第三章-半导体激光二极管和激光器组件(2)

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1、第三章半导体激光二极管的应用和分类3.1半导体激光二极管的应用1激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光二极管（LD）倍受重视，最具实用价值的半导体LD是PN结电流注入的LD。在经历了降低阈值电流、横模控制、纵模控制和波长控制阶段之后，现在正向高速化、大功率化、二维和三维集成化方向以及超长波长和可见光两个波段延伸。2和其他激光器相比，半导体LD因具有体积小、重量轻、低功率（低电压、小电流）驱动、高效率输出、调制方便（可直接调制）、寿命长和易于集成等一系列优点而得广泛应用，表3－1列出半导体LD的部分应用，

2、光纤通信是这些应用中最重要的部分。3半导体LD在光纤通信中的应用主要包括：各种数据、图像等传输系统的发射光源；光纤CATV系统的光源；掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RFA）的泵浦源；未来全光通信网络诸如全光波长转换器、光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。4半导体激光二极管的分类：半导体的分类方法很多，有按结构分类，也有按波导机制分类，还有按（LD）的性能参数分类和按波长分类。在按结构分类中，可将LD分为法布里－珀罗（F－P）型、分布反馈（DFB）和分布反射器（DBR）LD、量子阱（QW）LD和垂直腔面发射激光器（VCSE

3、L）；在按波导机制分类中，可分为增益导引和折射率导引LD；5在按LD性能参数分类中，可分为低阈值LD、高特征温度（T0）LD、超高速LD、大功率LD、动态单模LD等；在按波长分类中，可分为可见光、短波长LD、长波长LD和超长波长LD（包括中、远红外波段）。在诸多分类法中，最基本的是结构分类。63．2法布里－珀罗型激光二极管3．2．1组成法布里珀罗（F－P）型激光二极管（LD）是最常见和最普通的LD，这种由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。光纤通信用的F－P型LD通常为双异质结（DH）LD，有源层可以是

4、N型，也可以是P型。7当DH结构LD施加正向偏置时，则电子从N型限制层，空穴从P型限制层注入到有源层。由于带隙差产生的异质结势垒的存在，注入到有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，因此容易实现粒子数反转，即使只有很小电流流过，薄有源层中的电子和空穴浓度也会很高。而且激光振荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度，所以有源层愈薄时，用很小的电流就可获得很大的增益。8另一方面，窄带隙有源层的折射率比限制层的折射率大，光向折射率大的区域集中，所以光也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导带跃迁到价带（或杂质能级），与

5、空穴复合释放出光子，这些光子在由两个解理面形成的谐振腔中往复反射传播不断加强而获得光增益，当光增益大于谐振腔的损耗时，便有激光向外射出，如图3－1所示。9103．2．2基本工作原理要实现半导体F－P型LD激射工作，必须满足四个基本条件：要有能实现电子和光场相互作用的工作物质；要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）；要有一个F－P谐振腔；要满足振荡条件。111．光的自发发射、受激吸收和受激发射12振荡条件:当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗时，经过谐振腔的选频作用。特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，射出的光便是

6、激光（相干光）133.2.3LD的模式及模式控制LD的模式是指能够在激光谐振腔内存在的稳定的光波的基本形式。在激光振荡时，光波在谐振腔内形成三种类型的驻波，即在两个异质结间形成的驻波、平行于有源层方向上形成的驻波和两个反射面间形成的驻波，如图3-4所示。1415两个反射面间形成的驻波称为纵模，其他两个驻波称为横模，垂直于有源层方向的横模称为垂直横模，平行于有源层方向的横模称为水平横模（侧向模式）。一般应用都要求LD在基横模单纵模下工作，所以必须进行模式控制。161.垂直横模的控制对于对称的三层平面波导的LD，有源层的折射率为，两个限制层的

7、折射率分别为和，且两个限制层的带隙分别为和，由于是对称的结构，故，。垂直横模的有源层厚度（）的截止条件为：17式中是峰值波长，对于来说，有源层折射率，限制层折射率，若取波长，则产生基横模的有源层厚度的条件是182.水平横模的控制水平横模（S）的数目取决于LD的条宽（W），以增益波导LD为例，水平横模S可表示为：式中，为有源区因增益波导而产生的有效折射率。当时，可以算出19由此可见，实现基横模工作的半导体激光器的关键是控制有源层厚度和激光器的条宽。最常用的基横模工作的半导体激光器结构有隐埋异质结(BH)、平面隐埋异质结（PBH）、双沟平面隐

8、埋异质结（DC-PBH）和脊形波导（RW）等结构，图3-5分别示出各种激光二极管的结构图。以这些结构为基础，将有源层改为量子阱结构或者在有源层刻制Bragg光栅，便成为一系列新型激光二极管，可