分布反馈式半导体激光器

半导体激光器及其应用调研报告课程题目分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用学院光电技术学院班级电科一班姓名李俊锋学号 **********任课教师张翔2013年 5 月 15 日分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用李俊锋2010031029摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。

自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。

关键字: DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。

目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。

DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。

2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。

b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。

c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。

d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。

e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。

二、分布反馈式半导体激光器原理分布反馈式半导体的能带结构。

半导体材料多是晶体结构。

当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。

价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。

与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。

当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。

同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。

因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

掺杂半导体与p-n结。

没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。

如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。

在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。

而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。

因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。

半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2－5）×1018cm-1；p型为（1－3）×1019cm-1。

在一块半导体材料中，从p 型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。

其交界面处将形成一空间电荷区。

n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n 区扩散。

这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p 型区由于是受主而带负电。

在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。

此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

p-n结电注入激发机理。

若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。

显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。

这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

图中光栅的周期为A，称为栅距。

当电流注入激光器后，有源区内电子—空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。

在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。

满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。

式也称为分布反馈条件（一般m取1）。

三、分布反馈半导体激光器反馈方式普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。

因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。

实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。

分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。

因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。

在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。

与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。

在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD 恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。

也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。

四、分布式反馈激光器的制造技术DFB激光器的光栅结构通常在波导表面掩膜，刻蚀形成。

但是，在制造过程中产生的晶格损伤会降低量子效率，增大阈值电流。

避免晶格损伤产生的影响：将光栅和激光器有源层分开。

主要提供了三种方法。

方法1：利用扩散方法➢ 1.在衬底GaAs上利用离子束刻蚀形成三阶光栅➢ 2.P区掺杂Zn➢ 3.在交界面1um下产生p-n结方法2：利用separate confinement heterojunction 结构➢ 1.注入的电子被p-Ga0.83Al0.17As➢2限制在有源层➢ 3.光子传播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面➢ 4.有源区不受晶格损伤的影响方法3：利用水平耦合结构➢ 1.光通过横向和水平方向消逝场的重叠部分来提供光反馈➢ 2.耦合系数k与脊的深度有关➢ 3.发射波长为9217埃，阈值电流为11mA五、分布式反馈激光器特点与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。

（1）动态单纵模窄线宽输出1、线宽窄：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。

2、典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到2埃，约 50 GHz，而带有光栅结构的DFB的线宽约为50–100 kHz。

3、目前商用的DFB激光器在1.55μm处的线宽小于25埃。

由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。

（2）波长稳定性好1、传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响。

2、DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。

3、分析：（1）波长漂移：4、端面反射激光器：3.7埃/摄氏度5、DFB激光器：0.8埃/摄氏度（3）阈值电流：在m=0时，J端=JDFB1、但J1=3J0，并且在模式转换处阈值电2、流急剧增加（由增益曲线和激光模式3、在此温度下不匹配导致的）由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8Å/℃，比F—P腔激光器要好得多。

在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模4、在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期决定。

5、当 l 阶模和 l±1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。

尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。

例如，为了制作光栅，DFB激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造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，从而使激光器的内量子效率降低。

此外，DFB激光器的震荡频率偏离Bragg频率，故其阈值增益较高。

DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽。

六、分布式反馈激光器实际工程系统中的应用分布反馈式半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于)1Gh/。