教学课件：第十一章-半导体光电子器件讲解

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1、第十一章 半导体光电子器件原子核电子高能级低能级孤立原子的能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。 N个原子构成晶体时的能级分裂N = 4N = 9当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带满带：满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空

2、带：空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴半导体的能带结构半导体的能带结构在图中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。直接带隙与间接带隙E Ef f： Fermi Fermi能级。它与物质特性有关，它并不能级。

3、它与物质特性有关，它并不是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所用的假想能级。用的假想能级。费米能级A.电子占据能量为E的状态的几率对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，电子能量大小服从电子能量大小服从Fermi-DiracFermi-Dirac统计分布规律。统计分布规律。费米分布函数变化曲线 B.B.热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的FermiFermi能级。能级。C

4、.C.准热平衡状态准热平衡状态 在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的FermiFermi能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，可以用各自的可以用各自的FermiFermi能级来描述导带和价带的载流子能级来描述导带和价带的载流子分布，亦称准分布，亦称准FermiFermi能级。能级。 ：导带中的：导带中的FermiFermi能级。能级。 导导带中能级被电子占据的几率。带中能级被电子占据的几率。 ：价带中的：价带中的Fer

5、miFermi能级。能级。 导导带中能级被电子占据的几率。带中能级被电子占据的几率。 本征半导体 N型半导体 P型半导体 半导体的能带和电子分布 PN结的能的能带和和电子分布子分布根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费费米米能能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 一般状态下，本本征征半半导导体体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图 (a)。 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体，见图 (b)。 在本征半导体中，掺入

6、受主杂质，称为P型型半半导导体体，见图 (c)。 硅的晶格结构硅的晶格结构 (平面图)本征半导体材料本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg = 1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数T为绝对温度kB 为玻耳兹曼常数, h为普朗克常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量Eg 带隙能量本征载流子浓度例：在300

7、 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.1110-31 kg， me = 0.068m = 6.1910-32 kg mh = 0.56m = 5.110-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3非本征半导体材料：非本征半导体材料：n型型第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+导带 EC价带 EV施主能级电子能量电子浓度分布

8、空穴浓度分布施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 N型材料，施主能级型材料，施主能级第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef非本征半导体材料：非本征半导体材料：p型型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴

9、内部电场外加电场(c) 正向偏压下P - N结能带图 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增增益益区区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布粒子数反转分布，见图4.5(c)。外加电场 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv光电

10、效应半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，又称光生载流子。 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。 存在的问题：1.增益区太厚(110 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度2.无法对产生的光进行有效约束同质pn结：两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：- 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能-

11、pn结区的完全由载流子的扩散形成pn同质pn结折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空穴复合注入空穴空穴势垒波导区异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1. 不连续的带隙结构2. 折射率不连续分布+典型的典型的GaAlAs双异质结双异质结不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束三种三种跃迁：迁：自自发发射、受激吸收和受激射、受激吸收和受激发射射h h E E2 2E E1 1自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁E E2 2E E1 1受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁h h h h E E2 2E E1 1受激发射

12、跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁h h h h 受激发射的光子受激发射的光子受激发射的光子受激发射的光子与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位和传播方向和传播方向和传播方向和传播方向自发辐射发射光子的频率自发辐射的特点如下： 这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。 电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。 受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。 这个过程必须在外

13、来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。 外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。 受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。 这个过程可以使光得到放大。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃

14、迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。 物体成为发光体需要光辐射 光吸收激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。 粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为

15、增益物质或激活物质。 粒子数反粒子数反转分布状分布状态1. 粒子数正常分布状态 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的电子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 如果N2N1，即受激辐射大于

16、受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。2. 粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的泵浦源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。光学谐振腔1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔)2. 光的产生及方向选择 1) 少数载流子的

17、自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗 (F-P) 谐振腔100%90%受激发射和受激吸收受激发射和受激吸收受激发射受激发射-能量等于导带和价带能级差能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；光；受激吸收受激吸收-当晶体中有光场存在时，处当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能用下，吸收一个光子而跃迁到高

18、能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。级上。在这个过程中能量保持守恒。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。当当有有入入射射光光场场存存在在时时，受受激激吸吸收收过过程程与与受受激激发发射射过过程程同同时时发发生生，哪哪个个过过程程是是主主要要的的，取取决决于于电子密度在两个能带上的分布。电子密度在两个能带上的分布。若若高高能能带带上上电电子子密密度度高高于于低低能能带带上上的的电电子子密密度度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激激光光器器工工作作在在正正向向偏偏置置下下，当当注注入入正正向向电电流流时时，

19、高高能能带带中中的的电电子子密密度度增增加加，这这些些电电子子自自发发地地由由高高能能带带跃跃迁迁到到低低能能带带发发出出光光子子，形形成成激激光光器器中中初始的光场。初始的光场。在在这这些些光光场场作作用用下下，受受激激发发射射和和受受激激吸吸收收过过程程同同时时发发生生，受受激激发发射射和和受受激激吸吸收收发发生生的的概概率率相相同。同。LD发射激光的发射激光的首要条件首要条件-粒子数反转粒子数反转另一个条件是半导体激光器另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振在谐振腔里建立起稳定的振荡。荡。有源区里实现了粒子数反转有源区里实现了粒子

20、数反转后，受激发射占据了主导地后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。乱无章。为了得到单色性和方向性好为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学的激光输出，必须构成光学谐振腔。谐振腔。LD 发射激光的发射激光的第二个条件第二个条件-光学谐振腔光学谐振腔法布里法布里-珀罗（珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器）光学谐振器镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里能够储存能量，

21、这种谐振腔就叫做法布里-珀罗珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的就是激光器的阈值增益阈值增益，达到该增益所要求的注，达到该增益所要求的注入电流称作入电流称作阈值电流阈值电流。光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立与电谐振一样，光也有谐振。要使光

22、在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。相位条件相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；发生相干；阈值条件阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。内损耗相抵消。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。干光束。光在法布里光在法布里 珀罗珀罗(F-P)谐振腔中的干涉

23、谐振腔中的干涉激光器起振的相位条件激光器起振的相位条件 - 使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉多纵模多纵模 ( 多频多频 ) 激光器激光器-谐振腔长度谐振腔长度 L 比波长大很多比波长大很多激光器起振的阈值条件激光器起振的阈值条件受激发射使受激发射使腔体得到的腔体得到的增益增益 = 腔体腔体损耗损耗F-P光腔谐振器光腔谐振器衰减倍数与衰减倍数与放大倍数放大倍数必须相等必须相等半导体激光器的增益频谱半导体激光器的增益频谱 g( ) 相当宽（约相当宽（约10 THz），在），在 F-P 谐振腔内同谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。时存在着

24、许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。光器的大部分功率。这种激光器就称作这种激光器就称作多模半导体激光器多模半导体激光器。激光器增益谱和损耗曲线激光器增益谱和损耗曲线阈值增益为两曲线相交时的增益值阈值增益为两曲线相交时的增益值激光器激光器起振阈起振阈值条件值条件的简化的简化描述描述例题例题 激光器光腔越长，模式越多激

25、光器光腔越长，模式越多小小 结结-光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件在在半半导导体体激激光光器器里里，由由两两个个起起反反射射镜镜作作用用的的晶晶体体解解理理面面构构成成的的法法布布里里 珀珀罗罗谐谐振振腔腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当当受受激激发发射射使使腔腔体体得得到到的的放放大大增增益益等等于于腔腔体体损损耗耗时时（阈阈值值条条件件），并并且且谐谐振振腔腔内内的的前前向向和和后后向向光光波波发发生生相相干干时时（相相干干条条件件），就就保保持持振振荡荡，形形成成等等相相面面和和腔腔体体端端面面平平行行的的驻驻波波，

26、然然后后穿穿透透谐谐振振腔腔的的两两个个端端面面，输输出谱线很窄的相干光束。出谱线很窄的相干光束。LD的的工工作作原原理理同质结构只有一个简单同质结构只有一个简单P-N结，且结，且 P 区和区和 N 区都是同一区都是同一物质的半导体激光器。物质的半导体激光器。该激光器阈值电流密度太大，该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工在低温环境、脉冲状态下工作。作。为了提高激光器的功率和效为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质值电流，人们研究出了异质结的半导体激光器。结的半导体激光器。同同

27、 质质 结结 构构 LD异质结异质结半导体半导体激光器激光器为了提高为了提高 LD 的功率和效率，降低同质结的功率和效率，降低同质结 LD 的阈值电流，人们研究出的阈值电流，人们研究出了异质结了异质结 LD所谓所谓“异质结异质结”，就是由两种不同材料（例如，就是由两种不同材料（例如 GaAs 和和 GaAlAs ）构）构成的成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制

28、了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。为为进进一一步步降降低低阈阈值值电电流流，提提高高发发光光效效率率，提提高高与与光光纤纤的的耦耦合合效效率率，常常常常使有源区尺寸尽量减小，通常使有源区尺寸尽量减小，通常w =10 m，d = 0.2 m, L=100 400 m 同质结、双异质结同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较能级图及光子密度分布的比较分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB)DFB激光器是单纵模激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一个纵，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的模（

29、谱线）的 LD。SLM LD与法布里与法布里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。件的光波才能建立起振荡。由这种激光器的增益和损耗曲线图可见，增益曲线首先由这种激光器的增益和损耗曲线图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变和模式具有最小损耗的曲线接触的模

30、开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。因而也不会从自发辐射中建立起振荡。SLM LD与法布里与法布里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗单纵模单纵模 DFB 半导体激光器半导体激光器增益和损耗曲线增益和损耗曲线DFB LD的分类分布反馈激光器分布反馈激光器DFB: Distributed Feed Back 分布布拉格反射激光器分布布拉格反射激光器DBR: Distributed B

31、ragg Reflector DFB LD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。件的光波才能建立起振荡。DFB LD结构及其原理结构及其原理DBR LD 结构及其原理结构及其原理DBR激激光光器器除除有有源源区区外外，还还在在紧紧靠靠其其右右側側增增加加了了一一段段分分布布式式布布拉拉格反射器，它起着衍射光栅的作用

32、。格反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激激光光器器的的输输出出是是反反射射光光相相长长干干涉涉的的结结果果。只只有有当当波波长长等等于于两两倍倍光光栅栅间间距距 时时，反反射射波波才才相相互互加加强强，发发生生相相长长干干涉涉。例例如如当当部部分反射波分反射波 A 和和 B 具有路程差具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。时，它们才发生相长干涉。可调谐DBR激光器二段式三段式Bragg Section: 大范围调节Phase Section:精细调节调谐范围：10nm取样光栅可调谐DBR激光器工作原理：结构：调谐范围：100nm外腔DBR激光器：线宽几十KHz光纤式外腔激光器：线宽50KH

33、z垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器（垂直腔表面发射激光器（VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser）顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。相同。VCSEL 激光器示意图激光器示意图量量子子阱阱器器件件很很薄薄的的GaAs有有源源层层夹夹在在两两层层很很宽宽的的AlGaAs半半导导体体材材料料中中，所所以以它它是是一一种种异异质质结结器器件件

34、。在在这这种种激激光光器器中中，有有源源层层的的厚厚度度 d 很很薄薄，导导带带中中的的禁禁带带势势能能把把电电子子封封闭闭在在 x 方方向向上上的的一一维维势势能能阱阱内内，但但是是在在 y 和和 z 方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。这这种种状状态态密密度度的的变变化化，改改变变了了自自发发辐辐射射和和受受激激发发射射的的速速率率。量量子子阱阱半半导导体体激激光光器器有有源源层层厚厚度度仅仅是是10nm，约约为为异异质质结结器器件件的的1/10，所所以以注注入入电电流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变

35、化。流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。量子阱量子阱(QW) LD量子阱量子阱 LD 示意图示意图自发辐射自发辐射-LED工作原理工作原理当当电电子子返返回回低低能能级级时时，它它们们各各自自独独立立地地分分别别发发射射一一个个一一个个的的光光子子。因因此此，这这些些光光波波可可以以有有不不同同的的相相位位和和不不同同的的偏偏振振方方向向，它它们可以向各自方向传播。们可以向各自方向传播。同同时时，高高能能带带上上的的电电子子可可能能处处于于不不同同的的能能级级，它它们们自自发发辐辐射射到到低低能能带带的的不不同同能能级级上上，因因而而使使发发射射光光子子的的能能量量有有一一定定的的差差

36、别别，使使这些光波的波长并不完全一样。这些光波的波长并不完全一样。因此，自发辐射的光是一种非相干光。因此，自发辐射的光是一种非相干光。面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高P(q) = P0cosq载流子注入25 mm5 mm边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入5070 mm100150 mm30120面发光二极管与光纤的透镜耦合 半导体光放大器半导体光放大器对对 于于 半半 导导 体体 光光 放放 大大 器器 (SOA, Semiconductor Optical Amplifiers)的的研研究究，早早在在1962年年发发明明

37、半半导导体体激激光光器器不不久就已开始了。久就已开始了。然然而而，只只有有在在上上世世纪纪80年年代代，在在认认识识到到它它将将在在光光波波系系统统中中具具有有广广泛泛应应用用前前景景的的驱驱使使下下，才才对对SOA进进行行了了广广泛泛的的研研究究和和开发。开发。半导体光放大器的机理半导体光放大器的机理半半导导体体光光放放大大器器的的机机理理与与激激光光器器的的相相同同，即通过受激发射放大入射光信号。即通过受激发射放大入射光信号。光光放放大大器器只只是是一一个个没没有有反反馈馈的的激激光光器器，其其核核心心是是当当放放大大器器被被光光或或电电泵泵浦浦时时，使使粒粒子子数数反反转转获获得得光光增

38、增益益。该该增增益益通通常常不不仅仅与与入入射射信信号号的的频频率率（或或波波长长）有有关关，而而且且与与放放大大器器内内任任一一点点的的局局部部光光强强有有关关，该该频频率率和和光光强强与与光光增增益益的的关关系系又又取取决决于于放大器介质。放大器介质。行行 波波 光光放放 大大 器器是是 一一 个个没没 有有 反反馈馈 的的 激激光器。光器。其其 核核 心心是是 当当 放放大大 器器 被被光光 或或 电电泵泵浦浦时时，使使 粒粒 子子数数 反反 转转获获 得得 光光增益。增益。行波半导体光放大器行波半导体光放大器半导体激光半导体激光器由于在解器由于在解理面存在反理面存在反射，当偏流射，当偏

39、流低于阈值时低于阈值时是放大器。是放大器。减小腔体界减小腔体界面反射，可面反射，可使激光器变使激光器变为放大器。为放大器。这种放大器这种放大器就称为就称为 F-P 放大器。放大器。F-P SOA的结构和原理的结构和原理角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。在大多束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于率小于 0.1%）减小反射率的方法减小反射率的方法有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。有源层。减小反射率的方法减小反射率的方法