第三章-半导体激光二极管和激光器组件(2)

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因半导体材料固有特性受环境温 度的变化或者器件自身的老化等 因素，都会使DFB或DBR激光器 及其集成光源的激光工作频率 （或工作波长）随之漂移，由此 引 发 出 WDM 应 用 中 光 源 频 率 （或波长）的长期稳定性问题。
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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。
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3．2 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N 型，也可以是P型。
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在未来的通信和CATV共纤传输的 波 分 复 用 （ WDM ） 系 统 中 ， DBRLD 倍 受 青 睐 ， 因 为 具 有 DBRLD出色的宽带波长可调特性。
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3．3．3
光纤通信系统 对DFB LD和DBR LD的要求
随着大容量长距传输的DWDM系统 或城域网接入网的大量采用，对DFB LD 和DBR LD 提出更高要求，这些要求是窄 线宽、低啁啾、可调谐、波长可选择和 集成光源。尽管商用DFB或DBR LD的谱线 宽度已达到50MHz 以下，但在高速直接 调制时，器件仍存在内在的频率啁啾， 使激光谱线展宽。
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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。
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通过制作不同光栅周期的DFB LD 并通过一个光波导耦合便可输出多 具不同波长的光 （如图3-7所示），这样的多频道集 成化的激光器在多频道高速数据传 输中特别有用。此外，还可利用这 种激光器来实现混频。
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分布Bragg 反射器（DBR）激光二极管
尽管DFB LD 有很多优点，但并非尽善 尽美，例如，为了制作光栅， DFB LD 需要 复杂的二次外延生长工艺，在制作出光栅 沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉 已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全， 导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使LD 的内量子效率降低。
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3．2．2 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。
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1． 光的自发发射、受激吸收和受激发射
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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，射出的光便是激光 （相干光）
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3.2.3 LD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。
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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。
d 0.45 m
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2. 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：
2W 2 2 S ln 1 n4 n2
(3 4)
式中， n 4 为有源区因增益波导而产生的有 效折射率。当 S 1 时， 可以算出 W 10 m
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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。
d

2
n n
2 2
2 1
3 3
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式中 是峰值波长，对于
Ga0.7 Al0.3 As / GaAs DH LD 来说，有源层折射率 n2 3.56
，限制层折射率 n1 n3 3.40 ，若取波长 0.9 m ，则产生基 横模 M 1 的有源层厚度的条件是
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单片集成光源是包括DFB和DBR激光二 极管在内的所有半导体激光光源的发展 方向，它不仅保留DFB或DBR激光器工 作稳定的优点，而且避免与其他器件如 光波分复用器、EA调制器、光放大器等 单元的输出/输入光纤的损耗，同时还减 少各种单元器件的封装环节，降低器件 的价格。目前，不仅可实现数十个单元 DFB激光器的单片集成，而且还可实现 多个信道DFB激光器和EA调制器和/或放 大器等单元器件的单片集成。
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通过器件设计、材料生长、制备工艺等措施 来实现具有低啁啾的DFB 或DBR LD。为了 克服DFB或DBR LD 直接调制时存在的弱点， 也可采用外调制技术，最适合于DFB或DBR LD 的 外 调 制 器 是 电 吸 收 半 导 体 调 制 器 （EAM）。由于LD和电吸收调制器同属一种 InP材料，能够用光子集成技术，把DFB或 DBR和电吸收调制器单片地集成在一起，称 之为电吸收调制激光器。
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目前有可能实现动态单模的有短腔激 光器、耦合腔激光器、外腔激光器、 长腔激光器、注入锁定激光器和分布 反馈激光器 反射器激光器，其中分 布反馈激光器及分布Bragg反射器激 光器是光纤通信最有前途的实用化器 件。
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3．3 分布反馈激光二极管和 分布Bragg 反射器激光二极管
3．3．1 分布反馈激光二极管 分布反馈激光二极管型（DFB LD）和 F-P型激光二极管 的主要区别在于它没有 集总反射的谐振腔反射镜，它的反射机构 是由有源区波导上的Bragg光栅提供的， 这种反射机构是一种分布式的反馈机构， 因而得名分布反馈激光二极管。
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对DFB LD 来说，只有一个横模所对应的 Bragg波长才能落入自发发射光谱内。因此， DFB LD 具有很好的横模选择性能，容易实 现单横模工作。除此之外，DFB LD 的输出 是完全偏振的TE 波，而F-P 型LD 却输出不 完全偏振的TE波，因此，DFB-LD 具有比 F-P 型LD更好的偏振特性，故它的谱线宽 度非常的窄。 目前DFB LD 已成为中长距 离光纤通信应用的主要激光器，特别是在 1.3微米和1.55微米光纤通信系统中。在光 纤有线电视（CATV）传输系统中，DFB LD 已成为不可替代的光源。
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
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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。
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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（ VCSEL）；在按波导机制分类中，可 分为增益导引 和折射率导引LD；
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所发射的激光波长满足：
2neff m

m 0,1, 2
（3-7）
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这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振 腔的作用，它所发射的激光的波长，完全 由光栅的周期来决定。所以，有可能通过 改变光栅的周期来调整发射波长，甚至可 以使在自发发射的长波边或短波边附近激 射。这一点F-P型LD是不可能做到的，FP型LD的发射波长只能位于自发发射的中 心频率附近。由此可见相比，DFB LD和 F-P型LD相比，其发射频率的选择范围很 宽，可以在自发发射频率范围内自由地选 择发射波长。
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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 以极大改善激光二极管的性能。
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图3-8 示出DBR LD的示意结构 ，它和 DFB LD的差别在于它的周期性沟槽不在 有源波导层表面上，而是在有源层波导两 外侧的无源波导上，这两个无源的周期波 纹波导充当Bragg反射镜作用，在自发发 射光谱中，只有在Bragg 频率附近的光波 才能提供有效的反馈。由于有源波导的增 益特性和无源周期波导的反射，使只有在 Bragg 频率附近的光波能满足振荡条件， 从而发射出激光。
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1. 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 n 2 ，两个限制层的折射率 分别为 n1 和 n 3 ，且两个限制层的带隙 分别为 Eg1 和Eg 3 ，由于是对称的结构， 故 n1 n3 n2 ，Eg1 Eg 3 。垂直横模 M 1 的有源层厚度（ d ） 的截止条件为：