光电子技术6.-第六章—分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器

DFB,QW&VCSELLASERS2020/12/132目录1.DFB（DBR）激光器1.1器件结构1.2耦合波理论1.3DFB激光器的特性2.量子阱激光器（QWLD）2.1超晶格与量子阱2.2量子化能级和子带2.3阶梯状态密度分布2.4量子阱激光器工作原理2.5SQW和MQW2.6量子阱激光器的特性3.垂直腔面发射激光器（VCSELLD）3.1阈值电流3.2量子效率3.3纵模行为4.其它类激光器3半导体激光器件激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。5激光通信技术光导纤维光信息处理机6激光存储技术光盘存储激光载体7激光治疗切除染色体致病基因照射病灶治疗近视眼8激光手术9激光眼部检查2020/12/13106.1DFB（DBR）激光器分布反馈激光器分布布喇格反射激光器增益耦合DFB激光器耦合波理论光谱特性多波长光源特性DFB（DBR）LD器件结构•分布反馈激光器DFB：DistributedFeedback光栅为内光栅，在有源层内的波导层上。•分布布喇格反射激光器DBR：DistributedBraggReflector光栅在有源层两端外的波导层上形成。SemiconductorLaser13zxDistributed-Bragg-ReflectorLaser(DBR-Laser)DBR-reflectorDBR-reflectorcurrentflownon-reflectivecoatingactiveregionDistributed-FeedbackLaser(DFB-Laser)Fabry-PerotLaser(FP-Laser)activeregioncurrentflowreflectivecoating2Lz0z2Lzcurrentflownon-reflectivecoatingactiveregionshifted41415•进入90年代以后，DFB激光器的发展日渐成熟，目前很多DFB激光器都采取MQW-DFB-LD。•90年代中期，美国BeLLcore的研究人员指出，AlGaInAs/InP比InGaAsP/InP具有更大的导带偏移，能有效阻止高温下注入载流子的泄露，从而提高激光器的高温特性。•我国目前己有采用AlGalnAs/InP材料、侧壁垂直的脊波导(RWG)结构、低失真耦合封装、预失真补偿技术形成的长波长、高速高线性MQW-DFB-LD。16DFB半导体激光器的应用前景从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用。其应用领域如下：•高速数据传输系统需要高速激光器，高速激光器是超长距离、超大容量光纤通信系统的关键器件。•应用于光纤通信系统中作光源，为了突破单信道传输速率的局限充分利用单模光纤的带宽，可采用波分复用(WDM)和时分复用(TDM)技术，而波长稳定、精度可控的光源是实现WDM的关键。可调谐DFB激光器在WDM中作光源。•制冷型DFB激光器应用在密集波分复用(DWDM)系统和有线电视(CATV)传输距离远、频道数较多的情况中，在DWDM中采用DFB激光器作为光源。•无致冷的DFB激光器可应用于稀疏波分复用(CWDM)和有线电视(CATV)的HFC(光纤同轴电缆混合)网络的短距离传输。DFBLD结构图DFB激光器λ/4相移的DFB激光器18DBRLD结构图19无论DFB还是DBR激光器，所有光栅都必须满足布喇格反射条件：式中为光栅的周期长度，m为阶模，n为折射率，0为光波在真空中的波长。对于=1.55m的激光器来说，InGaAsP有源区折射率的典型值n=3.4，因此有：一级光栅：m=1，1=0.23m二级光栅：m=2，2=0.46mnm20202110Gb/sEAModulatorIntegratedDFBLDsforTrunkLineCommunications•Transmissionlength:100km•Feature:Lowpowerpenalty(1.5dB)&Widebandwidth(~14GHz)22耦合波理论由于光栅的引入，会造成波导层中介电常数的周期变化，从而会引起激光器中特定的激光模式的前向和后向波间的耦合。对这种周期波导结构中的光波耦合，有三种分析方法：•Kogelnik&Shank行波耦合波分析；•Yariv波导耦合波分析；•Dewanes、Hall、Cordero&S.Wang等人的Bloch波分析。23归纳起来，这三种分析方法可以等价为两种方法：•耦合波方法：规定边界条件，求出前向和后向耦合波方程的解；•Bloch波方法：假定结构无限长，求出Bloch波的本征解，之后再用于特定的条件。24根据Maxwell方程可推导出波动方程：222022202),,,(1),,,(1),,,(),,,(ttzyxPcttzyxEcttzyxEctzyxE若E和P是时间t的谐波场，则有：)exp(),,(),,,(tizyxEtzyxE)exp(),,(),,,(tizyxPtzyxP将上式代入(6-1)可得：),,()(),,()](1[),,(0200202zyxPkzyxEikzyxE(6-1)),,,(tzyxP可写为：),,()(),,(0zyxEzyxP式中式中为真空磁导率,0为真空介电常数，c为光速，k0为真空波数,()为介质的极化率。250)()]()(1[),,(0202rEikzyxE令式中)()(1~0i为介质的负介电常数，代入上式则得Helmhoth波动方程：0),,(),,(~),,(202zyxEkzyxzyxE(6-2)26在DFB或DBR激光器中，(x,y.z)是z的周期函数，因此可以将(x,y.z)是z改写为：),,(~),(~),,(~zyxyxzyx式中(x,y.)是(x,y.z)的平均值，是介电常数的微干扰项，只在光栅区才不为零。27无光栅时，=0，(6-2）式的通解为：)]exp()exp()[,(),,(ziEziEyxEizyxEbf式中Ef和Eb分别为前向波和后向波，为复数传播常数。20mmigknintggm是限制因子，g为有源区增益，为内部的纵损耗。28有光栅时，介电微扰0，由于Bragg光栅的衍射作用，前向和后向的振幅随周期变化，是以光栅周期为周期的函数，可展开成Fourier函数形式：b为Bragg波传播常数，为相位失配因子。当m=1时，为最小，此时其它项可忽略不计，这时满足Bragg反射条件，光场的前向和后向波传播过程中发生耦合。])2(exp[),(~),,(~1lziyxzyxllmbmbmb29在介电微扰作用下，将产生无穷级次各异的衍射，但在的Bragg波长附近，将有一对衍射振幅最大，且相位同步的正、反向传播的波存在，可分别表示为：可见，上式方括号中的每项都以为周期的周期函数。若将介电常数的周期变化加以考虑，就可望出现Bloch型的本征模。式中b=m/为Bragg波数，或叫Bragg传播常数，进一步推导可以得出：)exp()()(zizAzRb)exp()()(zizBzSb)))[exp(()exp()]exp()())[exp(()(21iqzzizBiqzziqrzizAzEbbb3031造成这种两个主模是由完全对称的、并且均匀分布的周期光栅造成的。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阈值增益差增大，采用如下方法：•在光栅中引进一个/4相移；•将解理面之一弄斜，或增透，造成非对称的端面反射率；•使距腔面之一的一小段形成无分布反馈的透明区；•对光栅周期进行适当啁啾。上述方法中，引进/4相移和不对称端面反射率两种方法较可行，并且有效。32设DFB激光器分左右两段。为简单起见，假定左右两段的折射率相同，两端的反射率也相同，即R1=R2。两段各在中心附近产生一个/4的相移：=/2左右区的折射率分别为：式中为光栅周期，n0为平均折射率，nm为折射率变化振幅，m为Bragg阶数。)2cos()(01mznnznm)2cos()(02mznnznm33DFB-Lasergeometricstructureofthefilmz2cosddzd10d0zpropagationconstanteffi201eff2002eff2nnjk2zcosnˆnk2knz÷×2÷z2cosnˆnz1effnrrefractiveindexvariationneffz34WaveEquation(Mathieu-Equation)0zEj2z2cos4zzE0222zjzj00ezBezAzEsolution:solutionforA,B0L2L2z|B(z)||A(z)|periodicstructureAB÷÷÷2LzssinhbB0÷÷÷2LzssinhaA035DFB-LasersolutionforphaseconditionLn2c21mffeffBmLn2cfeffBsolutionforamplitudeconditionffBfBm=0m=-1m=1m=-2g(f)m.LStandardDFB-structuredualwavelengthemissionm=+1m=-1ffBm=0g(f)shiftedDFB-structure4singlewavelengthemission36373839增益耦合DFB激光器•折射率耦合DFB-LD已经研究很久，它已经使用商品化。•对于增益耦合DFB，虽然对增益耦合和复耦合做了一些分析（在端面反射率为零的条件下），但实际器件直到1988年才问世，近期才引起人们的很大关注。•不管界面反射率是多少，增益耦合DFB-LD都能稳定的单纵模工作，而且具有高速，低啁啾的特性。404142InGaAsPDFBLD的特性一级光栅=240nm波纹深度D=30nm腔长L=300um室温阈电流Ith=30mAPout10mWd=30-40%/面T0=67K43光谱特性在所有温度范围内，全为单纵模工作，0是由光栅周期=m0/2所决定的。由n随T的变化所引起的0随T的变化：d0/dT=0.09nmC计入载流子浓度引起的n的变化，0的总变化为：d0/dT=0.1nm/CF-P腔激光器：d0/dT=0.5nm/C主边模抑制比MSR=10log(P0/P1)44DFBLaserMicroarray4546Multi-rangeWavelengthSelectableLDs•Foruseinback-up&add-dropinDWDMphotonicnetwork•DFB-LDsintegratedwithMMIcoupler,SOA,andEAmodulator•Compactsize(400m2840m)47LasingSpectrafor40-ChannelDifferent-WavelengthDFB/EAMs481.53－1.61m范围内的多波长光源特性EAM－DFB－LD个数：40个，:1527－1593nm。主边模抑制比35dB平均通道间隔：214GHz平均Ith=9.9mAPCW4mW(@100mA)消光比大而均