光跃迁和增益 1. 费米分布函数及跃迁速率费米分布函数及跃迁速率 2. 电子波函数及跃迁矩阵元电子波函数及

3、跃迁矩阵元 3.简约态密度及增益谱简约态密度及增益谱 4.模式的自发辐射速率模式的自发辐射速率 5.应变量子阱的能带和增益谱数值结果应变量子阱的能带和增益谱数值结果 6.能带，跃迁矩阵元和增益谱数值结果能带，跃迁矩阵元和增益谱数值结果 7.增益谱峰值的近似表达式增益谱峰值的近似表达式5四四. 速率方程和动态效应速率方程和动态效应 1单模速率方程及基本物理量单模速率方程及基本物理量 2稳态输出稳态输出 3. 共振频率和共振频率和3dB带宽带宽 4. 载流子输运效应对带宽影响载流子输运效应对带宽影响 5. 开启延迟时间开启延迟时间 6. 线宽增宽因子和动态频率啁啾线宽增宽因子和动态频率啁啾 7.

4、自发辐射引起的噪声自发辐射引起的噪声 8. 相对强度噪声相对强度噪声 9. 模式线宽模式线宽 10. 多模速率方程多模速率方程6五五.半导体激光器的基本工艺和特性半导体激光器的基本工艺和特性1.半导体激光器的工艺过程半导体激光器的工艺过程 2.激光器微分特性激光器微分特性3.激光器寿命激光器寿命4.激光器阈值电流的温度特性激光器阈值电流的温度特性7一一. 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 1.半导体双异质结构半导体双异质结构双异质结构实现：双异质结构实现：1. 载流子的超级注入载流子的超级注入2. 光场限制光场限制3. 载流子限制载流子限制(a) 单面注入和超级注入单面注入和超级注

5、入(b)电场下电子的漂移电场下电子的漂移(c) 电子和光限制电子和光限制(d)隧穿隧穿8第一个室第一个室温连续的电注入双异质结构半导体激光器温连续的电注入双异质结构半导体激光器(1970 年年)以及半导体激光器阈值电流密度随时间的变化以及半导体激光器阈值电流密度随时间的变化1970年第一支年第一支RT-CW GaAs/AlGaAsDH LD:Z. Alferov, IEEE J.STQE, vol. 6, p.832(2000)(第一支RT-CW 1.5m GaInAsP/InP LD, JJAP, vol.18, p.2333,1979)92.Fabry-Perot谐振腔谐振腔(纵模纵模)r

6、1r2exp(i2 l+gl) r1r2r2exp(i l+gl/2)exp(i l+gl/2)r1r2exp(i2 l+gl)=1l阈值条件阈值条件: r1r2exp(gl)=1谐振条件谐振条件: 2 l=2m (m纵模数纵模数, =2 n/ )纵模间隔纵模间隔 = 2/(2ngl) 群折射率群折射率 ng=n- dn/d一般比折射率一般比折射率 n大大2030%在在GaAs和和InGaAsP 双异质结边发射激光器中双异质结边发射激光器中ng=44.5103. 侧模控制侧模控制(基侧模基侧模)质子轰击区质子轰击区电极氧化物电极氧化物P-限制层有源层限制层有源层N-限制层限制层(a)(b)非自

7、建的增益波导，即光波导是由注入载流子形成的增益空间分布 构成的非自建的增益波导，即光波导是由注入载流子形成的增益空间分布 构成的：(a)氧化物只在电极处限制电流注入；氧化物只在电极处限制电流注入； (b)质子轰击在半导体 中形成电流注入通道。质子轰击在半导体 中形成电流注入通道。11电隔离的氧化 物或有机物电隔离的氧化 物或有机物P外延层外延层N外延层外延层P外延层外延层(c)(d)Si-扩散扩散半绝缘层半绝缘层(e)(f)有源区有源区自建的折射率波导，光波导由横向折射率空间分布所构成自建的折射率波导，光波导由横向折射率空间分布所构成：（：（c）脊形 波导提供电流和弱的光波导限制，（）脊形 波

8、导提供电流和弱的光波导限制，（d)腐蚀台形的二次外延掩埋异质 结构提供电流，载流子和光波导限制；腐蚀台形的二次外延掩埋异质 结构提供电流，载流子和光波导限制；(e) 杂质扩散或空位引起限制层 和有源层间原子互扩散形成掩埋异质结构提供载流子和光波导限制和 横向开启电压变化；杂质扩散或空位引起限制层 和有源层间原子互扩散形成掩埋异质结构提供载流子和光波导限制和 横向开启电压变化；(f) 在图形衬底上生长形成窄条有源区在图形衬底上生长形成窄条有源区124.横模控制横模控制对边发射激光器横模是生长方向的模式分布，各层厚度可以由材 料生长所控制，很容易实现基横模工作。在这一维度上的控制主 要是对边发射激

9、光器横模是生长方向的模式分布，各层厚度可以由材 料生长所控制，很容易实现基横模工作。在这一维度上的控制主 要是载流子和光场限制载流子和光场限制，以及得到，以及得到小的远场发散角小的远场发散角以利光纤耦合。 大的光场限制（降低阈值）和小的远场发散角必须折衷选择。以利光纤耦合。 大的光场限制（降低阈值）和小的远场发散角必须折衷选择。NiPIEcEvEgn光场 分布光场 分布EcEvEcEv双异质结双异质结(DH)分别限制异质结构分别限制异质结构(SCH)量子阱激光器量子阱激光器13增益谱动态单模所需的模式间的损耗差5. 动态单模半导体激光器动态单模半导体激光器实现动态单模的途径实现动态单模的途径（

10、1）增加模式间的增益差：）增加模式间的增益差： 短腔激光器短腔激光器 垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器VCSEL （实现了单纵模，重点在横（实现了单纵模，重点在横 模和偏振控制）模和偏振控制）（2）增加模式间的损耗差）增加模式间的损耗差 分布布拉格反馈（分布布拉格反馈（DFB）激光器）激光器 分布布拉格反射器（分布布拉格反射器（DBR）激光器）激光器 藕合腔激光器，外腔激光器藕合腔激光器，外腔激光器短腔激光 器纵模谱短腔激光 器纵模谱藕合腔藕合腔(C3) 激光器激光器: VCSEL纵模谱纵模谱14各种各种DFB激光器的结构激光器的结构解决折射率藕合的解决折射率藕合的DFB激光器的双模问题激

11、光器的双模问题: (a)高反和增透 膜，高反和增透 膜，(b) /4位移，位移，(c)相位调制。相位调制。(d)(e)抑制空间烧孔实现窄 线宽。抑制空间烧孔实现窄 线宽。采用增益藕合采用增益藕合DFB更容易实现单模更容易实现单模15与与SOA和和EA调制器集成的多波长调制器集成的多波长DFB激光器阵列激光器阵列K.Kudo, IEEE PTL, vol. 12, p.242(2000)16分布布拉格反射器分布布拉格反射器(DBR) 激光器激光器(布拉格 反射区是无源的布拉格 反射区是无源的)垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器 (VCSEL):平面工艺制作，不 要解理端面，对称的远场光 束，窄

12、线宽，易于光纤藕合平面工艺制作，不 要解理端面，对称的远场光 束，窄线宽，易于光纤藕合176. 波长可调谐半导体激光器波长可调谐半导体激光器 波长可调谐半导体激光器的技术选择波长可调谐半导体激光器的技术选择 激光器类型调谐机制优点缺点供应商激光器类型调谐机制优点缺点供应商 DFB激光器温度波长稳定低输出功率激光器温度波长稳定低输出功率Nortel, JDS Uniphase 工艺成熟调谐范围有限低速工艺成熟调谐范围有限低速FujitsuDBR激光器温度高输出功率成品率激光器温度高输出功率成品率ADC,Agere,Agility 电流快速尺寸电流快速尺寸,低输出功率低输出功率Alcatel, J

13、DS Uniphase 宽调谐范围波长不稳定宽调谐范围波长不稳定Marconi, MultiplexN外腔激光器机械宽调谐范围成本高外腔激光器机械宽调谐范围成本高New Focus, Iolon, 电流高输出功率环境敏感电流高输出功率环境敏感Blue Sky 光谱纯低调谐速度光谱纯低调谐速度VCSEL 机械成本低低输出功率机械成本低低输出功率Bandwidth9, l18可调谐半导体激光器结构示意图可调谐半导体激光器结构示意图19可调谐可调谐DBR激光器波长随温度的变化及用电调制保持变温时 波长不变激光器波长随温度的变化及用电调制保持变温时 波长不变20电注入调谐电注入调谐DBR半导体激光器的

14、典型结果半导体激光器的典型结果: 波长变化 是不连续的，有跳模发生波长变化 是不连续的，有跳模发生T.L.Koch et al, APL, vol.53, p.1036(1988)21Superstructure-grating DBR lasers (NEL) （e-beam, low power)调制电流迭加一起的输出光谱迭加一起的输出光谱22激射波长的调节激射波长的调节R.ODowd, IEEE J-STQE, vol.7, p.259(2001)23微机电调谐微机电调谐VCSELC.J.Chang-Hasnain, IEEE J.STQE, vol.6,p.978(2000)247.长

15、波长长波长VCSEL的进展的进展A. Karim et al, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1244(2000)25长波长长波长VCSEL的的DBR材料选择材料选择1550-nm VCSEL 的的DBR峰值反 射系数与峰值反 射系数与DBR周期数的关系周期数的关系热阻热阻1和和2（W/cmK)268.微腔激光器和光子晶体微腔激光器和光子晶体SubstrateElectrodeActive regionOpening lengthETROutput waveguideY.Z. Huang et al, IEEE J.QE, vol. 37, p.100, p.1259(200

16、1)J.K.Hwang,IEEE PTL, vol.12,p.1293(2000)A. Yariv, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1478(2000)M.Fujita et al IEEE J. STQE, vol. 5, p.673(1999)279.半导体激光器材料的选择半导体激光器材料的选择K. Iga, IEEE J.STQE, vol. 6, p.1201(2000)284.55.05.56.06.5-2-1012341.55 m1.3 mSiGaInNAsAlSbInPGaSbAlAsInSbGaPInAsGaAsInNGaNBand-gap energy (eV)Lattice constant (A)新型新型GaAs基长波长材