GaAs基垂直腔面发射激光器地的综述

wordInP/InGaAsP垂直腔外表发射激光器综述摘要：的VCSEL在光纤通信方面的应用。关键词:半导体激光器 垂直腔外表发射激光器 InP/InGaAsP引言：1962年，世界上第一台半导体激光器GaAs激光器实现了低温下的脉冲工作。1970年实现了室温下连续工作，其后半导体激光器取得了迅速的开展。目前半导体激光器在光存储、光陀螺、激光打印、激光准直、测距等方面有广泛的应用。尤其在光纤通信中，它是最重要的光源之一。波长的VCSEL是研究的热点，它们在中短距离通信方面有重要的应用。1 半导体激光器简介半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质，利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生激光的光振荡器和光放大器的总称。它具有体积小，重量轻，寿命长，效率高，可利用调制高频电流的方法实现高频调制，可批量生产，可单片集成化等诸多优点。半导体激光器发出激光的必要条件有：1实现粒子数反转，即将价带的电子激发到导带形成大量的电子空穴对。2有一个能起光反应作用的谐振腔。3满足一定的阈值条件使光增益大于光损耗。半导体激光器的激励方式有很多，如注入电流激励、光激励、碰撞电离激励等。目前应用最广的是pn结注入电流激励。采用这种激励方式的半导体激光器称注入型半导体激光器，也称激光二极管1。2 半导体激光器原理1半导体发光在半导体晶体中，由于原子之间的相互作用，其外层电子价电子的能级发生分裂形成两个能带，能量较低的称为价带，较高者称为导带，导带底与价带顶之间的能量差称为禁带宽度，如图1所示。电子-空穴对的复合过程就是电子由导带跃迁到价带的过程，这一过程会发出一个频率的光子。导带边与价带边具有一样波矢者，称为直接带隙半导体。在直接带隙半导体内，能带间的光跃迁是直接进展的，没有声子参与，光子的吸收与发射效率很高。因此在半导体激光器中，作为发光介质的有源区，必须是直接带隙半导体。 图1 半导体中的能带电子-空穴对产生的过程称为载流子注入，其反过程为载流子复合。要在有源区实现粒子数反转，就需要不断的进展载流子注入，通过双异质结构DH可以实现载流子注入与载流子限制。其根本结构如图22所示。电子由N限制层注入有源层，空穴从P限制层注入有源层，在有源层发生载流子的复合，发生光子的受激发射光放大。并且，N限制层与P限制层提供的空穴势垒和电子势垒将注入的载流子限制在有源层内，提高了载流子注入效率。 图2 双异质结构2光波导与谐振腔 光波导是能够将光波限制在其中并使光沿层面传播的结构。介质光波导有多种形式，如：简单的双异质结结构三层介质波导、大光腔结构四层介质波导、分别限制异质结构五层介质波导等，这里简要介绍分别限制异质结构SCH。SCH的折射率分布为最中心折射率为你n,为有源层，其旁边上下两层折射率为的是载流子限制层，作用是将载流子约束在有源层内同时与有源层一起构成光波导，又称为芯层。最外面折射率为的为上下包层，其折射率与载流子限制层相差很大，可以有效地将光约束在光波导内。半导体激光器的谐振腔中最简单的是法布里-珀罗F-P谐振腔，它由两个平行的平面镜组成。在半导体器件中，光波导的两个平行的端面构成水平谐振腔，两个平行的外表构成垂直谐振腔。这种谐振腔结构非常简单，但纵模不稳定，常出现多模或跳模。利用与有源层平行耦合的布拉格衍射光栅，能够实现锁模，可将振荡频率锁定在布拉格频率附近。垂直谐振腔中，一般采用分布布拉格反射器DBR代替外表平面镜。DBR是折射率周期性变化的多层结构，各层厚度均为四分之一波长，利用多光束干预使反射光得到加强来提高反射率。3 基于InP/InGaAsP材料的垂直腔外表发射半导体激光器垂直腔外表发射激光器的出射光束垂直于芯片外表。它具有阈值电流低，出射光束发散角小，易于单片集成，出射光束为圆形等优点。VCSEL的腔长非常短，纵模间距很大，容易实现单纵模传输。有源区体积小，具有相对大的调制带宽。在光通信、光互连、光信号处理、光计算与光电集成组件等方面有着广泛的应用前景3。1垂直腔外表发射激光器的根本结构VCSEL的结构主要由两局部组成：量子阱QW有源区和分布布拉格反射器。其结构如图3所示。根据对电流注入和光场限制的不同，可以将VCSEL的结构分为四类:空气柱型、质子注入型、掩埋异质结构、氧化限制型。目前实用化的VCSEL多为氧化限制型。这种结构是利用氮气作为载气，携带的水蒸气在一定温度下将AlGaAs氧化成Al2O3,这种结构不仅能提供良好的电流 图3VCSEL结构注入和光场限制，而且能将有源区尺寸减小到数微米。 2量子阱的原理与材料当DH半导体芯片的有源层厚度可以和电子波的波长相比时，载流子沿垂直于有源层方向的动量量子化为一系列分立的能级，称为量子尺度效应。它类似于量子力学中的一维势阱，因此被称为量子阱。这种结构使电子或空穴被限制在阱内，即电子或空穴只能在与阱面平行的方向上以任意的动量运动，在垂直于阱面的方向上不能作自由运动，采用这种结构可以有效地改善半导体激光器的性能。量子阱有微腔效应，微腔的量子电动力学效应导致载流子寿命与自发发射谱线宽度的减小，二者的减小会造成光增益常效与自发发射因子的增大，与的增大使激光器阈值大幅度降低，调制频率大幅度提高。假如仅将DH激光器的有源层做的很薄,形成单量子阱SQW或多量子阱(MQW)的结构。由于QW层太薄，导致产生了光波限制减弱、对导波光的有效增益变小、容易产生注入载流子泄露等缺点，不能做出高性能的激光器。因此人们制作了各种改良结构。比如：、变形单量子阱MSQW、分布折射率分别限制单量子阱(GRIN-SCH-SQW)、变形多量子阱(MMQW)，应变补偿多量子阱SCMQW等4。 量子阱有源区的材料的禁带宽带决定了激光器的带隙波长，带隙波长的计算式为：可用于作为量子阱有源区的材料有很多，现在最常用的有两种材料体系，一种是以GaAs和AlxGa1-xAs(下标x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数)为根底的，这种材料体系的带隙波长一般在850nm左右，其出射波长受掺杂情况以与x的影响。另一种是以InP和In1-xGaxAsyP1-y，这两种波长都可用于光纤通信5。3InP/InGaAsP材料的有源区与GaAs/AlAs材料的DBR左右。InP/InGaAsP的制备可以采用气态源分子束外延(GSMBE)生长技术，在InP基上生长出一层适宜的有源区材料，制成SCMQW结构。这种激光器的DBR可采用GaAs/AlAs材料，这种材料的生长也可采用GSMBE技术，生长大约30对GaAs/AlAs DBR的反射率大于99%，可以满足使用要求。这种材料的折射率与温度和光波长有关，其经验公式6为： 其中，T为温度，单位为K，h为普朗克常量，c是光速。对GaAs，C0=0.015381，C1=12.3615，E1(0)=1.5192，E1(0)=3.791；对AlAs，C0= 0.060876，C1= 61.064215，E1(0)= 3.099，E1(0)=11.717。处GaAs折射率为3.408，AlAs折射率为2.909。根据DBR中每层厚度为的GaAs/AlAs DBR中GaAs单层厚度为96.1nm, AlAs单层厚度为112.59nm。4 InP/InGaAsP材料的垂直腔外表发射激光器的应用左右，这种波长的VCSEL主要用于光纤通信。2001年4月，Infineon技术公司宣布已经研制出GaAs基的1300nmVCSEL，它以10Gbit/s的光纤传输数据率工作，最大输出功率1mW，室温下阈值电流2mA，激光作用温度达80VCSEL产品7。5 总结的半导体激光器经过多年的开展，已经取得了很大的进步，也仍然存在一些问题，比如它的温度特性较差，虽然技术上可以采用热电制冷、光控、温控等方法确保器件的正常工作。但这些方法都会导致本钱的增加和系统可靠性的降低8。参考文献2杜宝勋等编著 半导体激光器理论根底 ：科学 20114 栖原敏明日 半导体激光器根底 ：科学 2002VCSEL结构制作研究 中国科学院某某微系统与信息技术研究所硕士论文 20077 宋晓舒垂直腔面发射激光器制造商强攻1300nm电信业堡垒 光机电信息 2002(8)InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱激光器 功能材料与器件学报 2000(6)6 / 6