最新[中学教育]第三章-半导体激光二极管和激光器组件(2)教学讲义PPT课件

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 Brgg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。
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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-P LD，特别是Brgg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。
2ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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3．2 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。
[中学教育]第三章-半导体激 光二极管和激光器组件(2)
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。
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3. 纵模控制
在基横模条件下，纵向 q 模式决定了光
谱分布：
11q
2n2L q
q1,2,3
式中，L 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：
2 2n2L （3-6）
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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。
表示为：
式中， 为有S源区因ln增益1波导而2产W 生的有效n折24射率n。当22
(3 4)
时，
可以算出
n4
S 1
W10m
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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Brgg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。
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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。
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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Brgg反射器激光器是光纤通信最有前途的实用化器件 。
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3．3 分布反馈激光二极管和 分布Brgg 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（DFB LD）和F-P型激光二极管 的主要区别
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1. 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 n 2 ，两个限制层的折射率
分别为 n 1 和 n 3 ，且两个限制层的带隙 分别为 E g 1 和E g 3 ，由于是对称的结构， 故 ， n1 n3 n2 Eg1 Eg3
。垂直横模 M 1 的有源层厚度（d ）
的截止条件为：
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DFB LD 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 。
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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。
2
2
d
n2 n1
2
3 3
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式中 是峰值波长，对于
G a 0 .7A l0 .3A s/G a A sD HL D 来说，有源层折射率 n2 3.56
，限制层折射率 n1n3 3.40
，若取波长 0.9m，则产生基
横模 M 1 的有源层厚度的条件是
d0.45m
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2. 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
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3．2．2 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。
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1． 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）
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3.2.3 LD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。
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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。