有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告

第一篇：有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告

有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告

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摘 要：异质结半导体激光器是半导体激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展。异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值。

关键词：双异质结半导体激光器；量子阱激光器；泵浦

About double heterostructure lasers andreport on the basis of

quantum well laser

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(xxxx)Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development.Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application value Key words: double heterojunction semiconductor lasers;Quantum well laser;pump 0 引言

双异质结激光器和量子阱激光器在我们的当代

工作。图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带的科研中都取得了一定的成绩，有很多相关的资料

隙的N区和P区注进有源区。它们在该区的扩散又供我们查看和研究，这些惊人的成就给我的生活带

分别受到P－p异质结和N－p异质结的限制，从而来的巨大的改变，我们作为新一代的基础人员，有

可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平义务去发展，将这些激光器的研究壮大和深入。

衡载流子浓度。同时，窄带隙具有源区有高的折射率与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。

异质结激光器激光器 的供应商是半导体半导体 的供应商激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤光纤 的供应商通信及网络技术成为现实并迅速发1 双异质结基本结构

双异质结基本结构是将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm的半导体激光器在室温下能连续展。异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值.异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，提高效率。

1.1 泵浦的简单介绍

泵浦(pump)，即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。在激光中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态（人们用“泵浦”一词形容这一过程(如同把水从低处抽往高处))，物理学家将这种状态称为激发态(excited state)。是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程

半导体泵浦固体激光器的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。不同种类的激光器工作原理也不太相同，下面主要介绍端面泵浦固体激光器和侧面泵浦固体激光器两种。

1、端面泵浦固体激光器端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的使用率也相对高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。

2、侧面泵浦固体激光器侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二

极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。半导体泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。

1.2 异质结激光器的设计思路

制造激光器首先要有产生光的源，最重要的是要使粒子束翻转，这样才能够产生受激辐射，产生受激辐射光，在谐振腔作用下产生最后的激光。用异质结制作的半导体激光器可以把载流子限制在发光区，使大量的将要复合的电子和空穴沉积在窄带上，翻转的粒子束大于普通的半导体激光器。ALGaAs+ｎ和ALGaAs+ｐ是宽带中间是GaAs窄带，加正向偏压的情况下从ALGaAs+ｎ的导带越过尖势垒向GaAs注入电子，电子由于受到同型异质结ALGaAs+ｐ的势垒的作用在窄带处沉积，当然有少量的电子越过势垒跑掉了。同样在价带处，空穴从ALGaAs+ｐ注入到窄带中，受到ALGaAs+ｎ势垒的作用后沉积在窄带。那么在GaAs上形成了粒子束的反转。可以发现两边的宽带限制了载流子的运动，称为限制区。中间是实现粒子复合的区域成为有源区。和同质结激光器相比，异质结激光器由于宽带对有源区的限制，使发光的位置仅限于了有源区，使发光的区域集中，光强更大。双侧的异质结在两边提供了限制，单边异质结只能提供一边的限制。导带中的电子为了能够达到激射阈值需要注入2×1018/cm2个，为了能够在源区限制住这些电子需要有一定高度的势垒，这个势垒高度就是由结区的内建电势和ΔE共同决定的。电子基本处于Γ带中，其相邻的L带还有一部分在DEｃ下,X带的载流子都可以越过势垒。同样为了限制空穴要求提高价带的势垒，但是提高势垒会导致电子注入减小，这是不允许的，所以要有一个中间的度。能量高过势垒的电子和空穴都会漏掉。

另外由于限制区掺了Al，折射率减小，有源区中辐射的光子在有源区中损耗很大，如果生长一层掺杂很大的盖帽层能够实现很好的欧姆接触。制造量子阱激光器是半导体激光器的重要一支，要使反转粒子数增大，这样就需要多造出量子阱。多造出一些量子阱，使有源区的面积扩大，但这样会增加制造的难度，主要是导带和价带的量子阱要在同一个平面内，这个在数量大时不容易实现。量子阱激光器的辐射复合是发生在价带和导带中分裂能级中的粒子。在分裂能级中态密度阶梯变化。由于分裂的能带不再是原来的导带底和价带顶，因此复合的能级会加大，出现激光的波长蓝移，通常有，一般势阱宽度小于电子空穴的扩散长度所以都限制在势阱中，粒子数反转的量很大。

1.2 异质结激光器的结构

A.单异质结激光器与双异质结激光器（从材料）GaAs材料与GaAl材料

Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成，叫作砷镓铝晶体，1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。

B.反型异质结与同型异质结（从导电类型）反型：如n-GaAs与p-GaAlAs or p-GaAs与n-GaAlAs 同型：如p-GaAs与p-GaAlAs or n-GaAs与n-GaAlAs 1.4 异质结激光器的能带关系

p、n型不是简并型，构成异质结之前热平衡状态下当形成异质结时，电子np空穴pn直到两半导体有相等的，异质结即处于平衡状态。与p-n结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。N型半导体一边为正电荷，P型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区的能带发生了弯曲（基本与p-n结的形成相同的）。区别：由于禁带Eg不同，因而在两材料的上界面附近其能带出现与p-n结不同的特点：一能带在这

界面处的变化是不连续的。

1.在导带底，能量突变 △Ec，在这里形成“光路”。

2.在价带底，能量突变△Ev, 在这里形成“凹口”。

3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。

4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。

当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。

5.势垒的减低和增高与 △Ec·△Ev 有关，即与两材料的禁带宽度Eg1Eg2之差有关。

1.5 输出与泵浦的关系

对任何激光器，首先要求的是输出一定的能量或功率。输出能量或功率的大小，取决于激光器的结构以及工作物质和泵浦能量的大小。泵浦能量必须大于激光器的阀值能量，而且超过阀值能量愈多，光辐射的能量愈大。

图3-1a和b分别表示出红宝石激光器和玻璃激光器输出能量Ea与泵浦能量E6之间的实验关系。利用图示关系曲线，可以估算出所要求的泵浦能量，从而确定电源的功率和应采取的合理方案。激光器的非线性

2.1 基础介绍

半导体激光器以其体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高且价格低的优点而受到人们的极大关注，取得到了惊人的发展。

根据不同的应用场合半导体激光器输出状态是不同的，有时候需要稳态输出运行，有时候又需要工作在脉冲输出状态，当然在现代的光保密通信中，它又要实现混沌的输出。对控制半导体激光器不同输出状态做一些讨论分析，有利于人们控制半导体激光器不同的输出状态

在没有外部扰动时半导体激光器, 当驱动电流超过阈值（当驱动电流低于阈值电流时，激光器输出光功率近似为零，LD几乎不发光）时，激光器的输出会由于启动状态经历短暂的驰豫振荡，然后很快就达到稳定的输出，要使激光器产生不稳定的输出如周期态，混沌态输出，必须至少再增加一个自由度，典型的增加自由度的方式有外部电流调制，外部光注入，外部光反馈，光电反馈等, 通过控制扰动的强度，就可使激光器呈现不同的输出状态。其中尤其以光反馈方式最为常见。本文以光反馈结构的半导体激光器理论模型为例，通过仿真分析了不同外部光反馈强度对半导体激光器非线性行为的影响，对实现半导体激光器非线性动力学输出控制具有重要意义。

2.2 理论结果

基于光反馈型半导体激光器的理论模型，数值分析讨论了不同反馈注入强度下的激光器非线性动力学输出。结果表明：当反馈系数kt≤0.39ns-1时，系统呈现稳态输出；0.39ns-1≤kt≤1.2ns-1时，系统处于周期过渡态；当反馈系数 kt1.2ns-1时，系统呈现混沌态输出。这对根据需要控制半导体激光器的输出具有指导意义。量子阱激光器

量子阱激光器是有源层非常薄，而产生量子尺寸效应的异质结半导体激光器。根据有源区内阱的数目可分为单量子阱和多量子阱激光器。量子阱激光器在阈值电流、温度特性、调制特性、偏振特性等方面都显示出很大的优越性，被誉为理想的半导体激光器，是光电子器件发展的突破口和方向。

3.1 量子阱激光器的工作原理

在普通的双异质结激光器中，因为有源区的三维尺寸都远大于电子平均自由程，因而电子的态密度函数为抛物线型，当载流子被限制在宽度与其德波罗意波长相当或更小的阱中时，则其态密度函数为类似阶梯形。如图1（a）所示，载流子复合跃迁将发生在各量子能级之间，在一般情况下受选择定则支配。此时注入电子的分布与峰值增益分布如图1（b）（c）所示。如果不考虑其他因素的影响，载流子运动受限越强，其阈值电流应越低。

3.2 量子阱激光器的结构

通常使用的量子阱激光器其势阱和势垒宽度在l0rnm左右。载流子和光波的横向限制，则如常规异质结一样，可采用不同的条形结构（见条形半导体激光器）。图2（a）所示的是质子轰击条形结构的多量子阱激光器的结构，图2（b）还表示出了量子阱中的光跃迁。

3.3 量子阱激光器的特点

同常规的激光器相比，量子阱激光器具有以下特点：

1.在量子阱中，态密度呈阶梯状分布，量子阱中首先是Elc和Elv之间电子和空穴参与的复合，所产生的光子能量hv=Elc-Elv>Eg，即光子能量大于材料的禁带宽度。相应地，其发射波长凡小于所对应的波长，即出现波长蓝移。

2.在量子阱激光器中，辐射复合主要发生在Elc和Elv之间，这是两个能级之间的电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近的电子和价带顶附近的空穴参与的辐射复合，因而量子阱激光器光谱的线宽明显地变窄了。

3.在量子阱激光器中，由于势阱宽度Lx通常小于电子和空穴的扩散长度Le和Ln，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大大提高，甚至可高达两个数量级。

4.量子阱使激光器的温度稳定条件大为改善，AIGalnAs量子阱激光器的特征温度可达150K，甚至更高。因而，这在光纤通信等应用中至关重要。

3.4 量子阱激光器的儿发展

为了进一步改善量子阱激光器的性能，人们又在量子阱中引入了应变和补偿应变，出现了应变量子阱激光器和补偿应变量子阱激光器。应变的引入减小了空穴的有限质量，进一步减小了价带间的跃迁，从而使量子阱激光器的阀值电流大为降低，量子效率和振荡频率大大提高，并且由于价带间的跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光器无致冷工作。在阱和垒中分别引入不同应变（张应变/亚应变）实现应变补偿，不仅能改善材料质量，从而提高激光器的寿命，而且可利用压应变对应于TE模式、张应变对应于TM模式的特性，制作与偏振无关的半导体激光器的集成。

参考文献

[1]卜涛； 陈慰宗；西北大学物理系；西安 710069；2001.1

[2] 刘东红； 张福厚； 高建华；山东工业大学数理系； 山东工业

大学电子工程系；

[3] 王增美;]量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用 [4] 百度文库

[5] 王守武，王仲明；《半导体学报》, 1985(6)[6] 张玲丽;双异质结激光器的Pspice温度修正模型 [7] 张妍;InGaAsP/InP多量子阱激光器的研究

[8] 朱龙德，张盛廉，汪孝杰，王莉，高淑芬；双异质结激光器的Pspice温度修正模型质子轰击条形InGaAsP/InP双异质结激光器