量子阱半导体激光器

量子阱半导体激光器的原理及应用

刘欣卓（06009406）

（东南大学电子科学与工程学院南京 210096）

光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转换和滤波放大两个环节。最后一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏

置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。

关键词：光电调制器；模拟偏置法；误差

High-speed Optical Modulator Bias Control

LIU XinZhuo 2) (06009406)

(1)Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096

Abstract: The optical modulator bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into account the changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The signal after amplification is acted as the input of the control system. After the two voltage signals reduction and stability, the output may be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have two roles. First: it can compensate for sampling ratio of 1%of the process; Second: it can realize adjustable bias by fine-tune magnification. The bias control is a proportional integral part of the output of the modulator bias.

Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube; Zeeman effects; error

作者的个人学术信息：

刘欣卓，1991年，女，南京市。大学本科，电

子科学与工程学院。liuxinzhuo@.

1.量子阱半导体激光器的发展历程

1.1激光器研制的现状

随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的进展。

为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于室温环境、短波长、长寿命和光束质量好等要求的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正逐步作为光通信和光互连中的重要光源。

1. 2半导体激光器

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。

半导体激光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)

等。工作物质的结构也可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。其从激励方式上来说，则又有电注入、电子束激励和光泵浦三种。总之，我们根据诸如光纤等具体应用的特定需求，可根据以上分类方法量身定制激光器。

半导体激光器具有许多突出的优点：包括转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。所以，其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器无法比拟的。但是，由于一些特殊应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。 1.3量子阱半导体激光器的提出

量子阱结构的提出源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥关于超薄层晶体的量子

尺寸效应的研究。他们发现，当超薄有源层材料晶

格尺度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，其两侧的宽禁带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动时将出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过

改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，逐步形

成针对应变量子阱结构研究和应用的新领域。

80年代，量子阱结构在激光器上的使用，使半

导体激光器在性能上出现了大的飞跃。具有量子阱

结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激

光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、

温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、

激射波长短等优点。目前，量子阱已成为人们公认

的半导体激光器发展的根本动力。

1. 4量子阱激光器的发展历程 量子阱半导体激光器的发展历程大致包括几

个重要科研成果的诞生。1976年，人们用

GaInAsP/InP 实现了长波长激光器。关于该激光腔

的结构，Kogelnik 和Shank 提出了分布反馈的模式，

主要为以单片形式形成谐振腔。Nakamura 用实验证

明了光泵浦的GaAs 材料形成的分布反馈激光器

(DBR)的可行性。Suematsu 提出了用于光通信的动

态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想

法。1977年，人们提出了面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器第一次研制成功，并在此基础上提出了微带超晶格红外激光器的理论构架。另外，具有更好性能的低维超晶格—量子线、量子点激光器的研究也已经开始进入议程。

2．量子阱半导体激光器的原理

2.1量子阱及其能带结构

量子阱是指由窄禁带系超薄层被夹在两个宽

带系超薄层之间排列而形成的，具有明显量子限制

效应的电子或空穴的势阱。在由2种不同半导体材

料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足

够厚，以致相邻势阱之间载流子渡越函数之间耦合

很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为

多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很

强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带，

能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚

度有关，这样的多层结构称为超晶格。

量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平

均自由程内，所以阱壁起到很好的限制作用，使阱

中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。

在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密

度与能量的关系为台阶形状，其阶梯状能带允许注

入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内

载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高

于一般体材料激光器。

2.2半导体激光器的原理及限制 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件。首先，必须建立起激射媒质(有源区)

内载流子的反转分布。在半