2、半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將從電學(xué)和光學(xué)兩方面來(lái)考慮半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)，目的是通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)獲得一定性能的激光輸出。半導(dǎo)體激光器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2023最新整理收集do

something半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊發(fā)射型：激光輸出與PN結(jié)平面方向平行：發(fā)展最早面發(fā)射型：激光輸出與PN結(jié)平面方向垂直：新近出現(xiàn)常規(guī)邊（端面）發(fā)射LD面發(fā)射LDLD的基本結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本章節(jié)主要討論邊發(fā)射型結(jié)構(gòu)。引入三個(gè)方向：X方向：結(jié)平面方向（垂直方向）Y方向：結(jié)方向 （水平方向）Z方向：腔長(zhǎng)方向（縱向方向）半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為什么要對(duì)垂直方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？世界上第一只半導(dǎo)體LD：同質(zhì)結(jié)性能：Jth相當(dāng)高，40~60kA/cm2；只能在低溫下脈沖工作（77K）。原因：（1）注入的電子擴(kuò)散到P+區(qū)，使有源區(qū)電子不能集中，很難形成電子的大量聚集。（2）同質(zhì)結(jié)，P+、N區(qū)對(duì)光無(wú)限制作用，光泄漏明顯。低溫工作：保證從n區(qū)注入的電子沒(méi)有足夠的能量擴(kuò)散和漂移到P+區(qū)，強(qiáng)行將電子限制在有源區(qū)。脈沖工作：保證某一瞬時(shí)有源區(qū)中的電子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。如果是連續(xù)注入電流，則電子擴(kuò)散進(jìn)P+區(qū)。要達(dá)到受激，必須增大注入電流。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想：從第一只半導(dǎo)體LD的性能來(lái)看，要獲得應(yīng)用必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。垂直方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的：降低閾值電流密度Jth；實(shí)現(xiàn)室溫下工作；實(shí)現(xiàn)連續(xù)注入電流下工作。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)垂直方向的結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同質(zhì)結(jié)HomostructureHS單異質(zhì)結(jié)SingleHeterostructureSH雙異質(zhì)結(jié)DoubleHeterostructureDH分別限制異質(zhì)結(jié)SeparateConfinementHeterostructureSCH量子阱QuantumWellStructureQW同質(zhì)結(jié)（Homostructure—HS）LD兩種材料相同，Eg和n基本相同（只是由于導(dǎo)電類型和摻雜濃度不同而稍有偏差）。1962年開(kāi)始研究1965年對(duì)其研究接近尾聲半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有源區(qū)一側(cè)采用Eg較大的材料，Eg大的材料其折射率也小。1969年研制成功。在有源區(qū)和P+區(qū)界面形成（1）電子的勢(shì)壘；（2）折射率臺(tái)階。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單異質(zhì)結(jié)（SingleHeterostructure—SH）LDSH結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：對(duì)一種載流子起限制作用；且對(duì)光子在一側(cè)起限制作用。SH

LD性能：（1）由于在一側(cè)采用了異質(zhì)結(jié)，提高了注入效率，減少了光泄漏。Jth為同質(zhì)結(jié)的1/5。 例：GaAlAs/GaAs：Jth~10kA/cm2。（2）室溫下能脈沖激射。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單異質(zhì)結(jié)（SingleHeterostructure—SH）LD有源區(qū)的兩側(cè)采用Eg大的材料。1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。有源區(qū)兩側(cè)的兩個(gè)界面上同時(shí)形成：（1）載流子勢(shì)壘臺(tái)階 ——對(duì)兩種載流子同時(shí)起限制作用。（2）折射率臺(tái)階 ——對(duì)光子同時(shí)從兩側(cè)起限制作用。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙異質(zhì)結(jié)（DH-DoubleHeterostructure

）LDDHLD的性能：（1）Jth大大降低。 例GaAlAs/GaAs：Jth~0.5kA/cm2。（2）室溫下能連續(xù)工作。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙異質(zhì)結(jié)（DH-DoubleHeterostructure

）LDDHLD的閾值電流密度：對(duì)于DHLD，降低有源區(qū)厚度d，可以進(jìn)一步降低Jth，但能承受的總輸出光功率也相應(yīng)降低。因?yàn)槌惺艿妮敵龉夤β逝c發(fā)光尺寸相關(guān)。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙異質(zhì)結(jié)（DH-DoubleHeterostructure

）LD例如：如果激光輸出為幾mW，則發(fā)光處的光能密度可高達(dá)106W/cm2，相當(dāng)于太陽(yáng)表面的能量密度，將使端面處的半導(dǎo)體材料燒熔。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)Jth低功率大的LD？把載流子限制和光的限制分開(kāi)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別限制異質(zhì)結(jié)LD（SCH-SeparateConfinementHeterostructure

）把載流子限制和光的限制分開(kāi)p-GaAlAsp-GaAsn-GaAlAs載流子、光子限制層載流子、光子限制層DH結(jié)構(gòu)p-GaAlAsp-GaAsn-GaAlAsP+-GaAlAsn+-GaAlAs光子限制層光子限制層載流子限制層載流子限制層SCH結(jié)構(gòu)有源區(qū)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依靠

Eg1的帶隙差把注入載流子限制在有源區(qū)d內(nèi)依靠足夠大的

n2把光限制在w區(qū)域SCH結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：Jth低、功率大分別限制異質(zhì)結(jié)LD（SCH-SeparateConfinementHeterostructure

）半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)量子阱結(jié)構(gòu)LD

（QuantumWellStructure）一般DHLD有源區(qū)最佳厚度約為0.15

m。d進(jìn)一步降低，將會(huì)使Jth明顯減小。但是，當(dāng)d減至德布羅意波長(zhǎng)（=h/p50nm），或者減至可以和波爾半徑（1-50nm）相比擬時(shí)，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量、載流子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)會(huì)出現(xiàn)新的效應(yīng)—量子尺寸效應(yīng)。相應(yīng)的勢(shì)阱稱為量子阱。由于尺寸降低使電子和空穴的運(yùn)動(dòng)變得量子化，即電子和空穴的運(yùn)動(dòng)受到量子化的限制稱為量子尺寸效應(yīng)或量子阱效應(yīng)。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超晶格：對(duì)材料而言，由兩種或兩種以上性質(zhì)（組分或?qū)щ婎愋停┎煌某⌒途w材料，相互交替堆疊形成多個(gè)周期的結(jié)構(gòu)，如果每層的厚度足夠薄，以致其厚度小于電子在該材料中的德布羅意波的波長(zhǎng)，這種周期變化的超薄多層結(jié)構(gòu)，叫做超晶格。ABABd1d2}一個(gè)周期量子阱結(jié)構(gòu)LD—超晶格和量子阱的概念半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超晶格的制備：分子束外延（MBE）技術(shù)，能精確控制生長(zhǎng)層厚度的能力，生長(zhǎng)出極薄的一層一層交替生長(zhǎng)的超晶格。在這種超晶格材料中，人們可以任意改變薄膜的厚度，控制它的周期長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，它的周期長(zhǎng)度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長(zhǎng)。ABABd1d2}一個(gè)周期量子阱結(jié)構(gòu)LD—超晶格和量子阱的概念1970年由美國(guó)IBM公司的美籍日本人江崎和美籍華人朱兆強(qiáng)首先提出。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)量子阱：針對(duì)物理效應(yīng)而言，比如一個(gè)超晶格材料具有量子阱效應(yīng)，那么，利用這種效應(yīng)制作出的器件稱為量子阱器件。無(wú)論是超晶格還是量子阱，共同特點(diǎn)是都具有量子尺寸效應(yīng)。把具有超晶格、量子阱結(jié)構(gòu)的LD稱為超晶格量子阱LD或量子阱LD。量子阱結(jié)構(gòu)LD—超晶格和量子阱的概念半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用溝道勢(shì)阱作近似分析。有源區(qū)中的載流子只在垂直于PN結(jié)平面方向（x）受到限制；在平行于結(jié)平面方向（y,z）上仍可自由運(yùn)動(dòng)。dV0xyzn有源區(qū)P+

e量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)阱中的電子波函數(shù)應(yīng)滿足三維的薛定諤方程：V(x)—結(jié)區(qū)勢(shì)壘dV0xyzn有源區(qū)P+

e量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱中的電子狀態(tài)將哈密頓算符分解為垂直于結(jié)平面的x分量和平行于結(jié)平面（yz）的橫向分量，并假定：半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到在無(wú)限深異質(zhì)結(jié)勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)的載流子總能量為：載流子能量在y、z方向是連續(xù)的，而在x方向是量子化的。橫向波失大小dV0xyzn有源區(qū)P+

e量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)例GaAsDH量子阱能帶：在窄帶GaAs中的電子和空穴分別處在導(dǎo)帶和價(jià)帶形成的勢(shì)阱中。E3CBVBn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsE2E1Ehh1Ehh2Elh1Ehh3E1、E2、E3

電子能級(jí)Ehh1、Ehh2、Ehh3

重空穴能級(jí)Elh1

輕空穴能級(jí)量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱中的電子狀態(tài)MQWs襯底n-GaAsVBCBp-Ga1-xAlxAsn-Ga1-xAlxAsp-GaAsp-Ga1-yAlyAs半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)QWLD：把一般DHLD的有源區(qū)厚度d做成數(shù)十nm以下的結(jié)構(gòu)。單量子阱結(jié)構(gòu)：SQWs–SingleQuantumWellStructure多量子阱結(jié)構(gòu)：MQWs–Multi-QuantumWellStructureCBVBn-GaAlAsp-GaAsp-GaAlAs襯底n-GaAsSQWs量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱（QW）LD的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SQWsLD：具有一個(gè)載流子勢(shì)阱和兩個(gè)勢(shì)壘的量子阱LD。d20nm：有源區(qū)內(nèi)的非平衡載流子大部分聚集在較低的能量狀態(tài)；載流子的復(fù)合主要發(fā)生在阱內(nèi)；其發(fā)光波長(zhǎng)由有源區(qū)（GaAs阱）中的能級(jí)狀態(tài)決定。量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱（QW）LD的結(jié)構(gòu)E3CBVBn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsE2E1Ehh1Ehh2Elh1Ehh3半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SQWsLD：具有一個(gè)載流子勢(shì)阱和兩個(gè)勢(shì)壘的量子阱LD。d很薄，如8nm：載流子由于隧穿效應(yīng)將不會(huì)被有效聚集；復(fù)合發(fā)光主要在阱外，發(fā)光波長(zhǎng)由GaAlAs層的Eg決定。d太小的SQWs，從鄰近限制層中收集非平衡載流子的效率較低。解決的措施：采用MQWSLD。CBVBn-GaAlAsp-GaAsp-GaAlAs襯底n-GaAsSQWs量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱（QW）LD的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)MQWsLD：具有n個(gè)載流子勢(shì)阱和n+1個(gè)勢(shì)壘的量子阱LD。通過(guò)隧穿效應(yīng)將有源區(qū)擴(kuò)大，能有效收集非平衡載流子于阱中的較低能量狀態(tài)，激光輻射就在量子阱內(nèi)發(fā)生。一般量子阱LD通常采用多層結(jié)構(gòu)。襯底n-GaAs襯底n-GaAsCBVBMQWsp-Ga1-xAlxAsn-Ga1-xAlxAsp-GaAsp-Ga1-yAlyAs量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱（QW）LD的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）低的Jth阱內(nèi)具有相對(duì)高的態(tài)密度，容易形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。如：GaAlAs/GaAsMQWsLD：Jth~43A/cm2。 DHLD：Jth~500A/cm2（2）除受有源區(qū)Eg控制外，還隨阱寬變化——可通過(guò)改變阱寬在小范圍內(nèi)選擇工作波長(zhǎng)。量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱LD的特性半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超晶格帶的能量隨d的減小而增大，d變小，超晶格帶之間的躍遷復(fù)合發(fā)射光的能量增大，波長(zhǎng)變短。CB超晶格帶的能量量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱LD的特性半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）可高溫工作，溫度穩(wěn)定性大大改善。特征溫度T0可達(dá)150K（InGaAsP）。QWLD無(wú)須使用致冷器，無(wú)須補(bǔ)償因溫度引起性能變化的自動(dòng)功率控制電路（APC）。（4）目前大功率激光器都采用量子阱結(jié)構(gòu)。至今：連續(xù)輸出功率可達(dá)：200W；準(zhǔn)連續(xù)（即占空比為1:2或更大）輸出功率可達(dá)：數(shù)千瓦；脈沖輸出功率可達(dá)：數(shù)萬(wàn)瓦。量子阱結(jié)構(gòu)LD—量子阱LD的特性半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)垂直方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)：目的：實(shí)現(xiàn)低Jth、室溫工作、連續(xù)注入電流下工作。設(shè)計(jì)思想：（1）采用雙異質(zhì)結(jié)，通過(guò)有源區(qū)與其上下的限制層之間帶隙差

Eg和折射率差

n來(lái)實(shí)現(xiàn)載流子限制和光限制。（2）減小有源區(qū)厚度。更小的厚度將形成QW結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平行方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)X方向：結(jié)平面方向（垂直方向）Y方向：結(jié)方向 （平行方向）Z方向：腔長(zhǎng)方向 （縱向方向）半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為什么要對(duì)平行方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？一般來(lái)說(shuō)，如平行方向沒(méi)有采取措施，電流是沿整個(gè)PN結(jié)平面注入，這種結(jié)構(gòu)的LD的Jth較高，而且輸出的激光光斑為橢圓形，與光纖的耦合效率較低。光纖通信基本不采用這種結(jié)構(gòu)的LD。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的：降低工作電流；控制橫模；橫模半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想：將平行于結(jié)平面方向上的光子和載流子限制在一個(gè)較窄和很薄的條形區(qū)域內(nèi)。同時(shí)提高載流子和光子的濃度，降低LD的閾值電流。橫?？刂平Y(jié)構(gòu)：條形結(jié)構(gòu)（有源區(qū)為條狀）增益導(dǎo)波LD折射率導(dǎo)波LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、增益導(dǎo)波LD電流注入的電極：條狀。設(shè)計(jì)思想：將注入的載流子約束在有源區(qū)的條形范圍內(nèi)（5~10

m寬），使非平衡載流子被局限在中心區(qū)域。由于在條形區(qū)域內(nèi)光增益最大，條形區(qū)以外損耗較大，所以光分布也被限制在這個(gè)條形區(qū)域內(nèi)。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、增益導(dǎo)波LD增益導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)類型：電極條形臺(tái)面條形離子轟擊條形半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、增益導(dǎo)波LD——增益導(dǎo)波LD的性能（1）光功率—電流（P-I）特性非線性，出現(xiàn)kink扭折。出現(xiàn)kink的原因：普遍認(rèn)為是由于有源區(qū)中折射率分布和增益分布發(fā)生局部變化。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）注入電流增加時(shí)，光斑尺寸不太穩(wěn)定。原因：電流在水平方向的擴(kuò)展增大。（3）側(cè)向光場(chǎng)泄漏依然嚴(yán)重，非條形區(qū)域仍有光強(qiáng)分布。解決的辦法：采用折射率導(dǎo)波LD。一、增益導(dǎo)波LD——增益導(dǎo)波LD的性能半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、折射率導(dǎo)波LD—設(shè)計(jì)思想利用水平方向上折射率突變分布來(lái)實(shí)現(xiàn)橫?？刂?，使有源區(qū)產(chǎn)生的光在波導(dǎo)中傳播時(shí)在有源區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生全反射而導(dǎo)引，因而取名折射率導(dǎo)波。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、折射率導(dǎo)波LD——與增益導(dǎo)波的區(qū)別增益導(dǎo)波LD在有源區(qū)兩側(cè)沒(méi)有折射率差異，不會(huì)產(chǎn)生全反射，只會(huì)產(chǎn)生光的損耗泄漏，橫模的控制只能依靠電流注入產(chǎn)生增益突變分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。增益導(dǎo)波折射率導(dǎo)波半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、折射率導(dǎo)波LD—結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)：Jth很低（水平方向、垂直方向都對(duì)載流子限制）橫模控制能力強(qiáng)（水平方向?qū)庾酉拗疲┹敵龉獍叻€(wěn)定，適合于與單模光纖耦合輸出光功率有限：有源區(qū)的截面積小，出射端面能承受的光功率較低。工藝較復(fù)雜，而增益導(dǎo)波LD工藝簡(jiǎn)單半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平行方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)目的：降低閾值電流、控制橫模。方式：增益導(dǎo)波、折射率導(dǎo)波利用水平方向增益突變利用水平方向折射率突變?yōu)榱双@得模式穩(wěn)定的激光振蕩，最好采用折射率導(dǎo)波限制。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱向方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)X方向：結(jié)平面方向（垂直方向）Y方向：結(jié)方向 （平行方向）Z方向：腔長(zhǎng)方向 （縱向方向）半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為什么要對(duì)縱向方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？縱向結(jié)構(gòu)是決定器件縱模特性的重要因素。縱向結(jié)構(gòu)的重要性，可從F-P型LD的局限性來(lái)理解?？v向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的：實(shí)現(xiàn)單（頻）模振蕩半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)F-P型LD的局限性

F-P諧振腔內(nèi)允許的縱模個(gè)數(shù)和波長(zhǎng)應(yīng)滿足共振條件：譜寬：半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選頻作用差，受激振蕩時(shí)很難獲得單模振蕩或單頻振蕩。溫度或注入電流變化時(shí)，出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，對(duì)高速光纖通信極為不利。局限性：F-P型LD的局限性半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱向結(jié)構(gòu)的類型：分布反饋（DFB）LD（DFB-DistributedFeedback）分布布拉格反射式（DBR）LD（DBR-DistributedBragReflector）DFBDBR半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分布反饋（DFB）LD目前已成為中、長(zhǎng)距離光纖通信的主要激光器。特別是在1.3

m、1.55

m光纖通信系統(tǒng)，以及光纖有線電視（CATV）傳輸系統(tǒng)中，DFBLD已成為不可替代的光源。

設(shè)計(jì)思想：

有源區(qū)表面沿縱向方向形成周期性波紋形狀。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——結(jié)構(gòu)在有源區(qū)介質(zhì)表面上使用全息光刻法制成周期性的波紋形狀，波紋的周期為D。發(fā)射的光子將受到有源區(qū)表面每條光柵的反射，從而形成光反饋，在兩端面可得到激光輸出。激光波長(zhǎng)：工作原理：分布反饋LD原理分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——晶體的X射線Brag反射原理經(jīng)晶面族反射的光束將發(fā)生干涉。發(fā)生干涉的條件是：逐個(gè)反射面反射的光程差必須為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即為介質(zhì)中光波的波長(zhǎng)2dsin

B=m分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DFBLD的周期波紋光柵類似于晶體的晶面族。對(duì)于DFBLD，入射光與光柵垂直，即

B以90°角入射于周期性波紋光柵上。柵條間入射光與反射光的方向恰好相反。滿足一定條件時(shí)，反射光將發(fā)生相互干涉。

——晶體的X射線Brag反射原理分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即

B=90°，d=D,代入2dsin

B=m得到：

=2D/m（m=1,2,3,…….）

為有源區(qū)中光的波長(zhǎng)，m為光柵級(jí)數(shù)DFB中光波波長(zhǎng)：而F-PLD的光波波長(zhǎng)：——晶體的X射線Brag反射原理分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一旦有源區(qū)材料和結(jié)構(gòu)確定，即neff、m、D確定，只有上式確定的波長(zhǎng)的光才會(huì)受到強(qiáng)烈反射，從而提供光反饋。盡管有源區(qū)波導(dǎo)還有其它波長(zhǎng)，但唯一

B能干涉反饋振蕩放大激射，最終把所有光能量都集中到B的縱模上，實(shí)現(xiàn)單縱模激光輸出?！w的X射線Brag反射原理分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)F-P型：當(dāng)工作電流超過(guò)Ith時(shí)，往往同時(shí)激射若干縱模，很難實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩。DFBLD：可在自發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)有控制地選擇發(fā)射波長(zhǎng)。（1）選模（選頻）——DFBLD的性能分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選模（選頻）作用的一個(gè)應(yīng)用：集成光路的頻率多路復(fù)用技術(shù)在單片襯底上制作不同光柵周期的DFBLD，并通過(guò)一個(gè)光波導(dǎo)耦合便可輸出多束不同波長(zhǎng)的激光。這樣的多頻道集成化的LD在多頻道高速數(shù)據(jù)傳輸中特別有用?！狣FBLD的性能分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）譜寬窄光柵比解理面更具波長(zhǎng)選擇性：普通F-PLD： 0.1~0.2nmDFBLD： 0.05~0.08nm——DFBLD的性能分布反饋（DFB）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）穩(wěn)定性好隨PN結(jié)溫的漂移對(duì)光纖通信系統(tǒng)十分不利。光纖通信系統(tǒng)中，使用窄帶通濾光器減小背景光強(qiáng)來(lái)提高信噪比。小到1nm的漂移就可能把光束波長(zhǎng)移到濾光器的通帶之外。DFBLD：0.08nm/°C——DFBLD的性能分布反饋（DFB）LDF-PLD：0.3~0.4nm/

C半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分布布拉格反射式（DBR）LDDFBLD的局限性：制作光柵時(shí)，需要復(fù)雜的二次外延技術(shù)。在制作出光柵波紋之后，由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光柵，致使光柵變得殘缺不全，導(dǎo)致諧振腔內(nèi)的散射損耗增加，使LD的內(nèi)量子效率降低。解決的措施：把周期性波紋放在有源區(qū)波導(dǎo)兩外側(cè)的無(wú)源波導(dǎo)上。即DBR結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DBRLD的結(jié)構(gòu)：DBRDFBDBR：兩個(gè)無(wú)源周期波紋波導(dǎo)充當(dāng)Brag反射鏡作用，只有Brag頻率附近的光波才能提供有效的反饋。由于有源波導(dǎo)的增益特性和無(wú)源周期波導(dǎo)的Brag反射，使只有Brag頻率附近的光波能滿足振蕩條件，從而發(fā)射出激光。分布布拉格反射式（DBR）LD無(wú)源周期波紋波導(dǎo)（光柵區(qū)）有源波導(dǎo)（增益區(qū)）半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光柵做在外面的好處：（1）避免由于制作光柵過(guò)程中的晶格損傷引起的非輻射復(fù)合。（2）光柵可單獨(dú)制作。分布布拉格反射式（DBR）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DBRLD的優(yōu)點(diǎn)：由于有源區(qū)和波紋光柵分開(kāi)，減少了非輻射復(fù)合，因而損耗減少，提高了發(fā)光效率，降低了閾值電流，從而實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。易控制縱模，可獲得單頻輸出。不需要諧振腔結(jié)構(gòu)的反射鏡，有利于與其它光電子器件耦合。分布布拉格反射式（DBR）LD半導(dǎo)體LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—縱向方向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱向結(jié)構(gòu)的變化對(duì)LD性能的影響 F-P DFB、DBR輸出縱模特性 多縱模 單縱模波長(zhǎng)與溫度、電流關(guān)系 模式跳動(dòng) 穩(wěn)定，僅有微小變化線寬