藕合腔(C3) 激光器:
动态单模所需的模式间的损耗差
短腔激光 器纵模谱 VCSEL纵模谱
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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
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
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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
• 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) ,
φ (x, z, t)代表电磁场的各个分量,
不为零的场分量：
j 层 折射率nj 增益gj 厚度dj
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
三.半导体中的光跃迁和增益
• 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
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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
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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 1.5µm GaInAsP/InP LD, JJAP, vol.18, p.2333,1979)
• 激光器类型 调谐机制
优点
缺点
供应商
• DFB激光器 Uniphase
•
温度
波长稳定
低输出功率
Nortel, JDS
工艺成熟
调谐范围有限低速 Fujitsu
• DBR激光器 •
Uniphase •
MultiplexN
温度 电流
高输出功率 成品率
ADC,Agere,Agility
快速
尺寸,低输出功率 Alcatel, JDS
GaInNAs InAs InSb
-2
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Lattice constant (A)
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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
K.Kudo, IEEE PTL, vol. 12, p.242(2000) 15
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
宽调谐范围 波长不稳定
Marconi,
• 外腔激光器 Iolon,
• •
机械 电流
宽调谐范围 成本高
高输出功率 环境敏感
光谱纯
低调谐速度
New Focus, Blue Sky
• VCSEL
机械
成本低
低输出功率
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Bandwidth9,
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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激射波长的调节
R.O’Dowd, IEEE J-STQE, vol.7, p.259(2001)
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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)
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 )
r2exp(iβl+gl/2)
⇒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
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
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J.K.Hwang,IEEE PTL, vol.12,p.1293(2000)
Opening length
Output waveguide
ETR
Active region
Electrode
Substrate
Y.Z. Huang et al, IEEE J.QE, vol. 37, p.100, p.1259(2001)
远场分布（近场的衍射）：
U(θ )
=
cos2θ λ2R2
∫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,
• 模式增益
G = - 2βi.
• 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 在
，有即源E区y(中x)的Ey*的(x比)（例T,E模下）面和的
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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 PiN
Ec
Ec
Ev
Ev
Eg
n
Ec
光场 分布
双异质结(DH)
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3. 侧模控制(基侧模)
电极 氧化物 P-限制层 有源层 N-限制层
(a)
质子轰击区
(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
(c)
(d)
P外延层 N外延层 P外延层
ΓHTyM(x对)H应y*E(x(xx))E(Tx*M(x模)）
（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：
2
γ TE
=
∫inr (x) Ey (x) dx N ∫−∞∞ Ey (x) 2 dx
=
n0 N
ΓTE
,
γ TM
=
N ∫inr (x)[ Ex (x) 2 + Ez (x) 2 ]dx ∫−∞∞ nr2 (x) Ex (x) 2 dx
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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
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)
M.Fujita et al IEEE J. STQE, vol. 5, p.673(1999)
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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
T.L.Koch et al, APL, vol.53, p.1036(1988) 20
Superstructure-grating DBR lasers (NEL)
（e-beam, low power)
调制电流 迭加一起的输出光谱
0.01µm
d
d (µm) 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 Γ (%) 0.94 1.42 1.75 1.69 1.54
Squared Electric Field Far Field Distribution
1.6
0.2µm
1.4
1.2
d=0.1mm
0.3µm 0.4mm
1.0
0.8