《光纤通信技术教学资料》第3章第3节

1半导体激光二极管(LD)与LED不同：■受激辐射发光---激光、相干光，是一种阈值器件；■由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角θ⊥为30°～50°，水平发散角θ‖为0°～30°)；■与单模光纤的耦合效率高(约30%～50%)；■辐射光谱线窄(Δλ＝0.1～1.0nm)。适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(20GHz)直接调制，非常适合于高速长距离光纤通信系统的光源。3.3半导体激光器(LD)的工作原理与结构2本节介绍半导体激光二极管(LD)的基本工作原理及结构，包括条形LD、DFB—LD及MQW—LD的原理与结构。激光器的工作基于光的吸收、受激发射和光子被放大的过程。半导体激光器产生激光输出的基本条件是：形成粒子数反转分布提供光反馈满足激光振荡的阈值条件33.3.1粒子数反转与增益在3.1.1节讨论中已指出，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。●粒子数反转条件在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN(见式(3.1.2))。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大，放大倍数为exp(gz)，g为增益系数。4增益g的产生表明有源区发生的受激辐射速率Rst超过了受激吸收速率Rab,因而有关系g∝(Rst-Rab)。图3.11展示了在不同注入(泵浦)载流子浓度N时计算所得1.3μmInGaAsP有源层的光增益曲线。图3.111.3μmInGaAsP有源层光增益系数g与注入载流子浓度N的关系5图3.11(a)当，由于尚未达到粒子数反转条件，材料吸收占优势，g0。183110Ncm当N增加时，g随N增加，在一段光谱区内变为正值，峰值gp向高光子能量方向移动。6图3.11(b)展示了gp随N的变化。当gp几乎随N线性变化；当gp超过了300/cm。图3.11(b)1831.510Ncm183210Ncm可见，一旦实现粒子数反转，光增益将迅速增大。正是有这么高的增益，所以能制造尺寸小于1mm的半导体激光器。73.3.2光学谐振腔与激光器的阈值条件激光器是一种光学振荡器，为使激光器稳定工作，粒子数反转产生光增益是必要条件。另一个重要条件是必须提供光的反馈，将光放大器转换为振荡器。激光形成过程：在有源区内，有大量的载流子因复合而产生光发射，开始时是少数载流子的自发复合，引起自发发射。但自发发射所发射的光子，位相各不相同，且向各个方向传播。部分光子一旦产生，就穿出有源区，而另一部分光子可能在PN结平面内传播，并相继引起其它电子—空穴对的受激发射，产生更多的性能相同的光子。8这种受激发射随注入电流的增大而雪崩式地发展，在PN结内具有绝对优势。当这些光子的电磁波相位同相时，就产生放大的相干发射。而为了构成激光振荡器，还必须把激光媒质置于光学谐振腔内，以提供必要的反馈及进行模式选择，提高相干性。大部分激光器的反馈用将增益介质放入一个光学谐振腔或简称光腔内来提供。光腔由两块反射镜组成，一般称为法布里—珀罗腔或FP腔。在半导体激光器中，两端的解理面即起反射镜的作用，不必外加反射镜，如图3.12所示。9光增益与光反馈都是激光器稳定工作的必要条件，但并非充要条件。由于腔中存在损耗及通过反射镜的光辐射，受激发射产生的光子将不断消耗，如果增益并非足够大，则不能补偿这种损耗。12mLn只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的泵浦或注入电流称为阈值电流。图3.12半导体激光器的基本结构与光学谐振腔10在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜，即光腔。12mLn光腔由两块反射镜组成，一般称为法布里—珀罗腔(Fabry—Perot)或FP腔。通过腔两端的反射，向光子提供正反馈，如图所示。光信号每通过一次增益媒质，就得到一次放大。3-3-1激光器模型3-3-2半导体激光器产生激光原理11阈值点激光区域荧光区域12(3.3.2)幅值条件：式中，代表光腔总损耗；intint1111ln()2mircgLRRc为非全反射端面引起的透射损耗。int为谐振腔内总损耗；mir13相位条件：22/2mkLmmcnL(3.3.3)式中，，m为整数，代表不同的纵模数，为激光器振荡频率，与波长的关系为，2/knc频率间隔2LcnLm/mmcn为增益介质折射率。14受激发射的频率由增益媒质的能级差决定，增益谱分布有一定宽度，并非单色的，如图3.13(a)所示。光腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的，频率间隔为：△νL=c/2nL，如图3.13(b)所示。最靠近增益峰的模式为主导模式。理想条件下，其他模式的增益不应达到阈值，即其增益应低于光腔总损耗，因为其增益比主模低，如图3.13(c)所示。15图3.13半导体激光器的模式增益谱(a)增益谱分布；(b)腔膜分布；(c)工作模式的决定。163.3.3激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层(≈0.1μm厚)、P型和N型限制层构成。LD的核心部分是由有源层及两边的包层构成的媒质波导结构。有源层夹在P型和N型限制层中间，激光器芯片宽度≈100μm，这样的激光器面积大，称为大面积激光器如图3.14所示。3-3-3半导体激光器（ＬＤ）的结构图3.14大面积激光器173.3.5单纵模半导体激光器上面讨论的激光器结构是一种大面积光场结构，在整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，输出是多纵模的，这是大面积激光器的主要缺点。通过控制有源层厚度和宽度，可以将激光器设计工作于单(空间)模发光。但由于FP腔相邻模式的增益相差很小，使BH(异质结)激光器会同时在多个纵模振荡，因而其输出谱宽较宽，可达2nm～4nm，只能用于1.3μm窗口、速率约2Gb/s的第二代光波系统，不能用于1.55μm的第三代光波系统。18解决这个限制的方案：一种方案是采用最低损耗和最小色散均在1.55μm附近的色散位移光纤(DSF)。另一种方案是设计窄谱线单纵模(SLM)激光器。SLM激光器设计的基本思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，而FP腔激光器的损耗不随模式而变。具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。其他邻模由于其高损耗而被区分开，并因高损耗而被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很小一部分(小于1%)。19图3.18单纵模半导体激光器的增益和损耗201.DFB半导体激光器分布反馈(DFB)激光器，如名称所示，其反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到，并使正向和反向传播的波相互耦合。（3-3-4分布反馈半导体激光器（DFB）的结构动画图）DFB机制产生模式选择的条件为布拉格条件，只有当波长λB满足（3.3.20）式耦合才发生。()2Bmn（3.3.20）式中Λ为光栅周期；n为模折射率；m(整数)代表布拉格散射的阶数；λB为布拉格波长。21用DFB机制的半导体激光器可分为两大类：分布布拉格反射(DBR)激光器：反馈并发生在有源区的两边。DFB激光器：DFB激光器中反馈发生在整个光腔有源区长度上。3-3-5普通型体激光器与DFB的比较3-3-6分布反馈半导体激光器（DFB）光栅结构图3.19DFB和DBR激光器结构示意图(阴影区为有源区)222.耦合腔半导体激光器在耦合腔半导体激光器中，单纵模工作是通过将光耦合到外光腔实现的。一部分反射光反馈回激光光腔，因为在外光腔发生相移，从外光腔的反馈不一定与激光器光腔内的光场同相，仅当那些波长几乎与一个外光腔纵模的波长一致的激光模式才能发生同相反馈。如图3.20所示。23图3.20耦合腔中的纵模选择24■量子阱激光器夹于宽带隙半导体(如GalA1As)中间的窄带隙半导体(如GaAs)起着载流子(电子和空穴)陷阱的作用。在前面讨论的双异质结半导体中，有源层厚度通常为100—200nm。随着有源层厚度的减小，例如达到5-10nm时(仅约7-15倍原子直径)，使材料的电性质和光学性质产生剧烈的变化――量子效应。相应的势阱称为量子阱，这种结构的激光器叫做量子阱激光器。25在量子阱结构中，只要简单地改变阱宽Lz，就可改变发射光子的能量。上图为InGaAs／InP量子阱激光器中不同阱宽的情况。可以看出，阱宽愈小，激光发射越向高能量移动。26与其它激光器它比较，量子阱激光器的特点：调制特性较更好谱线更窄、效率更高具有更低的阈值电流、可高温工作由于MQW结构中的光约束因子比SQW结构中大得多，因而可获得更低的阈值电流。例如：量子阱激光器阈值电流密度：阈值电流：输出功率：几百毫瓦谱线宽度：250kHz27■垂直腔表面发射激光器前面讨论的FP—LD或DFB—LD均属边发射LD。但它们的有源区较长，器件体积大，工作电流达几十毫安，光束成3：1椭圆，这是它们的固有缺点。垂直腔表面发射激光器(VC-SEL，Vertical—CavitySurface—EmittingLaser)中将光腔内传输的光束旋转900，光发射将垂直于芯片表面。这时有源区(往往是MQW)夹于两个反射镜之间。VCSEL小巧紧凑，直径仅5—15m，阈值电流低(仅0.1mA)，工作电流小(几mA)。由于有源区短，因此是单模工作，器件小，降低了电容，有利于高速调制(大于10Gb／s)。同时它非常容易集成，构成线形或2D阵列，是高速数据通信的一个优良光源。28课堂练习题：有一个AlGaAs/GaAs-LD，工作波长850nm，n1＝3.57，激光器腔长L＝300m，求腔内模式数、纵模波长间隔或纵模频率间隔。