半导体激光器
本部分介绍半导体激光器结构、效果
结构
典型的半导体激光器包括有源区、光谐振腔。另外，为了实现高效稳定的激光输出，通常还会进一步优化。例如，加频率选择元件、光束方向选择元件等。
- 有源区，也称激活区，为实现粒子数反转、有光增益的区域。
- 反馈装置，图中两端腔面构成光学谐振腔，提供正反馈。
- 频率选择元件，通常会用到选模、相位光栅等滤波特性来实现。
- 方向选择器，具有良好的方向性选择功能的元件，进行输出方向选择。
- 光波导，用于引导激光在激光器内部传输，主要影响光场的横向模式。
F-P 腔激光器
其需要满足幅度条件、相位条件。
幅度条件及阈值条件，使激光器成为阈值器件，受激辐射形成的光子克服损耗后仍然可以不断加强的条件，满足如下关系式：
其中，\(\gamma_{th}\) 为阈值时增益系数。\(\alpha\) 谐振腔内部工作物质的损耗系数，L，谐振腔腔长，R，谐振腔两镜面反射率之积。
相位条件使激光器的受激辐射光波在某一点位置通过谐振腔往返后形成同向相干，决定了只有某些特定的模式才可以形成稳定的激光振荡，其满足如下关系。
其中 \(\beta\) 光波的相移系数，L 谐振腔腔长。\(\beta\) 是与波长有关的，从而使只有确定波长的光才能在谐振腔内建立起稳定的振荡，使振荡器发射谱呈现谱线尖锐的模式结构。
分类
按制作激光器的材料分类，可以分为短波长波段、长波长波段。按垂直于 PN 结方向的结构分类，可以分为
同质结：早期研制的一般采用同质结构。同质结是在 PN 结两边使用相同的半导体材料。
它有两个问题，一，首先是对光波的限制不完善，二，其次是对载流子的限制不完善。
异质结：可以分为单异质结或双异质结。双异质结 DH 是窄带系有源区材料被夹在宽带系材料之间构成的。由于双异质结激光器在有源区两侧既限制了载流子又限制了光波，所以它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低。
双异质结作用包括：一，带隙差对载流子有限制作用；二，折射率差对光子有限制作用。
按平行于 PN 结方向的结构分类可以分为两种，
宽面结构激光器，在整个 PN 结面积上均有电流通过的结构是宽面结构。
条形激光激光器，只有 PN 结中部和解离面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形激光器主要优点是阈值电流低，发热少，利于散热，可以改善光谱特性，但受带条宽限制，不易做大功率输出。条形激光器又可分为台面条形激光器、平面条形激光器、隐埋条形激光器。
按激射光束与 PN 结平面的关系分类。
平行或垂直关系可以分为边发射、侧面出光和面发射、正面出光结构。具体如下。
边发射结构，沿着有源结平面提取光的结构。条形半导体激光器一般采用这种结构。
面发射结构，表面发射光的结构。它的发射结构分为水平腔和垂直腔结构。
垂直腔面发射激光器，VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser。若使腔长特别短，则纵模间隔就很大，可以使增益谱内只有一个波长而获得单纵模，多用于阵列波导，其典型结构如下。其优点为：
- 发射效率高，例如 850nm，10mA 电流可以对应于 1.5mW 功率。
- 发射圆形光束，耦合效率高。
- 阈值电流极低，工作电流也不高。
- 可通过短腔（5-10 μm）实现单纵模工作。高温度稳定性，两百兆速率下应用可不需要 APC。调制性能好，高工作速率达 3 Gbps 以上。易集成，低价格，高产量。
DFB 和 DBR 激光器
分布反馈 DFB 激光器和分布布拉格反射 DBR 激光器，均采用布拉格反射器构成光反馈。
光反馈腔的具体构成为：采用周期性波导，通过合理设计形成单纵模输出。通过改变其周期可以获得不同的工作波长。在实际设计中，周期的光波导类似于光栅的性能，其材料折射率在一维方向上呈周期性变化。有源层内受激辐射产生的光子提供周期性反馈，从而形成相干加强，提供更好的单纵模输出。在高速通信系统中的应用广泛。
分布反馈 DFB 激光器和分布布拉格反射 DBR 激光器类似，其区别为 DBR 激光器将波导进行分级设计，周期性的波导放在有源区波导的两侧，这样周期波导构成的反馈腔不会影响到有源区，同时还可以实现 DFB 激光器的性能。
它们的优势具体列举如下：
- 单纵模振荡特性好。由于反射激光的光谱和光波导的周期相关，每一个周期形成一个微型谐振腔，多个谐振腔的选模作用，比较容易设计好的单纵模振荡特性，这在高速调制时具有优势。
- 输出线性度好。通过优化可以设计出具有良好线性度的输出光特性。
- 线宽窄。布拉格反射功能类似于多级调谐，可以使谐振波长的线宽大大提高，相比于 FB 激光器可以有一个量级的提高。
- 波长选择性好。DFB 激光器发射波长由光栅周期决定，不同模间的间隔比增益谱宽要大，所以特定波长的辐射可以获得大的增益，从而 DFB 激光器更容易实现良好的波长选择性。
- 波长稳定性好，因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使其温度漂移很小。
- 动态单纵模特性小，高速调制下保持单模振荡，虽然动态谱宽会比静态谱宽宽，但较 FP 腔 LD 展宽小得多。
量子阱激光器
量子阱激光器，QW，Quantum Well，激光器是有源区的结构被设计为量子阱结构。是一种窄带隙量子阱，有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交体重叠生长的激光器。是一种有源层厚度非常薄，厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光器。可以获得更加良好的特点，如阈值电流低、线宽变窄、动态单纵模特性好等。
具体优点是：阈值电流低，输出功率高，可达到 0.55 毫瓦；光谱宽度窄；频率啁啾改善。调制速率高；波长可调谐；温度特性好。
性质
发射波长
半导体激光器的发光波长与其所构成材料的带隙特性密切相关。对于通信波段，具体材料和波长有。
GaAs/GaAlAs: 850nm, 短波长半导体激光器，
InGaAsP/InP: 1100nm-1700nm 长波长半导体激光器。
P-I 特性
半导体激光器 LD 存在阈值电流 \(I_th\)，是一个阈值器件，其注入电流和输出功率关系称为 P-I 特性曲线。LD 工作状态随注入电流的不同而不同。
当注入电流较小时，小于阈值电流，激活区不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，器件发出微弱的自发辐射光。另外，谐振腔增益也不足克服损耗，不能在腔内建立起振荡。
只有当注入电流大于入阈值电流时，器件进入受激辐射状态，光功率输出迅速增加，才能产生输出功率较强的激光。此时 LD 输出功率与注入电流基本保持线性关系。注入电流通常用毫安表示，光功率的单位为毫瓦，但实际工程应用中通常用分贝毫瓦（dBm）来表示。
温度特性
半导体激光器的 P-I 特性对温度很敏感。阈值电流与温度的关系可表示为，
其中 T 为器件的绝对温度，\(T_0\) 为激光器的特征温度，\(I_0\) 为常数。
随着温度的升高，激光器呈现如下特性：阈值电流增大，发光功率降低，外微分量子效率下降，峰值波长向长波长方向移动。
模式特性
从半导体激光器的结构可以知道，当注入电流大于阈值电流时，激光器呈一定的模式振荡。与一般的介质波导不同的是，激光器不是无限长波导，而是波导谐振腔。在纵向时，光场不是以行波的形式传输，而是以驻波的形式振荡。因此，在分析激光器的模式时，往往用横波表示谐振腔横截面上场分量的分布形式，而以纵模表示在谐振腔方向上光波的振荡特性，即激光器发射的光谱的性质。
纵模定义
激光器的纵模反映激光器的光谱特性。当注入电流低于阈值时，光谱是自发辐射谱，输出荧光光谱。当注入电流高于阈值时，输出激光。
纵模间隔
在谐振腔里建立起稳定振荡的相位条件是：
式中：L 是谐振腔的长度；q 为纵模模数
可得到纵模间隔
问题
此处如何求得，过程未知
纵模性质
纵模数随注入电流而变。一般来说，当注入电流刚达到阈值时，激光器呈多纵模振荡。随注入电流的增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模数减少。
峰值波长随温度变化。半导体激光器的发射波长随结区温度变化而变化。当结温升高时，半导体材料的禁带宽度变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。
动态谱线随温度变化。对激光器进行直接强度调制会使发射谱线增宽，振荡模式增加。因为激光器进行脉冲调制时，注入电流不断变化，使有源区里载流子浓度随之变化，导致折射率随之变化。激光器的振荡频率发生漂移，动态谱线变宽。调制速率越高，调制电流越大，谱线展宽也越多。半导体激光器动态谱线的增宽对高速率单模光纤通信是非常不利的。目前在高速调制下仍保持单纵模性能的激光器有：分布反馈激光器 DFB-LD、分布布拉格反射激光器 DBR-LD、耦合腔半导体激光器和外腔半导体激光器等。
横模
横模表示与谐振方向垂直的光场分布。其分类有垂直横模、水平横模。
垂直横模垂直于 PN 结方向的场分量，
水平横模平行于 PN 结方向的场分量。
横模分布决定了光场的空间分布，影响器件和光纤的耦合效率。通常通信系统要求激光器工作在基横模状态。
效率
激光器的电光转换效率可以有如下几种表示方法：
- 功率效率 P：定义为激光器输出光功率 \(P_{ex}\) 与注入激光器的电功率 \(P_{in}\) 之比。
- 内量子效率 i：定义为有源区里每秒钟产生的光子数与有源区里每秒钟注入的电子空穴对数之比。
- 外微分量子效率 \(\eta_D\) 定义为：
调制特性
半导体激光器的直接调制，由于其存在阈值电流，在实际的调制电路中，为提高响应速度及不失真，需要进行直流偏置处理。
在高速调制情况下，半导体激光器会出现许多复杂动态性质，如出现电光延迟、张弛振荡和自脉动等现象。这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。
| 工作波长 \(\lambda/\mu m\) | 1.3 | 1.55 |
|---|---|---|
| 谱线宽度 \(\Delta\lambda\)/nm | -- | -- |
| 连续波单纵模 | \(10^{-4}～10^{-3}\) | -- |
| 直接调制单纵模 | 0.04~0.5 （1Gb/s，RZ） | -- |
| 边模抑制比/dB | 30~35 | -- |
| 频谱漂移/（nm/℃） | < 0.08 | -- |
| 阈值电流 \(I_{th}\)/mA | 15~20 | 20~30 |
| 外量子效率 \(\eta_d\)/％ | 20 | 15 |
| 输出功率 P/mW（连续单纵模，25℃） | 20~40 | 15~30 |
注意
表格存在缺漏