［液體激光器］液體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)High-speedOpticalModulatorBiasControlLIUXinZhuo2)(***-*****)(1)DepartmentofElectronicEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing,*****Abstract:Theopticalmodulatorbiascontrolcircuitcompensatesforthedriftofthelasermodulatoreffect.Italsotakesintoaccountthechangesinthelaseroutputpower.LinkusesthelaserwithfeedbackPDandtheoutputcorrespondstovoltagesignal.Thesignalafteramplificationisactedastheinputofthecontrolsystem.Afterthetwovoltagesignalsreductionandstability,theoutputmaybeamplified.Thefeedbackopticalsignalincludesphotoelectricconversionandfilteringamplification.ThelastpartofcircuitexcludestheinfluenceoftheRFsignalthroughalowpassfilter.Weknowthatenlargeareashavetworoles.First:itcancompensateforsamplingratioof1%oftheprocess;Second:itcanrealizeadjustablebiasbyfine-tunemagnification.Thebiascontrolisaproportionalintegralpartoftheoutputofthemodulatorbias.Abstract:Specificchargeofelectron;magneticfocusing;magneticcontroltube;Zeemaneffects;error作者的個(gè)人學(xué)術(shù)信息：劉欣卓，1991年，女，南京市。大學(xué)本科，電子科學(xué)與工程學(xué)院。*****.1.量子阱半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程1.1激光器研制的現(xiàn)狀隨著光子技術(shù)的發(fā)展，光子器件及其集成技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊，尤其在一些數(shù)據(jù)處理速率要求極高的領(lǐng)域，光子器件正逐步取代電子器件?？梢灶A(yù)見，不久的將來(lái)，光子器件及光子集成線路在各行業(yè)所占的比重將不亞于目前集成電路在各領(lǐng)域的地位及作用。而激光器作為光子器件的核心之一，對(duì)其新型結(jié)構(gòu)的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的進(jìn)展。為了研制出閾值電流低、量子效率高、工作于室溫環(huán)境、短波長(zhǎng)、長(zhǎng)壽命和光束質(zhì)量好等要求的半導(dǎo)體激光器，研究人員致力于尋找新工作原理、新材料、新結(jié)構(gòu)以及各種新的技術(shù)。在此，半導(dǎo)體激光器(LD)，特別是量子阱半導(dǎo)體激光器(QWLD)正逐步作為光通信和光互連中的重要光源。1.2半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，較常規(guī)激光器而言，產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)的種類有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化鋼(InP)、硫化鋅(ZnS)等。工作物質(zhì)的結(jié)構(gòu)也可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。其從激勵(lì)方式上來(lái)說(shuō)，則又有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種。總之，我們根據(jù)諸如光纖等具體應(yīng)用的特定需求，可根據(jù)以上分類方法量身定制激光器。半導(dǎo)體激光器具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：包括轉(zhuǎn)換效率高、覆蓋波段范圍廣、使用壽命長(zhǎng)、可直接調(diào)制、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易集成等。所以，成功，并在此基礎(chǔ)上提出了微帶超晶格紅外激光器的理論構(gòu)架。另外，具有更好性能的低維超晶格一量子線、量子點(diǎn)激光器的研究也已經(jīng)開始進(jìn)入議程。.量子阱半導(dǎo)體激光器的原理2.1量子阱及其能帶結(jié)構(gòu)其發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣、潛力之大是其它激光器無(wú)法比擬的。但是，由于一些特殊應(yīng)用的需要，半導(dǎo)體激光器的性能有待進(jìn)一步提高。1.3量子阱半導(dǎo)體激光器的提出量子阱結(jié)構(gòu)的提出源于60年代末期貝爾實(shí)驗(yàn)室的江崎(Esaki)和朱肇祥關(guān)于超薄層晶體的量子尺寸效應(yīng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超薄有源層材料晶格尺度小于電子的德布羅意波長(zhǎng)時(shí)，有源區(qū)就變成了勢(shì)阱區(qū)，其兩側(cè)的寬禁帶系材料成為勢(shì)壘區(qū)，電子和空穴沿垂直阱壁方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)將出現(xiàn)量子化特點(diǎn)。從而使半導(dǎo)體能帶出現(xiàn)了與塊狀半導(dǎo)體完全不同的形狀與結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，通過(guò)改變超薄層的應(yīng)變量使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，逐步形成針對(duì)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域。80年代，量子阱結(jié)構(gòu)在激光器上的使用，使半導(dǎo)體激光器在性能上出現(xiàn)了大的飛躍。具有量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH)相比，具有閾值電流密度低、量子效應(yīng)好、溫度特性好、輸出功率大、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)、激射波長(zhǎng)短等優(yōu)點(diǎn)。目前，量子阱已成為人們公認(rèn)的半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。1.4量子阱激光器的發(fā)展歷程量子阱半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程大致包括幾個(gè)重要科研成果的誕生。1976年，人們用GaInAsP/InP實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器。關(guān)于該激光腔的結(jié)構(gòu)，Kogelnik和Shank提出了分布反饋的模式，主要為以單片形式形成諧振腔。Nakamura用實(shí)驗(yàn)證明了光泵浦的GaAs材料形成的分布反饋激光器(Dp)的可行性。Suematsu提出了用于光通信的動(dòng)態(tài)單模激光概念，并用整體激光器驗(yàn)證了這種想法。1977年，人們提出了面發(fā)射激光器，并于1979年做出了第一個(gè)器件。1994年，一種具有全新機(jī)理的波長(zhǎng)可變、可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器第一次研制量子阱是指由窄禁帶系超薄層被夾在兩個(gè)寬帶系超薄層之間排列而形成的，具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)阱。在由2種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長(zhǎng)形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢(shì)壘層足夠厚，以致相鄰勢(shì)阱之間載流子渡越函數(shù)之間耦合很小，則多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱。如果勢(shì)壘層很薄，相鄰阱之間的耦合很強(qiáng)，原來(lái)在各量子阱中分立的能級(jí)將擴(kuò)展成能帶，能帶的寬度和位置與勢(shì)阱的深度、寬度及勢(shì)壘的厚度有關(guān)，這樣的多層結(jié)構(gòu)稱為超晶格。量子阱結(jié)構(gòu)中因?yàn)槠溆性磳雍穸葍H在電子平均自由程內(nèi)，所以阱壁起到很好的限制作用，使阱中載流子只在平行與阱壁的平面內(nèi)有二維自由度。在具有二維自由度的量子阱中，電子和空穴的態(tài)密度與能量的關(guān)系為臺(tái)階形狀，其階梯狀能帶允許注入的載流子依子代逐級(jí)填充，提高了注入有源層內(nèi)載流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益遠(yuǎn)高于一般體材料激光器。2.2半導(dǎo)體激光器的原理及限制半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件。首先，必須建立起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這以給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，或向有源層內(nèi)注人必要的載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)。其目的為將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。其次，要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。最后，提供足夠大的增益，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng)，以彌補(bǔ)諧振腔的光損耗及腔面的激光輸出等損耗。為滿足上述一點(diǎn)，這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。可見，在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過(guò)程。然而，典型半導(dǎo)體激光器通常為窄帶設(shè)備，只能以特有波長(zhǎng)發(fā)出單色光。相比之下，量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體具有超寬帶的特點(diǎn)，可以同時(shí)在更寬的光譜范圍內(nèi)選取波長(zhǎng)。因此，對(duì)于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。2.3量子阱半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)直腔面發(fā)射LD在量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以后才成為可能。根據(jù)光輸出方向與結(jié)平面的關(guān)系，LD可分為邊發(fā)射LD和垂直腔面發(fā)射LD。垂直腔面發(fā)射LD為光垂直于結(jié)平面的方向輸出。垂直腔是指激光腔的方向，即光子振動(dòng)方向垂直于半導(dǎo)體芯片的襯底，光在有源層厚度方向得到放大。由于有源層厚度很小，要想實(shí)現(xiàn)低閾值的激光振蕩，要求要有高增益系數(shù)的有源層介質(zhì)，即采用量子阱材料。另外，還需要有高的腔面反射率。而提高腔面反射率的方法是在腔面鍍高反膜，但是難度較大。激光器工作時(shí)，腔內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)，須使有源區(qū)與腔內(nèi)駐波場(chǎng)有最大的重疊，同時(shí)適當(dāng)增加腔長(zhǎng)以有利于增加基模直徑，從而提高輸出功率。因此，有源層應(yīng)與駐波場(chǎng)中心峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的X/4n范圍有最大的重疊，在此范圍內(nèi)生長(zhǎng)多量子納米材料課外論文阱結(jié)構(gòu)有利于獲得更大的功率輸出。另外，要有高的輸出功率，須有高的功率效率，即要有高的微分量子效率，有遠(yuǎn)大于閾值的工作電流。若腔長(zhǎng)為波長(zhǎng)入量級(jí)，則激光器將出現(xiàn)由自發(fā)輻射所控制的新的效應(yīng)。自發(fā)輻射因子的增加，將產(chǎn)生更多的受激發(fā)射“種子”，從而導(dǎo)致閾值電流下降。若在閾值電流以上，在給定注入速率下注入的載流子壽命依閾值電流的降低而等比率的減少，從而能使調(diào)制帶寬增加。2.4量子阱半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)的制備襯底出光的InGaAs/GaAs量子阱垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的有源層由三個(gè)InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱組成，InGaAs量子阱寬為8nm,GaAs勢(shì)壘寬為10nm，三個(gè)量子阱被上、下AlGaAs限制層包圍構(gòu)成為一個(gè)波長(zhǎng)的諧振腔。其中p型反射鏡為38.5周期（摻雜C）,n型反射鏡為28.5周期（摻雜Si），n型反射鏡的對(duì)數(shù)比p型反射鏡對(duì)數(shù)少，以使器件的光從n型反射鏡一側(cè)由襯底出射形成襯底出光型器件。在p型分布的布拉格反射鏡與有源區(qū)之間加入一層由Al組分的As層,厚度為30nm，此層在器件的工藝過(guò)程中將被氧化為AlxOy絕緣層，形成電流注入窗口，起到電流限制作用。器件結(jié)構(gòu)中各外延層由金屬有機(jī)化合物氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在GaAs襯底（摻雜Si）上外延生長(zhǎng)獲得。工藝過(guò)程中，采用化學(xué)濕法腐蝕法，腐蝕出直徑為350^m的圓形臺(tái)，腐蝕深度以露出Al0.98Ga0.02As層為宜，之后把器件置于高溫（420C。）濕氮環(huán)下對(duì)Al0.98Ga0.02As層進(jìn)行氧化處理，轉(zhuǎn)化為AlxOy絕緣層，形成300^m直徑的電流注入窗口。之后對(duì)器件的襯底進(jìn)行減薄和化學(xué)輔助拋光處理，減薄到大約I50^m左右，以減少襯底對(duì)器件的串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)。在P型分布的布拉格反射鏡側(cè)做大面積的Ti-Pt-Au金屬接觸。在n型GaAs襯底上蒸發(fā)制作Si/SiO2增透膜膜系，以提高輸出光功率，并由自對(duì)準(zhǔn)光刻技術(shù)保留出光窗口之后作襯底側(cè)的n型金屬接觸層。最后由快速熱退火爐進(jìn)行合金退火處理。整個(gè)器件結(jié)構(gòu)由In焊料（In焊料為軟焊料，可以減少封裝過(guò)程中引入到外延片的應(yīng)力）把器件焊接到銅熱沉上，之后進(jìn)行電極過(guò)渡，用超聲金絲球焊引線，對(duì)器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝，并對(duì)器件特性進(jìn)行測(cè)試。.量子阱半導(dǎo)體激光器的原理量子阱半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用及進(jìn)展量子阱半導(dǎo)體激光器憑借其突出的優(yōu)點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3.1可見光半導(dǎo)體激光器紅光半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在光信息存儲(chǔ)、條形碼識(shí)別、激光打印、醫(yī)學(xué)儀器等方面，而藍(lán)綠激光在海洋探測(cè)中發(fā)揮作用，另外，RGB半導(dǎo)體光源將對(duì)圖像及信息處理產(chǎn)生重大影響。目前，紅光半導(dǎo)體激光器已逐漸取代傳統(tǒng)的氣體激光器，例如，InGaAlP材料的紅光應(yīng)變量子阱激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。隨著其性能的不斷提高，有望在一定程度上取代He-Ne激光器。藍(lán)綠光激光器經(jīng)過(guò)了一個(gè)相當(dāng)困難的階段才逼近市場(chǎng)，主要是由于材料與襯底的匹配以及制作工藝等原因。3.2光纖通訊中半導(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)體激光器作為光源，量子阱（特別是應(yīng)變量子阱）半導(dǎo)體激光器除具有半導(dǎo)體激光器的體積小，價(jià)格低，可以直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)外，還有好的動(dòng)態(tài)特性，低的閾值電流，引入光柵進(jìn)行分布反饋等特點(diǎn)，其已然成為目前高速通信中最為理想的光源。作為EDFA的泵浦源，980nm低閾值大功率AlGaAs/InGaAs，InGaAlP/InGaAs