半导体光子学第7章.ppt

第七章分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器Chapter 7DFB、QW VCSEL Lasers 7.1 DFB（DBR）激光器 7.1.1 器件结构 7.1.2 耦合波理论 7.1.3 DFB LD的特性 7.2 量子阱激光器（QW LD） 7.2.1 超晶格与量子阱 7.2.2 量子化能级和子带 7.2.3 阶梯状态密度分布 7.2.4 量子阱激光器工作原理 7.2.5 SQW和MSQ 7.2.6 量子阱激光器的特性 7.3 VCSEL（面发射激光器） 7.3.1 阀值电流 7.3.2 量子效率 7.3.3 纵模行为 7.1 DFB（DBR）激光器 7.1.1 器件结构 分布反馈激光器 DFB：Distributed Feedback 光栅为内光栅，光栅在有源层内的波导层上。 分布布喇格反射激光器 DBR：Distributed Bragg Reflector 光栅在有源层两端外的波导层上形成。 DFB-LD和DBR-LD 结构图 （a）DFB激光器 （b）?/4相移的DFB激光器 10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line Communications Transmission length: 100 km Feature: Low power penalty (1.5 dB) Wide bandwidth (~14 GHz) 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： (7-1) 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 ?m 7.1.2 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： 1, Kogelnik Shank 行波耦合波分析； 2, Yariv 波导耦合波分析； 3, Dewanes、Hall、Cordero S. Wang 等人的Bloch 波分析。 归纳起来，这三种分析方法可以等价为两种方法： 1, 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； 2, 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。 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l=m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。 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。 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阀值增益差增大，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。 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 (7-22) 左右区的折射率分别为： (7-23)