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半导体激光器的设计和工艺

半导体激光器的设计和工艺

luhaifeng006
2009-04-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《半导体激光器的设计和工艺pdf》,可适用于工程科技领域

半导体激光器的设计和工艺黄永箴中国科学院半导体所光电子研发中心集成光电子国家重点实验室一半导体激光器的基本结构•半导体双异质结构•FabryPerot谐振腔(纵模)•侧模控制(基侧模)•横模控制•动态单模半导体激光器•波长可调谐半导体激光器•长波长VCSEL的进展•微腔激光器和光子晶体•半导体激光器材料的选择二半导体光波导•平板波导的模式TE和TM模•光限制因子和模式增益•一维多层波导结构(VCSEL)光场分布•半导体激光器镜面反射系数•DFB激光器的藕合模理论•DFB半导体激光器的一维模拟•等效折射率近似•数值模拟三半导体中的光跃迁和增益•费米分布函数及跃迁速率•电子波函数及跃迁矩阵元•简约态密度及增益谱•模式的自发辐射速率•应变量子阱的能带和增益谱数值结果•能带跃迁矩阵元和增益谱数值结果•增益谱峰值的近似表达式四速率方程和动态效应•.单模速率方程及基本物理量•.稳态输出•共振频率和dB带宽•载流子输运效应对带宽影响•开启延迟时间•线宽增宽因子和动态频率啁啾•自发辐射引起的噪声•相对强度噪声•模式线宽•多模速率方程五半导体激光器的基本工艺和特性半导体激光器的工艺过程激光器微分特性激光器寿命激光器阈值电流的温度特性一半导体激光器的基本结构•半导体双异质结构双异质结构实现:载流子的超级注入光场限制载流子限制(a)单面注入和超级注入(b)电场下电子的漂移(c)电子和光限制(d)隧穿第一个室温连续的电注入双异质结构半导体激光器(年)以及半导体激光器阈值电流密度随时间的变化•年第一支RTCWGaAsAlGaAsDHLD:ZAlferov,IEEEJSTQE,vol,p()(第一支RTCWµmGaInAsPInPLD,JJAP,vol,p,)FabryPerot谐振腔(纵模)•rrexp(iβlgl)rrrexp(iβlgl)exp(iβlgl)rrexp(iβlgl)=l阈值条件:rrexp(gl)=谐振条件:βl=mπ(m纵模数,β=πnλ)⇒纵模间隔δλ=λ(ngl)群折射率ng=nλdndλ一般比折射率n大~在GaAs和InGaAsP双异质结边发射激光器中ng=~侧模控制(基侧模)质子轰击区电极氧化物P限制层有源层N限制层(a)(b)非自建的增益波导即光波导是由注入载流子形成的增益空间分布构成的:(a)氧化物只在电极处限制电流注入(b)质子轰击在半导体中形成电流注入通道。电隔离的氧化物或有机物P外延层N外延层P外延层(c)(d)Si扩散半绝缘层(e)(f)有源区自建的折射率波导光波导由横向折射率空间分布所构成:(c)脊形波导提供电流和弱的光波导限制(d)腐蚀台形的二次外延掩埋异质结构提供电流载流子和光波导限制(e)杂质扩散或空位引起限制层和有源层间原子互扩散形成掩埋异质结构提供载流子和光波导限制和横向开启电压变化(f)在图形衬底上生长形成窄条有源区横模控制•对边发射激光器横模是生长方向的模式分布各层厚度可以由材料生长所控制很容易实现基横模工作。在这一维度上的控制主要是载流子和光场限制以及得到小的远场发散角以利光纤耦合。大的光场限制(降低阈值)和小的远场发散角必须折衷选择。NiPIEcEvEgn光场分布EcEvEcEv双异质结(DH)分别限制异质结构(SCH)量子阱激光器增益谱动态单模所需的模式间的损耗差动态单模半导体激光器实现动态单模的途径()增加模式间的增益差:短腔激光器垂直腔面发射激光器VCSEL(实现了单纵模重点在横模和偏振控制)()增加模式间的损耗差分布布拉格反馈(DFB)激光器分布布拉格反射器(DBR)激光器藕合腔激光器外腔激光器短腔激光器纵模谱藕合腔(C)激光器:VCSEL纵模谱各种DFB激光器的结构解决折射率藕合的DFB激光器的双模问题:(a)高反和增透膜(b)λ位移(c)相位调制。(d)(e)抑制空间烧孔实现窄线宽。采用增益藕合DFB更容易实现单模与SOA和EA调制器集成的多波长DFB激光器阵列KKudo,IEEEPTL,vol,p()分布布拉格反射器(DBR)激光器(布拉格反射区是无源的)垂直腔面发射激光器(VCSEL):平面工艺制作不要解理端面对称的远场光束窄线宽易于光纤藕合波长可调谐半导体激光器•波长可调谐半导体激光器的技术选择•激光器类型调谐机制优点缺点供应商•DFB激光器温度波长稳定低输出功率Nortel,JDSUniphase•工艺成熟调谐范围有限低速Fujitsu•DBR激光器温度高输出功率成品率ADC,Agere,Agility•电流快速尺寸,低输出功率Alcatel,JDSUniphase•宽调谐范围波长不稳定Marconi,MultiplexN•外腔激光器机械宽调谐范围成本高NewFocus,Iolon,•电流高输出功率环境敏感BlueSky•光谱纯低调谐速度•VCSEL机械成本低低输出功率Bandwidth,l可调谐半导体激光器结构示意图可调谐DBR激光器波长随温度的变化及用电调制保持变温时波长不变电注入调谐DBR半导体激光器的典型结果:波长变化是不连续的有跳模发生TLKochetal,APL,vol,p()SuperstructuregratingDBRlasers(NEL)(ebeam,lowpower)调制电流迭加一起的输出光谱激射波长的调节RO’Dowd,IEEEJSTQE,vol,p()微机电调谐VCSELCJChangHasnain,IEEEJSTQE,vol,p()长波长VCSEL的进展AKarimetal,IEEEJSTQE,vol,p()长波长VCSEL的DBR材料选择nmVCSEL的DBR峰值反射系数与DBR周期数的关系热阻κ和κ(WcmK)微腔激光器和光子晶体SubstrateElectrodeActiveregionOpeninglengthETROutputwaveguideYZHuangetal,IEEEJQE,vol,p,p()JKHwang,IEEEPTL,vol,p()AYariv,IEEEJSTQE,vol,p()MFujitaetalIEEEJSTQE,vol,p()半导体激光器材料的选择KIga,IEEEJSTQE,vol,p()µmµmSiGaInNAsAlSbInPGaSbAlAsInSbGaPInAsGaAsInNGaNBandgapenergy(eV)Latticeconstant(A)新型GaAs基长波长材料GaInNAs不同类型的半导体异质结构量子级联激光器(AlInAsGaInAs)FCapasso,IEEEJSTQE,vol,p()二半导体光波导•平板波导的模式TE和TM模XZj层折射率nj增益gj厚度dj多层平板波导二维(xz)波导中波函数)(exp)(),,(tizixtzxωβφφ−=,φ(x,z,t)代表电磁场的各个分量,不为零的场分量:TE模:Ey(x,z,t)Hx(x,z,t)andHz(x,z,t)TM模:Hy(x,z,t),Ex(x,z,t)andEz(x,z,t)满足方程),,()(),,(=∇tzxxnktzxφφ真空波矢k=πλ,复折射率n(x)=nr(x)ig(x)k任意多层平板波导的本征值方程第j层中的波函数:)exp()exp()(xiKBxiKAxjjjj−=φ第j层的复传播常数:,)(β−=jjnkK界面的反射关系:)exp()exp(,−−−=nnnnnnnziKBRziKA)exp()exp(,nnnmnnnnziKARziKB=−本征值方程:)exp(,,=nnmnndiKRR导波模准模(泄漏模)⇒分立模式辐射模:连续模式反射率的递推关系)exp()exp(,,,,,−−−−−−−−=nnnnnnnnnnndiKRRdiKRRR)()(,−−−−=nnnnnnKKKKR对TM模上式中Kn和Kn应为KnnnandKnnn远场分布(近场的衍射):)sinexp()(cos)(∫=dxxikxRUθφλθθ光限制因子和模式增益•复传播常数β=βriβi模式折射率N=βrk,•模式增益G=βi•传统的光限制因子定义为限制在有源区中的功率流的比例即Ey(x)Ey*(x)(TE模)和Hy(x)Hy*(x)(TM模)在有源区中的的比例,下面的ΓTM对应Ex(x)Ex*(x)(TM模)。•从模式增益(设有源区外其它各层增益为零)出发定义限制因子为γ=Ggi:,)()()(TEyiyrTENndxxENdxxExnΓ=∫∫=∞∞−γ,)()()()()(TMxrizxrTMNNndxxExndxxExExnNΓ≈∫∫=∞∞−γYZHuang,JAP,vol,p(),IEEProcOpto,vol,p()分别限制单量子阱激光器光场和远场分布及光限制因子Γ随分别限制层厚度的变化(波长µm)µmd(µm)Γ()µmmmµmµmd=mmSquaredElectricFieldDistance(µm)µmµmµmµmd=µmFarFieldDistributionAngle(degree)近场分布n=d远场分布与定义为限制在有源区中的功率流比例的传统光限制因子的比较µmMQW激光器(个nmQW)Gg传统光限制因子TEmodeTMmodeTETMGg为模式增益与材料增益之比airSiSiO平板波导的Gg与Si层厚度关系(µm)TMTETMTEGgThicknessofSiLayer(µm)一维多层波导结构(VCSEL)光场分布在波导中传播的波函数写成ψ(z,t)=ϕ(z)exp(iωt)第j层中的ϕ(z)为)exp()exp()(ziKBziKAzjjjj−=ϕ第j层(j=,,⋯,m)的复传播常数Kj与复折射率nj的关系为Kj=knj=k(njriκj)同样可以得到本征方程)exp(,,=jjmjjdiKRR由上述本征方程得到VCSEL波导结构的光场分布SquaredelectricfieldDistance(µm)RefractiveIndexSquaredelectricfieldDistance(µm)Kj=knj=k(njriκj))(β−=jjnkK边发射模式面发射激光模式半导体激光器镜面反射系数•平面波展开法:把模式分解成不同角度入射的平面波按平面波的反射系数计算反射场再与模式场作重迭积分•自由空间辐射模法:腔内电磁场表示为模场和自由空间辐射模之和由边条件得出反射系数迭代法求解。辐射模的角谱为:φrad(s)=F(s)exp(iγz)在界面左边场是由入射导模、反射导模和辐射模组成:)()exp()()exp()(xzixRzixradiiϕβϕβϕϕ−=−界面右侧抗反射膜和空气组合结构中的场假设其角谱形式为:)exp()(zisGΓ−=φ辐射模展开为半空间的平面波:∫=∞)exp()sin()(),(zidssxsezxEBBBγ界面左侧的场为入射导模、反射导模以及辐射模叠加:),()()(),(zxEexREexEzxEBziizii=−−ββ,(z<)界面右侧的场为全空间平面波叠加:ziitxfedtetezxEβ−∞∞−−∫=)(),((z>)半空间辐射模法:腔内电磁场表示为模场和半空间辐射模之和由边条件解得反射系数迭代法求解。无电磁场区域Δ平移有源区空气TE和TM模反射系数的比较p=p=p=TEPLANTFSRMHSRMPowerreflectivityRThicknessd(µm)TMp=p=p=PLANTFSRMHSRMPowerreflectivityRThicknessd(µm)三层对称平板波导芯层折射率为n=包层折射率为n=(–p)波长为μm有源层厚度从μm取到μmDFB激光器的耦合模理论),(),,,()()(ztjbztjfeEeEyxtzyxβωβω−=UE周期调制介电常数:∑∆=∆≠Λ−),(),,(lzjlleyxzyxπεεΛ为光栅周期=−=−−zjflbzjblfezEjkdzzdEezEjkdzzdEδδ)()()()(δ≡βββ=lπΛdAdAyxkkll),(∫∫∆=±±UUεβ取)()(),,(zjzjezBezAzyxββ=−UE导出=−−=−BjAjkdzdBAjBjkdzdAllδδ代入zzzzeBeBBeAeAAσσσσ==−−得:δδσ−=−=−kkkll当同时具有cos(πzΛφ)型的折射率和增益微拢调制时:φjkek±±=)(kgjnnnkggxyggδδλπΓ=DFB半导体激光器的一维模拟n=,∆n,g=∆n=(red),(blue),(green)TransmissionWavelength(nm)周期λ层(λ=nm)…∆n=,thefirstlayerthicknessisλ(red)andλ(blue)TransmissionWavelength(nm)n=,∆n,g=∆n=(red),(blue),(green)TransmissionWavelength(nm)周期端面位相影响周期空气周期增益藕合λDFB(λ=nm)的反射谱∆n=ReflectivityWavelength(nm)∆n=andaddλshiftatthecenterlayerTransmissionWavelength(nm)g=,cmg=,cmg=,cm(red),cm(green),cm(blue)折射率藕合加λ相移的结果等效折射率近似•平板波导模式折射率NNNWWNNNTE(TM)模TE(TM)模TM(TE)模EEEYXYXVCSEL的等效折射率近似neffDVCSEL模式波长λλλ∆neffneff=(λλ)λλλθcosθ=λλGRHadley,OptLett,vol,p()大尺寸的单模脊形波导单模条件:r>(x方向条件)rrba−≤(y方向条件)XYRASorefetal,IEEEJQE,vol,p()数值方法BPM方法:传播方向尺度比横向大得多标量方程描述导波的等相面近于平面近轴传播传播方向折射率变化很小且是渐变的波振幅变化很慢且背散射可忽略:ψψψψψε),,(exp),,(),,(),,(rrronzyxnkyxznjkznikzyxzyxEEkzyxE−∂∂∂∂=∂∂−==∇得代入nr对应波函数z方向的快变量求解方法FFTBPM和FDBPM(更好)。FDTD(时域有限差分)方法和Pade近似FDTD方法在微波器件设计上得到了广泛的应用它可准确模拟任意复杂结构的波导但由于计算量太大在光学器件设计应用受到很大的限制。采用FDTD方法计算微谐振腔的模式频率和Q因子:标准方法是从FDTD输出⇒FFT变换⇒频谱⇒模式频率和Q因子Pade近似:从FDTD输出⇒FFT变换Pade近似⇒频谱⇒模式频率和Q因子或从FDTD输出⇒Pade近似⇒频谱⇒模式频率和Q因子Pade近似所需的FDTD输出只是FFT变换所需的到WHGuoetalIEEEPTL,vol,p(),IEEEMWCL,vol,p()YZHuangetal,IEEProcOptoelectron()等边三角形谐振腔(边长µm)的FDTD模拟结果:XX((µµmm))Y(µm)TM,TM,TE,a=µmNormalizedAmplitudeFrequency(THz)由FDTD和Pade近似得到的频谱分布带输出波导的谐振腔的光场分布三半导体光跃迁及光增益载流子能态密度归一化的阈值电流温度关系(a)D(b)D,(c)D,(d)D能级图ZAlferov,IEEEJSTQE,vol,p费米分布函数及跃迁速率导带和价带电子占据几率)exp(kTEEfFv−=)exp(kTEEfFc−=EFc和EFv为导带和价带准费米能级。受激辐射受激吸收和自发辐射速率:)(ffRRr−=,)(ffRRr−=)(ffRRfvrsp−=−净受激辐射)()(ffRRRERrst−=−=)(EEEEERfFvFcst>∆≡−⇒>由于E>Eg因此半导体激光器中获得增益需要偏压V满足eV=∆Ef>Eg长波长VCSEL适于CMOS电路直接驱动。.电子波函数及跃迁矩阵元价带和导带电子波函数)()(rrvUF=ψ)()(rrcUF=ψ宏观周期势决定的包络波函数:wirequantum),()(wellquantum)()(bulk)(LeyxFFAezFFVeFzjkjjzt−⋅−⋅−===rrrrkrkU(r)为原子周期势决定的Bloch函数一维势阱的包络波函数在第j层中的波函数为)exp()exp()(ziKBziKAzjjjj−=ϕ第j层(j=,,⋯,m)的传播常数Kj与能量E及势能Vj的关系为可以得到与一维光波导类似的本征方程)exp(,,=jjmjjdiKRRjjjVEmK−=ηYZHuang,ApplPhysA,p()费米黄金定则)('EHRfrρπη='')(ψψrHH=相互作用哈密顿量perr⋅=)()('ΑmqH')(TMmqΑH=跃迁矩阵元FFUUMvcTpe⋅≡对体材料,kkδ=FF⇒k选择跃迁对量子阱则包括k选择和同一子能级数k•p(有效质量)微拢近似下k矢量方向的导带电子有效质量为:∑−=≠cnncnzcczEEupummm考虑HHLHSO的贡献:)(*∆=ggEEmMmm⇒跃迁矩阵元gggEmEEmmM*)()(∆∆⋅−=iisisupuuuM=≡p跃迁矩阵元的偏振依赖关系MMTpolarizationBulkQuantumwell(kt≈)CHHCLHCHHCLHTETM导带相当于s原子轨道而三个价带相当于是三个p原子轨道(i=x,y,z)波函数的组合:)(,)()(,)()(,)(zyxsozyxsozyxlhzyxlhyxhhyxhhuiuuuuuiuuuiuuuuuiuuuiuuiuuu−−=−=−=−−=−−=−=简约态密度及增益谱k选择跃迁使得跃迁是在导带和价带间一对一的垂直跃迁EEEvcrδρδρδρ==而且EEEδδδ=⇒vcrρρρ=Dimensionρ(k)ρ(E)kπ))((ηmEπk(πdz))(dzmηπ(πdxdy))()(ηmEkρδEδEδE))(()(ffEEMhvcmqgrT−⋅=ρεη由于电子在带内的有限弛豫时间实际增益为)()(dEEhvLghvg−∫=一般取洛伦兹线型)()()(EEEELinin−⋅=−ττπηη⇒问题:低能端负增益拖尾多体效应的另一表现为带隙收缩CNEg−=∆C≈meV(cm)(bulkGaAs)C≈meV(cm)(GaAsAlGaAsQW)模式的自发辐射速率)exp()('kTEEffffnRnRFspstspfvsp∆−−=−−≡=−εε由爱因斯坦关系模式的自发辐射速率大小相当于光子数为的受激辐射:fvVS−⋅=εεRst=vggSSVgsnvRspgsp='总的自发辐射为Rsp’对所有的模式求和在大的腔中光场态密度为dvvnncdvvg)(πρ=总的自发辐射为gnvvhERspgsp)()(ρ=应变量子阱的能带和增益谱数值结果应变量:,,xxzzyyxxCCaaaεεεε−=−==对应Hamiltonian中的应变能量εzz对应为a’和a之差。X射线双晶衍射得到的应变对应为a’和a之差CCCaaa⋅−aa压应变无应变张应变a’价带×Hamiltonian和简化有效质量方程)()()()(σσσρρρρρρρρρρσUUUzVzPSiQSiRSiQzVQPiSRSiRiSRzVQPHhhh−∆−±−−±−±−−−−=×µµµ=××LUHHH),()(),(,,,,zkgkEzkgHmmmvρσνρσνρσσµν=∑=×CSChang,IEEEJSTQE,vol,p()平面波展开后上述方程化为:∑=∑=−=,,,,,,)()()(||vmqmVNNpmpVkbkEkbpHqρσµρσρσνσµν抛物带模型下的导带Hamiltonian)()())()((*zzyyxxcenzCazVzmkkmHεεερ=η导带有效质量方程平面波展开⇒)()(zgEzgHnCnCnCC=nqCnCNNpnpCCaEapHq,,||=∑><−=nmInGaAsInGaAsP(µm)InP量子阱的价带结构LHHHHH(a)x=compressiveEnergy(mev)Kx(πa)HHLHHH(b)x=nostrainEnergy(mev)kx(π)a)HHLHHH(c)x=tensileEnergy(mev)kx(πa)压应变无应变张应变能带跃迁矩阵元和增益谱数值结果(HH)(LH)(HH)Energy(mev)kρ(πa)张应变量子阱的价带结构(well:InGaAsP,Lz=nm,tensilestrainandλg=µmbarrier:latticematchedInGaAsP,λg=µm)TE(CHH)TE(CLH)TM(CHH)TM(CLH)Normalized(momentummatrix)kρ(πa)归一化的跃迁矩阵元TE(n)TM(n)TE(n)TM(n)Gain(cm)Wavelength(µm)TE和TM模的材料增益谱(n=×cmn=×cm)增益谱峰值的近似表达式=strsNNNNggln⇒lntrNNgg==strsJJJJggln⇒lntrJJgg=ActivematerialNtrNsgNtrgBulkGaAsGaAsAlGaAsGaAsnmQWInGaAsGaAsnmQWBulkInGaAsInGaAsnmQW()InGaAsnmQW()InGaAsnmQW()InGaAsnmQW()四.速率方程和动态效应.单模速率方程及基本物理量ηi:内量子效率≡注入效率Γ:光限制因子γ:自发发射因子ηd:微分量子效率αi:腔内损耗αm:镜面损耗。ηd与腔长L关系)()()()(NRSSSNgvdtdSSSNgvRNRqVIdtdNsppggnrspiγτηΓ−Γ=−−−=mimidαααηη=iiidLRηηαηln⋅=实验得出ηdL关系⇒ηi和αi.稳态输出,)()(trgpspNNavNRS−Γ−Γ=τγ忽略非辐射复合Rnr远小于阈值时g<<gt,thgigvqVISηγ⋅=而阈值以上时thgthigvqVIIS)(−=η两者斜率之比为自发发射因子γ实验得出SI曲线并与速率方程结果比较可确定γ。采用Rsp=BN(虚线)和Nτs(实线)得出的γ可能相差一倍。YZHuang,IEEEPTL,vol,p()阈值以上输出光功率:)(thdIIqhvP−=η阈值增益:)ln(RLggithth>=<Γ>=<α注入有源区电流:lnrspiRRRqVI=η辐射效率:lnrspsprRRRR=η阈值电流及其温度关系:))()((thnrthspithNRNRqVI=ηTTtheII=共振频率和dB带宽小信号分析:,)()()(tjtjtjeSSSeNNNeIIIωωωωωω===由速率方程得出ωγωωωωωωjHISRR−=∝)()()(共振频率pgRasvτω≈,提高微分增益、光子密度、降低光子寿命能增加共振频率但阻尼因子正比于共振频率平方SgSgaaaKKfpppRεετπγγ=∂∂−=Γ==非线性增益增大阻尼阻尼对带宽的影响增加ωR同时加大了阻尼最后dB带宽可能小于谐振频率。H(ω)的极值频率和dB带宽为:ωωωωγωωRppdBRp=−=和dB带宽为接收电功率降低到低频值的一半(即接收电流的平方和光功率平方降低一半)。如果阻尼可以忽略则)(<<=≈RRRdBfffωγ而最大dB带宽为:)(max==RdBKfωγπ、载流子输运效应对带宽影响在分别限制的量子阱结构中注入载流子首先到达势垒区载流子在势垒区中有一扩散过程然后才被量子阱俘获势垒及阱中载流子的变化过程有可能影响器件的高频特性。载流子扩散,俘获和逃逸IEEEJQE,p()、开启延迟时间设载流子寿命为常数τ当电流从预偏置II跳变到If时载流子达到Nth的延迟时间为:thfifdIIIIt−−=lnτ由此可测量载流子寿命。td电流波形、线宽增宽因子和动态频率啁啾复折射率:iknn=~线宽增宽因子dNdgdNdndNdkdNdnλπα−=−≡dttdptpNavg)()(⋅⋅≈∆Γ=∆παπαυp(t):输出功率直接调制下激光器输出光谱的变化YSuematsuetal,IEEEJSTQEvol,p()、自发辐射引起的噪声一个自发发射光子进入激光模式引起的模式光子数和模式位相变化))cos(arctan(sincosθθθ=∆Φ=∆SSSAMooradian,IEEEJSTQE,vol,p()、相对强度噪声相对强度噪声)(ptpRIN><≡δ模拟信号p为平均功率数字调制p为高态光功率噪声谱:)()()()(''ωωπδωδωδωδ−⋅>=<∗pSppdtetpptjωδωδ−∞∞−∫=)()(设∆f为测量滤波片带宽(正负频率)则)(ppSfRINωδ=∆(dBHz)、模式线宽光子寿命gvgppΓ−=ττ'光子密度'pspRSτγΓ=场强)'exp(pttjτω−的傅立叶变换得SchawlowTownes线宽:SRsppπγτπυ'Γ==∆(阈值以下)阈值以上场振幅涨落得到抑制得到自发辐射引起的激光线宽为上式的即修正的SchawlowTownes线宽SRspπγυΓ=∆含载流子涨落引起的位相噪声。一般采用Largevin速率方程处理可以得到模式线宽为:)(απγυΓ=∆SRsp单频激光器的模谱及模式线宽FabryPerot扫频输出谱图间隔和GHz的边峰其强度与中心峰强度成反比。模式线宽随输出功率的变化AMooradian,IEEEJSTQE,vol,p()多模速率方程,)()(∑−−−−=iiigSNgncCNNNBANeVJdtdN,)()(NNBSNgncdtdSiiiigiΓ−Γ=γτOutputpower(µW)Injectioncurrent(mA))()(NgvNRSigispiΓ−Γ=τγ)()(NgvNgvSSggΓ−Γ−=ττ在相同输出功率下,自发发射因子越小,对应的越小,因此达到同样的主次模光强比所需的增益差越小。外腔激光器自发发射因子很小。)(NgvgΓ−τ各个模式的光功率变化及几率分布SSStime(µs)EEEEE几率功率SSSS≈三个模功率分别占的几率分布EEEEE几率功率根据QE,p()和QE,p()给出的示意图次模对RIN的影响GbsNRZ调制下,(a)主模,(b)次模及(c)总功率的相对强度噪声谱()δ=(τpτp)τp=()δ=()δ=YAMorozov,IEEEJQE,p()多模对线宽的影响模式线宽∆ν=ννP(mW)单模ν≈MHz(来源?f噪声)ν≈MHz多模或次模ν≈MHz主要由自发辐射引起相位变化对波长nm,MHz的线宽对应×nm,一般光谱仪无法分辨五半导体激光器的基本工艺和特性半导体激光器的设计基本要求:在一定的输出功率下电流最小输出功率最大高的微分效率小的远场发散角dithPhvqIIηη=,PPPPPFFiimimid==><=αααηηFi由端面反射率决定的镜面输出功率比例材料的评估X射线双晶衍射⇒失配度及应变大小光荧光谱测量:nmInGaAsP量子阱PL谱FWHM小于meV即可体材料可能大一倍甚至可以光泵激射估算其阈值。CV测量确定掺杂浓度宽接触和普通条形激光器的制作电极:P面(ZnAu,CrAu,TiPtAu)N面(AuGeNi)半导体激光器的工艺过程利用晶向和腐蚀液的差别可得到不同的选择腐蚀横截面激光器微分特性IdVdIL电流电压特性的微分测量:阈值以下:nkTqeIeIIssIRVsIRVs=≈−=−−

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