第一篇：有關(guān)雙異質(zhì)結(jié)激光器與量子阱激光器的基礎(chǔ)報(bào)告

有關(guān)雙異質(zhì)結(jié)激光器與量子阱激光器的基礎(chǔ)報(bào)告

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摘 要：異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體激光發(fā)展史上的重要突破,它的出現(xiàn)使光纖通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)并迅速發(fā)展。異質(zhì)結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)代高性能半導(dǎo)體光電子器件的典型結(jié)構(gòu),具有巨大的開發(fā)潛力和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器；量子阱激光器；泵浦

About double heterostructure lasers andreport on the basis of

quantum well laser

xxx

(xxxx)Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development.Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application value Key words: double heterojunction semiconductor lasers;Quantum well laser;pump 0 引言

雙異質(zhì)結(jié)激光器和量子阱激光器在我們的當(dāng)代

工作。圖表示出雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖和相應(yīng)的能帶圖在正向偏壓下，電子和空穴分別從寬帶的科研中都取得了一定的成績(jī)，有很多相關(guān)的資料

隙的N區(qū)和P區(qū)注進(jìn)有源區(qū)。它們?cè)谠搮^(qū)的擴(kuò)散又供我們查看和研究，這些驚人的成就給我的生活帶

分別受到P－p異質(zhì)結(jié)和N－p異質(zhì)結(jié)的限制，從而來的巨大的改變，我們作為新一代的基礎(chǔ)人員，有

可以在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平義務(wù)去發(fā)展，將這些激光器的研究壯大和深入。

衡載流子濃度。同時(shí)，窄帶隙具有源區(qū)有高的折射率與兩邊低折射率的寬帶隙層構(gòu)成了一個(gè)限制光子在有源區(qū)內(nèi)的介質(zhì)光波導(dǎo)。

異質(zhì)結(jié)激光器激光器 的供應(yīng)商是半導(dǎo)體半導(dǎo)體 的供應(yīng)商激光發(fā)展史上的重要突破,它的出現(xiàn)使光纖光纖 的供應(yīng)商通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)并迅速發(fā)1 雙異質(zhì)結(jié)基本結(jié)構(gòu)

雙異質(zhì)結(jié)基本結(jié)構(gòu)是將有源層夾在同時(shí)具有寬帶隙和低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，以便在垂直于結(jié)平面的方向（橫向）上有效地限制載流子和光子。用此結(jié)構(gòu)于1970年實(shí)現(xiàn)了GaAlAs／GaAs激射波長(zhǎng)為0.89 μm的半導(dǎo)體激光器在室溫下能連續(xù)展。異質(zhì)結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)代高性能半導(dǎo)體光電子器件的典型結(jié)構(gòu),具有巨大的開發(fā)潛力和應(yīng)用價(jià)值.異質(zhì)結(jié)激光器的“結(jié)”是用不同的半導(dǎo)體材料制成的，采用異質(zhì)結(jié)激光器的目的是為了有效地限制光波和載流子，降低閾值電流，提高效率。

1.1 泵浦的簡(jiǎn)單介紹

泵浦(pump)，即泵，又名幫浦、抽運(yùn)；與泵不同的是，泵浦一詞主要出現(xiàn)于激光領(lǐng)域。在激光中，外部能量通常會(huì)以光或電流的形式輸入到產(chǎn)生激光的媒質(zhì)之中，把處于基態(tài)的電子，激勵(lì)到較高的能級(jí)高能態(tài)（人們用“泵浦”一詞形容這一過程(如同把水從低處抽往高處))，物理學(xué)家將這種狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)(excited state)。是指給激光工作物質(zhì)提供能量使其形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程

半導(dǎo)體泵浦固體激光器的種類很多，可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。不同種類的激光器工作原理也不太相同，下面主要介紹端面泵浦固體激光器和側(cè)面泵浦固體激光器兩種。

1、端面泵浦固體激光器端面泵浦方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是容易獲得好的光束質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)高亮度的固體激光器。端面泵浦的效率較高。這是因?yàn)?在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)對(duì)泵浦光的使用率也相對(duì)高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波長(zhǎng)匹配的優(yōu)點(diǎn)近年來在國(guó)際上發(fā)展極為迅速，已成為激光學(xué)科的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。它在激光打標(biāo)、激光微加工、激光印刷、激光顯示技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域都有廣泛的用途，具有很大的市場(chǎng)潛力。

2、側(cè)面泵浦固體激光器側(cè)面泵浦（Side Pump）固態(tài)激光器激光頭是由三個(gè)二極管泵浦模塊圍成一圈組成泵浦源，每個(gè)泵浦模塊又由3個(gè)帶微透鏡的二

極管線陣組成。每個(gè)線陣的輸出功率平均為20W輸出波長(zhǎng)為808nm。該裝置采用玻璃管巧妙地設(shè)計(jì)了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分鍍有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°鍍有三條808nm增透膜，這樣便形成了一個(gè)泵浦腔。半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的光經(jīng)過三對(duì)光束整形透鏡會(huì)聚到這三條鍍?cè)鐾改さ莫M長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，然后透過玻璃管的管壁，被晶體吸收。由于玻璃管大部分區(qū)域鍍有高反膜，使得泵浦光進(jìn)入泵浦腔以后，便在其中來回的反射，直至被晶體充分地吸收，而且在晶體的橫截面上形成了均勻的增益分布。

1.2 異質(zhì)結(jié)激光器的設(shè)計(jì)思路

制造激光器首先要有產(chǎn)生光的源，最重要的是要使粒子束翻轉(zhuǎn)，這樣才能夠產(chǎn)生受激輻射，產(chǎn)生受激輻射光，在諧振腔作用下產(chǎn)生最后的激光。用異質(zhì)結(jié)制作的半導(dǎo)體激光器可以把載流子限制在發(fā)光區(qū)，使大量的將要復(fù)合的電子和空穴沉積在窄帶上，翻轉(zhuǎn)的粒子束大于普通的半導(dǎo)體激光器。ALGaAs+ｎ和ALGaAs+ｐ是寬帶中間是GaAs窄帶，加正向偏壓的情況下從ALGaAs+ｎ的導(dǎo)帶越過尖勢(shì)壘向GaAs注入電子，電子由于受到同型異質(zhì)結(jié)ALGaAs+ｐ的勢(shì)壘的作用在窄帶處沉積，當(dāng)然有少量的電子越過勢(shì)壘跑掉了。同樣在價(jià)帶處，空穴從ALGaAs+ｐ注入到窄帶中，受到ALGaAs+ｎ勢(shì)壘的作用后沉積在窄帶。那么在GaAs上形成了粒子束的反轉(zhuǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)兩邊的寬帶限制了載流子的運(yùn)動(dòng)，稱為限制區(qū)。中間是實(shí)現(xiàn)粒子復(fù)合的區(qū)域成為有源區(qū)。和同質(zhì)結(jié)激光器相比，異質(zhì)結(jié)激光器由于寬帶對(duì)有源區(qū)的限制，使發(fā)光的位置僅限于了有源區(qū)，使發(fā)光的區(qū)域集中，光強(qiáng)更大。雙側(cè)的異質(zhì)結(jié)在兩邊提供了限制，單邊異質(zhì)結(jié)只能提供一邊的限制。導(dǎo)帶中的電子為了能夠達(dá)到激射閾值需要注入2×1018/cm2個(gè)，為了能夠在源區(qū)限制住這些電子需要有一定高度的勢(shì)壘，這個(gè)勢(shì)壘高度就是由結(jié)區(qū)的內(nèi)建電勢(shì)和ΔE共同決定的。電子基本處于Γ帶中，其相鄰的L帶還有一部分在DEｃ下,X帶的載流子都可以越過勢(shì)壘。同樣為了限制空穴要求提高價(jià)帶的勢(shì)壘，但是提高勢(shì)壘會(huì)導(dǎo)致電子注入減小，這是不允許的，所以要有一個(gè)中間的度。能量高過勢(shì)壘的電子和空穴都會(huì)漏掉。

另外由于限制區(qū)摻了Al，折射率減小，有源區(qū)中輻射的光子在有源區(qū)中損耗很大，如果生長(zhǎng)一層摻雜很大的蓋帽層能夠?qū)崿F(xiàn)很好的歐姆接觸。制造量子阱激光器是半導(dǎo)體激光器的重要一支，要使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增大，這樣就需要多造出量子阱。多造出一些量子阱，使有源區(qū)的面積擴(kuò)大，但這樣會(huì)增加制造的難度，主要是導(dǎo)帶和價(jià)帶的量子阱要在同一個(gè)平面內(nèi)，這個(gè)在數(shù)量大時(shí)不容易實(shí)現(xiàn)。量子阱激光器的輻射復(fù)合是發(fā)生在價(jià)帶和導(dǎo)帶中分裂能級(jí)中的粒子。在分裂能級(jí)中態(tài)密度階梯變化。由于分裂的能帶不再是原來的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，因此復(fù)合的能級(jí)會(huì)加大，出現(xiàn)激光的波長(zhǎng)藍(lán)移，通常有，一般勢(shì)阱寬度小于電子空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度所以都限制在勢(shì)阱中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的量很大。

1.2 異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)

A.單異質(zhì)結(jié)激光器與雙異質(zhì)結(jié)激光器（從材料）GaAs材料與GaAl材料

Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中摻入AlAs而形成，叫作砷鎵鋁晶體，1-x,x是指AlAs與GaAs的比例。

B.反型異質(zhì)結(jié)與同型異質(zhì)結(jié)（從導(dǎo)電類型）反型：如n-GaAs與p-GaAlAs or p-GaAs與n-GaAlAs 同型：如p-GaAs與p-GaAlAs or n-GaAs與n-GaAlAs 1.4 異質(zhì)結(jié)激光器的能帶關(guān)系

p、n型不是簡(jiǎn)并型，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)之前熱平衡狀態(tài)下當(dāng)形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，電子np空穴pn直到兩半導(dǎo)體有相等的，異質(zhì)結(jié)即處于平衡狀態(tài)。與p-n結(jié)一樣，在兩種半導(dǎo)體材料上界面的兩側(cè)形成空間電荷區(qū)。N型半導(dǎo)體一邊為正電荷，P型半導(dǎo)體一邊為負(fù)電荷，這就是異質(zhì)結(jié)區(qū)（阻擋層）。由于內(nèi)建場(chǎng)的存在，使電子具有了附加電位能，因而使空間電荷區(qū)的能帶發(fā)生了彎曲（基本與p-n結(jié)的形成相同的）。區(qū)別：由于禁帶Eg不同，因而在兩材料的上界面附近其能帶出現(xiàn)與p-n結(jié)不同的特點(diǎn)：一能帶在這

界面處的變化是不連續(xù)的。

1.在導(dǎo)帶底，能量突變 △Ec，在這里形成“光路”。

2.在價(jià)帶底，能量突變△Ev, 在這里形成“凹口”。

3.導(dǎo)帶的勢(shì)壘與價(jià)帶不同，導(dǎo)帶勢(shì)壘低，而價(jià)帶勢(shì)壘高。

4.當(dāng)n區(qū)的電子進(jìn)入p區(qū)時(shí)所遇到的阻力要大。

當(dāng)p區(qū)的空穴進(jìn)入n區(qū)時(shí)所遇到的阻力要小。

5.勢(shì)壘的減低和增高與 △Ec·△Ev 有關(guān)，即與兩材料的禁帶寬度Eg1Eg2之差有關(guān)。

1.5 輸出與泵浦的關(guān)系

對(duì)任何激光器，首先要求的是輸出一定的能量或功率。輸出能量或功率的大小，取決于激光器的結(jié)構(gòu)以及工作物質(zhì)和泵浦能量的大小。泵浦能量必須大于激光器的閥值能量，而且超過閥值能量愈多，光輻射的能量愈大。

圖3-1a和b分別表示出紅寶石激光器和玻璃激光器輸出能量Ea與泵浦能量E6之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。利用圖示關(guān)系曲線，可以估算出所要求的泵浦能量，從而確定電源的功率和應(yīng)采取的合理方案。激光器的非線性

2.1 基礎(chǔ)介紹

半導(dǎo)體激光器以其體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高且價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的極大關(guān)注，取得到了驚人的發(fā)展。

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合半導(dǎo)體激光器輸出狀態(tài)是不同的，有時(shí)候需要穩(wěn)態(tài)輸出運(yùn)行，有時(shí)候又需要工作在脈沖輸出狀態(tài)，當(dāng)然在現(xiàn)代的光保密通信中，它又要實(shí)現(xiàn)混沌的輸出。對(duì)控制半導(dǎo)體激光器不同輸出狀態(tài)做一些討論分析，有利于人們控制半導(dǎo)體激光器不同的輸出狀態(tài)

在沒有外部擾動(dòng)時(shí)半導(dǎo)體激光器, 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過閾值（當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流低于閾值電流時(shí)，激光器輸出光功率近似為零，LD幾乎不發(fā)光）時(shí)，激光器的輸出會(huì)由于啟動(dòng)狀態(tài)經(jīng)歷短暫的馳豫振蕩，然后很快就達(dá)到穩(wěn)定的輸出，要使激光器產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出如周期態(tài)，混沌態(tài)輸出，必須至少再增加一個(gè)自由度，典型的增加自由度的方式有外部電流調(diào)制，外部光注入，外部光反饋，光電反饋等, 通過控制擾動(dòng)的強(qiáng)度，就可使激光器呈現(xiàn)不同的輸出狀態(tài)。其中尤其以光反饋方式最為常見。本文以光反饋結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器理論模型為例，通過仿真分析了不同外部光反饋強(qiáng)度對(duì)半導(dǎo)體激光器非線性行為的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器非線性動(dòng)力學(xué)輸出控制具有重要意義。

2.2 理論結(jié)果

基于光反饋型半導(dǎo)體激光器的理論模型，數(shù)值分析討論了不同反饋?zhàn)⑷霃?qiáng)度下的激光器非線性動(dòng)力學(xué)輸出。結(jié)果表明：當(dāng)反饋系數(shù)kt≤0.39ns-1時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)輸出；0.39ns-1≤kt≤1.2ns-1時(shí)，系統(tǒng)處于周期過渡態(tài)；當(dāng)反饋系數(shù) kt1.2ns-1時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)混沌態(tài)輸出。這對(duì)根據(jù)需要控制半導(dǎo)體激光器的輸出具有指導(dǎo)意義。量子阱激光器

量子阱激光器是有源層非常薄，而產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。根據(jù)有源區(qū)內(nèi)阱的數(shù)目可分為單量子阱和多量子阱激光器。量子阱激光器在閾值電流、溫度特性、調(diào)制特性、偏振特性等方面都顯示出很大的優(yōu)越性，被譽(yù)為理想的半導(dǎo)體激光器，是光電子器件發(fā)展的突破口和方向。

3.1 量子阱激光器的工作原理

在普通的雙異質(zhì)結(jié)激光器中，因?yàn)橛性磪^(qū)的三維尺寸都遠(yuǎn)大于電子平均自由程，因而電子的態(tài)密度函數(shù)為拋物線型，當(dāng)載流子被限制在寬度與其德波羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或更小的阱中時(shí)，則其態(tài)密度函數(shù)為類似階梯形。如圖1（a）所示，載流子復(fù)合躍遷將發(fā)生在各量子能級(jí)之間，在一般情況下受選擇定則支配。此時(shí)注入電子的分布與峰值增益分布如圖1（b）（c）所示。如果不考慮其他因素的影響，載流子運(yùn)動(dòng)受限越強(qiáng)，其閾值電流應(yīng)越低。

3.2 量子阱激光器的結(jié)構(gòu)

通常使用的量子阱激光器其勢(shì)阱和勢(shì)壘寬度在l0rnm左右。載流子和光波的橫向限制，則如常規(guī)異質(zhì)結(jié)一樣，可采用不同的條形結(jié)構(gòu)（見條形半導(dǎo)體激光器）。圖2（a）所示的是質(zhì)子轟擊條形結(jié)構(gòu)的多量子阱激光器的結(jié)構(gòu)，圖2（b）還表示出了量子阱中的光躍遷。

3.3 量子阱激光器的特點(diǎn)

同常規(guī)的激光器相比，量子阱激光器具有以下特點(diǎn)：

1.在量子阱中，態(tài)密度呈階梯狀分布，量子阱中首先是Elc和Elv之間電子和空穴參與的復(fù)合，所產(chǎn)生的光子能量hv=Elc-Elv>Eg，即光子能量大于材料的禁帶寬度。相應(yīng)地，其發(fā)射波長(zhǎng)凡小于所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，即出現(xiàn)波長(zhǎng)藍(lán)移。

2.在量子阱激光器中，輻射復(fù)合主要發(fā)生在Elc和Elv之間，這是兩個(gè)能級(jí)之間的電子和空穴參與的復(fù)合，不同于導(dǎo)帶底附近的電子和價(jià)帶頂附近的空穴參與的輻射復(fù)合，因而量子阱激光器光譜的線寬明顯地變窄了。

3.在量子阱激光器中，由于勢(shì)阱寬度Lx通常小于電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Le和Ln，電子和空穴還未來得及擴(kuò)散就被勢(shì)壘限制在勢(shì)阱中，產(chǎn)生很高的注入效率，易于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其增益大大提高，甚至可高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.量子阱使激光器的溫度穩(wěn)定條件大為改善，AIGalnAs量子阱激光器的特征溫度可達(dá)150K，甚至更高。因而，這在光纖通信等應(yīng)用中至關(guān)重要。

3.4 量子阱激光器的兒發(fā)展

為了進(jìn)一步改善量子阱激光器的性能，人們又在量子阱中引入了應(yīng)變和補(bǔ)償應(yīng)變，出現(xiàn)了應(yīng)變量子阱激光器和補(bǔ)償應(yīng)變量子阱激光器。應(yīng)變的引入減小了空穴的有限質(zhì)量，進(jìn)一步減小了價(jià)帶間的躍遷，從而使量子阱激光器的閥值電流大為降低，量子效率和振蕩頻率大大提高，并且由于價(jià)帶間的躍遷的減小和俄歇復(fù)合的降低而進(jìn)一步改善了溫度特性，實(shí)現(xiàn)了激光器無致冷工作。在阱和壘中分別引入不同應(yīng)變（張應(yīng)變/亞應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)應(yīng)變補(bǔ)償，不僅能改善材料質(zhì)量，從而提高激光器的壽命，而且可利用壓應(yīng)變對(duì)應(yīng)于TE模式、張應(yīng)變對(duì)應(yīng)于TM模式的特性，制作與偏振無關(guān)的半導(dǎo)體激光器的集成。

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