半导体激光器分类及特点

        科学决不是也永远不会是一本写完了的书。每一项重大成就都会带来新的问题。任何一个发展随着时间的推移都会出现新的严重困难。—爱因斯坦(A.Einstein)

一、 LD激光发射条件——粒子数反转、光学谐振腔

1. 粒子数反转——产生激光的首要条件

       半导体激光器的结构是一个法布里-珀罗谐振腔,如图6.2.1所示。激光器工作在正向偏置下,当注入正向电流时,高能带中的电子密度增加,这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子,形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下,受激发射和受激吸收过程同时发生,受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc<Nv时,受激吸收过程大于受激发射,增益系数g<0,只能出现普通的荧光,光子被吸收的多,发射的少,光场减弱。若注入电流增加到一定值后,使Nc>Nv,增益系数g>0,受激发射占主导地位,光场迅速增强,此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源区),从而形成受激发射,如图6.1.8b所示。
       半导体材料在通常状态下,总是Nc<Nv,因此称Nc>Nv的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转,这是使半导体激光器产生激光的首要条件。

2. 光学谐振腔——形成激光的第2个条件

       半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔,并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后,受激发射占据了主导地位,但是,激光器初始光场来源于导带和价带的自发辐射,频谱较宽,方向也杂乱无章。初始光场在谐振腔体内移动δx,获得了增益δg,如图6.2.1d所示。为了得到单色性和方向性好的激光输出,必须构成光学谐振腔。前面已讨论了法布里-珀罗谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中,用晶体的天然解理面构成法布里-珀罗谐振腔,如图6.2.1所示。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡,必须满足一定的相位条件和阈值条件。相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干,阈值条件使腔内获得的光增益g(ν)正好与腔内损耗相抵消,此时的纵模就变成发射主模,如图6.2.2所示。谐振腔里存在着损耗,如镜面反射损耗、工作物质吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等,并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时,才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50%耦合进入光纤,如图6.2.1a所示。后端面发射的光,由封装在内的光检测器接收变为光生电流,经过反馈控制回路,使激光器输出功率保持恒定。
半导体激光器
图6.2.1半导体激光器
a)LD相当于法布里-珀罗谐振腔   b)腔内纵模驻波
c)腔内纵模共振光谱d)初始光场在谐振腔体内移动δx获得增益δg

二、 激光器起振的阈值条件——腔体阈值增益等于总损耗

       为了确定激光器起振的阈值条件,先来研究平面波幅度在谐振腔内传输一个来回的变化情况。设平面波的幅度为E0,频率为ω,在图6.2.3中,设单位长度增益介质的平均损耗为αint(cm-1),两块反射镜的反射系数为R1和R2,光从x=0处出发,在x=L处被反射回x=0处,这时光强衰减了R1R2exp[-αint(2L)]。另外,在单位长度上因光受激发射放大得到了增益g,光往返一次其光强放大了exp[g(2L)]倍,维持振荡时光波在腔内来回一次的光功率应保持不变,即Pf=Pi,这里Pi和Pf分别是起始功率和循环一周后的反馈功率。也就是说,衰减倍数与放大倍数应相等,于是可得到
 半导体激光器(图2)
       由此可求得使Pf/Pi=1的增益,即阈值增益gth,该增益应该等于腔体的总损耗,它对应阈值粒子数翻转,即Nc-Nv=(Nc-Nv)th,达到阈值时,高、低能带上的电子密度差为(Nc-Nv)th,表示阈值粒子数翻转条件。法布里-珀罗半导体激光器通常发射多个纵模的光,如图6.2.1c所示。半导体激光器的增益频谱g(ω)相当宽(约10THz),在F-P谐振腔内同时存在着许多纵模,但只有接近增益峰的纵模变成主模,如图6.2.2 所示。在理想条件下,其他纵模不应该达到阈值,因为它们的增益总是比主模小。实际上,增益差相当小,主模两边相邻的一两个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。由于群速度色散,每个模在光纤内传输的速度均不相同,所以半导体激光器的多模特性将限制光波系统的比特率和传输距离的乘积(BL)。
激光器增益谱和损耗谱
图6.2.2激光器增益谱和损耗谱
       图6.2.4是对激光器起振阈值条件的简化描述,由图可见,只有当泵浦电流达到阈值时,高、低能带上的电子密度差(Nc-Nv)才达到阈值(Nc-Nv)th,此时就产生稳定连续的输出相干光。当泵浦电流超过阈值时,(Nc-Nv)仍然维持(Nc-Nv)th,因为gth必须保持不变,所以多余的泵浦能量转变成受激发射,使输出功率增加。
激光器是一个法布里-珀罗光学谐振腔
图6.2.3激光器是一个法布里-珀罗光学谐振腔
a)法布里-珀罗光学谐振腔b)法布里-珀罗光学谐振腔的腔模频率特性
激光器起振阈值条件简化描述
图6.2.4激光器起振阈值条件简化描述

三、 激光器起振的相位条件——整数倍半波长等于腔长

       在6.2.2节中,我们讨论了在半导体激光器里,由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里-珀罗谐振腔,它把光束闭锁在腔体内,使之来回反馈。当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时,就保持振荡,形成等相面和反射镜平行的驻波,然后穿透反射镜产生激光输出,如图6.2.1和图6.2.2所示。此时的增益就是激光器的阈值增益,达到该增益所要求的注入电流称为阈值电流。满足阈值注入电流的所有光波并不能全部都在F-P谐振腔内存在,只有那些特定腔模波长的光才能维持振荡。
       设激光器谐振腔长度为L,增益介质折射率为n,典型值为n=3.5,引起30%界面反射,从6.1.2节知道,增益介质内半波长λ/2n的整数倍m等于全长L
 半导体激光器(图6)
请注意,该式与式(6.1.1b)的唯一区别是在分母中增加了增益介质折射率n。把f=c/λ代入式(6.2.2)可得到
 半导体激光器(图7)
式中,λ和f分别是光波长和频率,c为自由空间光速。当λ=1.55μm、n=3.5、L=300μm时,m=1354,这是一个很大的数字。因此m相差1,谐振波长只有少许变化,设这个波长差为Δλ,并注意到Δλ<<λ,则当λ→λ+Δλ,m→m+1时,各模间的波长间隔(如图6.1.5c和图6.2.3 b所示),也称为自由光谱区(FSR)
 半导体激光器(图8)
式中,Δλ=0.34nm,因此,对谐振腔长度L比波长大很多的激光器,可以在差别甚小的很多波长上发生谐振,称这种谐振模为纵模,它由光腔长度nL决定。与此相反,和前进方向垂直的模称为横模。纵模决定激光器的频谱特性,而横模决定光束在空间的分布特性,它直接影响到与光纤的耦合效率。

四、 分布反馈(DFB)激光器——增加频率选择电介质镜衍射光栅

       光纤通信需要单纵模半导体激光器,与法布里-珀罗激光器相比,它的谐振腔损耗不再与模式无关,而是设计成对不同的纵模具有不同的损耗。图6.2.5为这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见,增益曲线和损耗曲线最小值接触之处的纵模ωB开始起振,并且变成主模。其他相邻模式由于其损耗较大,不能达到阈值,因而也不会从自发辐射中建立起振荡。
单纵模为主模的半导体激光器增益和损耗曲线
图6.2.5单纵模为主模的半导体激光器增益和损耗曲线
       DFB激光器就是一种单纵模激光器,其结构和输出频谱如图6.2.6所示。在普通LD中,只有有源区在其界面提供必要的光反馈;但在DFB激光器内,光的反馈就像DFB名称所暗示的那样,不仅在界面上,而且分布在整个腔体长度上。这是通过在腔体内增加折射率周期性变化的衍射光栅实现的。在DFB激光器中,除有源区外,还在其上并紧靠它的区域增加了一层导波区。该区的结构是波纹状的电介质光栅,它的作用是对从有源区辐射进入该区的光波产生部分反射。因为从有源区辐射进入导波区是在整个腔体长度上,所以可认为波纹介质也具有增益,因此部分反射波获得了增益。不能简单地把它们相加,而不考虑获得的光增益和可能的相位变化,左行波在光栅波导区遭受了周期性的部分反射,这些反射光被波纹介质放大,形成了右行波。只有左右行波满足同相干涉条件(见式(6.2.2)),即波长和波纹周期Λ具有一定的关系(λB=2nΛ)时,它们才能相干耦合,建立起光的输出模式。与DFB激光器的工作原理相比,F-P腔的工作原理就简单得多,如6.1.2节介绍的那样,F-P腔的反射只发生在解理端面,在腔体的任一点,都是这些端面反射的左右行波的干涉,或者称为耦合。假定这些相对传输的波具有相同的幅度,当它们来回一次的相位差是2π时,就会建立起驻波。
       DFB激光器的主模不正好是布拉格波长λB,而是对称地位于λB两侧,如图6.2.6b所示。假如λm是允许DFB发射的模式,此时
 半导体激光器(图10)
式中,m是模数(整数),L是衍射光栅有效长度。由此可见,完全对称的器件应该具有两个与λB等距离的模式,但是实际上,由于制造过程可能出现各种不确定性问题,或者有意使其不对称,只能产生一个模式,如图6.2.6c所示。因为L>>Λ,式(6.2.5)的第二项非常小,所以发射光的波长非常靠近λB。
DFB激光器结构及其工作原理
图6.2.6  DFB激光器结构及其工作原理
a)DFB激光器结构b)理想输出频谱c)典型的输出频谱

五、波长可调激光器——多腔耦合,多方控制

       波长可调激光器即多波长激光器是WDM、分组交换和光分插复用网络重构的最重要器件,因为它的使用可以有效地利用波长资源,减少设备费用。波长可调激光器主要有耦合腔波导型、衍射光栅集成型和阵列波导光栅(AWG)集成型三种。这里只介绍耦合腔集成波导波长可调激光器。
        一种单片集成的耦合腔激光器称为C3激光器。C3指的是切开的耦合腔,如图6.2.7所示。这种激光器是这样制成的,把常规多模半导体激光器从中间切开,一段长为L,另一段为D,分别加以驱动电流。中间是一个很窄的空气隙(宽约1μm),切开界面的反射约为30%,只要间隙不是太宽,就可以在两部分之间产生足够强的耦合。在本例中,因为L>D,所以L腔中的模式间距要比D腔中的密。这两腔的模式只有在较大的距离上才能完全一致,产生复合腔的发射模,如图6.2.7b所示。因此C3激光器可以实现单纵模工作。改变一个腔体的注入电流,C3激光器可以实现约20nm范围的波长调谐。然而,由于约2nm的逐次模式跳动,调谐是不连续的。
C3激光器的结构及其单纵模输出原理
图6.2.7C3激光器的结构及其单纵模输出原理
a)C3激光器结构示意图   b)C3激光器单纵模输出原理说明
        为了解决激光器的稳定性和调谐性不能同时兼顾的矛盾,科学家们设计了多腔DFB激光器。图6.2.8表示这种激光器的典型结构,它包括了三腔,即有源腔(半导体光放大器)、相位控制腔和布拉格光栅腔,每腔独立地注入电流偏置。注入布拉格光栅腔的电流改变感应载流子的折射率n,从而改变布拉格波长(λB=2nΛ)。注入相位控制腔的电流也改变了该腔的感应载流子折射率,从而改变了LD的反馈相位,实现了波长锁定。通过控制注入三腔的电流,激光器的波长可在5~7nm范围内连续可调。因为该激光器的波长由内部布拉格区的衍射光栅决定,所以它工作稳定。这种多腔分布布拉格反射激光器对于多信道WDM通信系统和相干通信系统是非常有用的。多腔分布布拉格激光器
图6.2.8多腔分布布拉格激光器

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