半导体激光器的设计和工艺

不同类型的半导体异质结构
量子级联激光器 (AlInAs/GaInAs )
F. Capasso, IEEE J. STQE, vol. 6, p.931(2000)
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二. 半导体光波导
1. 平板波导的模式,TE和TM模
X
二维( x-z)波导中波函数
φ ( x, z , t ) = φ ( x) exp(iβz iωt ) ,
分别限制单量子阱激光器光场和远场分布及光限制因 子Γ随分别限制层厚度的变化(波长1.55 m)
3.55 3.3 n=3.17
1.6 1.4
0.01m
d (m) 0.05 0.1
0.2 0.3
0.4
Γ (%) 0.94 1.42 1.75 1.69 1.54 d
0.2m 0.3m
Far Field Distribution
双异质结(DH)
分别限制异质结构(SCH)量子阱激光器
12
5. 动态单模半导体激光器
实现动态单模的途径 (1)增加模式间的增益差:
短腔激光器 垂直腔面发射激光器VCSEL (实现了单纵模,重点在横 模和偏振控制)
增益谱
动态单模所需的模式间的损耗差
(2)增加模式间的损耗差
分布布拉格反馈(DFB)激光器 分布布拉格反射器(DBR)激光器 藕合腔激光器,外腔激光器 藕合腔(C3) 激光器: VCSEL纵模谱 短腔激光 器纵模谱
P外延层 N外延层
(c)
(d)
P外延层
Si-扩散
半绝缘层
(e)
(f)
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:(c)脊形 波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;(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;(f) 在图形衬底上生长形成窄条有源区
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微机电调谐VCSEL
C.J.Chang-Hasnain, IEEE J.STQE, vol.6,p.978(2000) 23
7.长波长VCSEL的进展
A. Karim et al, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1244(2000) 24
长波长VCSEL的DBR材料选择
1550-nm VCSEL 的DBR峰值反 射系数与DBR周期数的关系
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各种DFB激光器的结构
解决折射率藕合的DFB激光器的双模问题: (a)高反和增透 膜,(b) λ/4位移,(c)相位调制.(d)(e)抑制空间烧孔实现窄 线宽.采用增益藕合DFB更容易实现单模
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与SOA和EA调制器集成的多波长DFB激光器阵列
K.Kudo, IEEE PTL, vol. 12, p.242(2000) 15
2 K j = ( k0 n 2 β 2 )1 2 , j
界面的反射关系: An exp(iK n z n 1 ) = Rn,1 Bn exp( iK n z n 1 ) Bn exp( iK n z n ) = Rn,m An exp(iK n z n ). 本征值方程:
Rn,1 Rn,m exp( 2iK n d n ) = 1
7
第一个室温连续的电注入双异质结构半导体激光器(1970 年)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)
分布布拉格反射器(DBR) 激光器(布拉格 反射区是无源的)
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,窄线宽,易于光纤藕合
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6. 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
DBR激光器 Uniphase 宽调谐范围 MultiplexN 外腔激光器 Iolon, 机械 电流 宽调谐范围 高输出功率 光谱纯 成本低 成本高 环境敏感 低调谐速度 低输出功率 波长不稳定 Marconi, 温度 电流 激光器类型 DFB激光器 Uniphase 调谐机制 温度 优点 波长稳定 工艺成熟 高输出功率 快速 缺点 低输出功率 Nortel, JDS Fujitsu 供应商
φ (x, z, t)代表电磁场的各个分量,
不为零的场分量: TE 模: Ey(x, z, t), Hx(x, z, t) and Hz(x, z, t) TM 模: Hy(x, z, t), Ex(x, z, t) and Ez(x, z, t). 满足方程
2 2φ ( x, z , t ) + k 0 n 2 ( x)φ ( x, z , t ) = 0
导波模,准模(泄漏模)分立模式 辐射模:连续模式
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反射率的递推关系
Rn,1 = Rn,n 1 + Rn 1,1 exp(2iK n 1d n 1 ) 1 + Rn,n 1 Rn 1,1 exp(2iK n 1d n 1 )
Rn,n 1 = ( K n K n 1 ) /( K n + K n 1 ).
2
二.半导体光波导
1. 平板波导的模式,TE和TM模 2. 光限制因子和模式增益 3. 一维多层波导结构(VCSEL)光场分布 4. 半导体激光器镜面反射系数 5. DFB激光器的藕合模理论 6. DFB半导体激光器的一维模拟 7. 等效折射率近似 8. 数值模拟
3
三.半导体中的光跃迁和增益
T.L.Koch et al, APL, vol.53, p.1036(1988)
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Superstructure-grating DBR lasers (NEL)
(e-beam, low power)
调制电流 迭加一起的输出光谱
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激射波长的调节
R.O'Dowd, IEEE J-STQE, vol.7, p.259(2001)
对 TM模,上式中 Kn 和 Kn - 1 应为 Kn /nn2 and Kn - 1/nn-12
远场分布(近场的衍射):
U (θ ) =
cos2 θ
λR
2 2
φ ( x) exp(ik0 sinθx)dx 2 ∫
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2.光限制因子和模式增益
复传播常数β =βr + iβi ,模式折射率 N = βr/k0, G = - 2βi. 模式增益 传统的光限制因子定义为限制在有源区中的功率流的比 例,即 Ey(x)Ey*(x)(TE模)和 Hy(x)Hy*(x) (TM模) 在 有 源 区 中 的 的 比 例 , 下 面 的 Γ TM 对 应 Ex(x)Ex*(x) (TM模). 从模式增益(设有源区外其它各层增益为零)出发,定 义限制因子为γ = G/gi:
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -40
0.05m d=0.1m 0.3m 0.4m 0.2m
热阻κ1和κ2(W/cmK)
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8.微腔激光器和光子晶体
A. Yariv, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1478(2000)
J.K.Hwang,IEEE PTL, vol.12,p.1293(2000)
Opening length Output waveguide
ETR
Electrode Active region
半导体激光器的设计和工艺
黄永箴 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
1
一. 半导体激光器的基本结构
1.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ导体双异质结构 2.Fabry-Perot谐振腔(纵模) 3. 侧模控制(基侧模) 4.横模控制 5. 动态单模半导体激光器 6. 波长可调谐半导体激光器 7.长波长VCSEL的进展 8.微腔激光器和光子晶体 9.半导体激光器材料的选择
调谐范围有限低速
成品率 ADC,Agere,Agility 尺寸,低输出功率 Alcatel, JDS
New Focus, Blue Sky
VCSEL
机械
Bandwidth9,
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可调谐半导体激光器结构示意图
18
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
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电注入调谐DBR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
1. 费米分布函数及跃迁速率 2. 电子波函数及跃迁矩阵元 3.简约态密度及增益谱 4.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 6.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
4
四. 速率方程和动态效应
1.单模速率方程及基本物理量 2.稳态输出 3. 共振频率和3dB带宽 4. 载流子输运效应对带宽影响 5. 开启延迟时间 6. 线宽增宽因子和动态频率啁啾 7. 自发辐射引起的噪声 8. 相对强度噪声 9. 模式线宽 10. 多模速率方程
5
五.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 2.激光器微分特性 3.激光器寿命 4.激光器阈值电流的温度特性
6
一. 半导体激光器的基本结构
1.半导体双异质结构
双异质结构实现: 1. 载流子的超级注入 2. 光场限制 3. 载流子限制
(a) 单面注入和超级注入 (b)电场下电子的漂移 (c) 电子和光限制 (d)隧穿
γ TE =
∫inr ( x) E y ( x) dx
∞ N ∫∞ 2 2
γ TM =
N ∫inr ( x)[ E x ( x) + E z ( x) ]dx
∞ 2 ∫∞ nr ( x) E x ( x) dx 2
2
2
E y ( x) dx
≈ N
2
n = 0 ΓTE , N
Nn0
ΓTM ,
Y.Z.Huang, JAP, vol. 79, p.3827(1996), IEE Proc. Opto, vol.148, p.131(2001) 33
j 层 折射率nj 增益gj 厚度dj
Z
多层平板波导
真空波矢 k0 = 2π/λ , 复折射率 n(x) = nr(x) - ig(x) /2k0
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任意多层平板波导的本征值方程
第 j层中的波函数: φ ( x) = A j exp(iK j x) + B j exp(iK j x) 第 j层的复传播常数:
新型GaAs基长波长材料GaInNAs
4
Band-gap energy (eV)
GaN InN
1.3 m 1.55 m
3 2 1 0 -1 -2 4.5 5.0
GaP AlAs Si GaAs InP
AlSb GaSb InAs InSb
GaInNAs
5.5
6.0
6.5
28
Lattice constant (A)
8
2.Fabry-Perot谐振腔(纵模)
r1r2exp(i2βl+gl)
exp(iβl+gl/2)
r1
l
r2
r1r2exp(i2βl+gl)=1
阈值条件: r1r2exp(gl)=1 谐振条件: 2βl=2mπ (m纵模数, β=2πn/λ ) 纵模间隔 δλ=λ2/(2ngl) 群折射率 ng=n-λdn/dλ一般比折射率 n大20~30% 在GaAs和InGaAsP 双异质结边发射激光器中ng=4~4.5
11
4.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 要是载流子和光场限制,以及得到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.
I
P Ec Ev n
光场 分布
i
N Eg
Ec Ev Ec Ev
9
r2exp(iβl+gl/2)
3. 侧模控制(基侧模)
电极 氧化物 P-限制层 有源层 N-限制层 质子轰击区
(a)
(b)
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; (b)质子轰击在半导体 中形成电流注入通道.
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电隔离的氧化 物或有机物
Substrate
M.Fujita et al IEEE J. STQE, vol. 5, p.673(1999)
Y.Z. Huang et al, IEEE J.QE, vol. 37, p.100, p.1259(2001)
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9.半导体激光器材料的选择
K. Iga, IEEE J.STQE, vol. 6, p.1201(2000) 27