光器件

第三章通信用光器件FPLaser•可以发射多纵模的激光器•最经典的激光器基本参数：•主要用在850nm1310nm•输出功率有几个毫瓦•频谱宽度3~20nm•模式间距离0.7~2nm•相干长度1～100mm•可以高效的耦合进光纤单片布喇格激光器DBR•DBR内部用布喇格光栅做反射器来获得谱线更窄的激光。•在两种不同介质的交界面上，制造出周期性的反射点，当光照射在反射点上将产生周期性的反射。•激光器的输出波长：＝2nA/m，其中A为两反射点间的距离。4DBR半导体激光器的结构三电极DBR-LD结构示意图单片分布反馈激光器DFB•用布喇格反射原理制成的另一种激光器是DFB•DFB激光器和DBR激光器结构不同，DFB的光栅和有源层叠放在一起。二者原理相同。满足一定条件的特定波长的光才能受到强烈反射，从而产生足够功率、谱线较窄的激光。A+B=mn，其中A为两反射点间的距离，B为反射光程差。•动态单纵模激光器•大量用于WDM系统分布反馈半导体激光器结构示意图分布反馈(DFB)(a)结构；(b)光反馈小结•以上所说的各种激光器都是边发射激光器，激光从激光器的侧面输出，只能进行一维集成，很难制作二维集成器件。但是，光数据传输的发展需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一个很好的选择。•常规的激光器都是禁带宽度决定波长，因此要用不同的材料来获得不同的波长。量子阱激光器QW•半导体激光器的结构可以分为同质结和异质结。同质结只有一个简单的PN结，P区和N区都采用同一种半导体材料。异质结由不同材料，例如GaAs和GaALAs构成的PN结－－异质结。•量子阱激光器采用双异质结结构。有源层的厚度在0.1~0.2微米左右，当有源层的厚度小到某一数值时，就会出现所谓的量子阱效应，即有源层与两边相邻的能带不连续，在有源层的异质结上出现导带和价带的突变，这样窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，将载流子限制在很薄的有源区内，使有源区内的粒子数反转浓度非常高，这是受激辐射发光的必要条件。•用这种原理做成的激光器就叫做量子阱激光器或量子限制激光器。这种激光器还可以细分单量子阱激光器、多量子阱激光器、量子线激光器和量子点激光器。12量子阱半导体激光器量子阱激光器小结：•三明治的结构•波长由有源区厚度决定，而不是材料•输出功率比较高•寿命长，可靠性好VCSEL垂直腔面发射激光器•1979年提出VCSEL思想至今，研究单位和科学家们已经从材料、结构、器件性能和波长范围方面做了长期深入的研究。特别是近年来，由于人们对超长距离、超高速、超大容量的光纤网络和高性能、低成本的光互连网络不断提出更高要求，从而极大推动了VCSEL的发展。虽然目前通信市场萎缩，但据美国ElectroniCast公司最近预测，全球用于光通信的VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年35％的速率递增，到2006年将达到20亿美元。VCSEL的结构•典型的VCSEL由高反射率分布式布拉格反射镜面、有源层和金属接触层组成。量子阱有源层夹在n－DBR和p－DBR之间。DBR反射镜由光学厚度为/4的高折射率层和低折射率层交替生长而成。VCSEL的典型示意图•其上下分别为分布布拉格反射(DBR)介质反射镜，中间为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。VCSEL的特点•VCSEL与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：•小的发射角和圆形对成的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证实其与多模光纤的耦合效率竟能大于90％，•VCSEL的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高，•腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善，•可以在片测试，极大降低了开发成本•出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成，•最吸引人的是它的制造工艺与发光二级管LED兼容，大规模制造的成本很低。VCSEL的研究水平及应用•650～670nm波段•这个波段的VCSEL可应用在基于塑料光纤的数据通信系统中•850nmVCSEL•技术已经相当成熟，批量生产成本较低，由于其优异的性能，850nm的VCSEL已经主宰了单通道短距离光学互连的市场，如IEEE802.3千兆以太网1000Base-Sx系列标准中就采用低成本850nmVCSEL作为光源，用在并行传输多通道发送机模块中的一维VCSEL阵列也有产品进入市场。•1300、1550nm•VCSEL发展到今天，从器件性能到覆盖波长，从实验研究到工业应用，各方面都显示出它作为新一代半导体光源的潜力，可以说，面发射激光器是未来实现大规模的并行光处理所必须的器件。作为单个器件，它本身可在极低阈值下工作，并有单一波长，圆形的窄输出光束，可以高速调制，若集成成二维面阵，则可实现多波长阵列，高功率阵列，并能大量生产，而且由于利用MEMS技术使层叠集成成为可能，新的器件可能会不断出现，随着外延生长技术的不断提高，对材料物理特性研究的不断深入，以及新材料、新结构的不断应用，VCSEL定会有辉煌的未来，成为光子信息时代的新型光源。波长可调协激光器•在一些应用中（WDM）需要许多种不同波长的光源。如果能够对一种激光器的光波长加以改变，获得不同波长的激光，这样就可以减少光源器件的品种，有利于简化设计和降低成本。•可调谐激光器的结构和工作机理变化多样，半导体可调谐激光器的调谐有电调谐、热调谐和机械调谐等方式，分为外腔型和腔内多电极等结构，可调谐光纤激光器的调谐通常使用可调谐滤波器来实现。可调谐激光器不仅可以用作DWDM系统的光源，还可以用作分组交换器件、接入波长路由器等，在光通信中具有非常大的应用潜力，最终将会代替目前通信市场上占主流地位的固定波长激光器。•可调谐DFB激光器一般是通过温度来实现波长调谐，但随着调谐温度的上升，会使激光器的有效输出功率下降，所以单个DFB激光器的调谐范围受到限制，大约5nm左右，这远不能满足光通信中对波长调谐范围的要求。为了扩大DFB激光器的调谐范围，组合多个DFB激光器形成DFB阵列是一种有效的方法。北电网络等人报导了他们将三个DFB串联而成的可覆盖34个ITU标准信道（50GHz信道间隔）的可调谐激光器模块。美国Santur公司等人也研制出了由12个DFB并联形成的DFB阵列。•可调谐DBR激光器，一般是通过电注入改变光栅折射率来实现波长调谐的，为获得大的调谐范围，其中需要使用取样光栅(SG)，超结构光栅(SSG)等，光栅耦合取样反射激光器(GCSR)也可以获得比较大的调谐带宽(3dB带宽为40nm)。•可调谐垂直腔面发射激光器通常是使用微电机系统MEMS技术来移动或旋转某个反射腔镜，使谐振腔的长度发生变化，从而实现波长的调谐。可调谐VCSEL不仅技术上具有很大的优势，同时还具有成本低、易于集成和批量生产，因此是一种比较有前途的通信用可调谐光源。•可调谐外腔半导体激光器ECDL是一种新型可调谐光源，由于它大功率输出时可以具有超宽带的可调谐范围（超过100nm），因而成为新一代光源的研究热点。ECDL通常由外部镜面或光栅与半导体激光二极管构成谐振腔，有单边结构和双边结构之分，外部镜面或光栅的调节目前一般结合使用MEMS技术，因此具有较好的调谐精度和波长调谐速度。半导体激光器的主要特性发射波长和光谱特性波长特性•半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg（eV），我们可以得出•=1.24/Eg•不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。光谱特性•在直流驱动下，发射光波长有一定的分布，谱线具有明显的模式结构。这种结构的产生是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的光辐射。其中只有符合激光振荡相位条件的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，称之为激光器的纵模。GaAlAs-DH(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制•随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失，主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器成为静态单纵模激光器。图(b)是300Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，光谱宽度变宽。用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器。激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样下图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。(a)光强的角分布；(b)辐射光束转换效率和输出光功率特性•外微分量子效率ηd•激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数hfeIPeIIhfPPΔΔ/)(/)(ththd)(thdthIIehfPP•式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth时激光器发出的是自发辐射光；当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。(a)短波长GaAlAs-GaAs;(b)长波长InGaAsP-InP频率特性在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制信号频率f的关系为2r222r)/(4])/(1[)0()(ffffPfP)1(1π21th0hpsprIIIIf•式中，fr和ξ分别称为弛张频率和阻尼因子，Ith和I0分别为阈值电流和偏置电流；I′是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I′=0，低掺杂浓度的LD，I′=(0.7～0.8)Ith；τsp为有源区内的电子寿命，τph下图示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛张频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为1～2GHz。在接近fr处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。半导体激光器的直接调制频率特性•普通激光器阈值电流：15~30mA•输出功率：5~20mW•调制•加直流偏置（因为有阈值电流的存在）温度特性对于线性良好的激光器，输出光功率特性如下式和下图所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100～150K、InGaAsP-InP激光器T0=40～70K，所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感，例如，GaAlAs-GaAs激光器在77K时ηd≈50%，在300K时，ηd≈30%。下图示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线的变化。)exp(00th