量子阱半导体激光器

纳米材料课外论文

量子阱半导体激光器的原理及应用

刘欣卓（06009406）

（东南大学 电子科学与工程学院 南京 210096）

光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的

电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转换和滤波放大两个环节。最后

一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏

置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。

关键词： 光电调制器；模拟偏置法；误差

High-speed Optical Modulator Bias Control

LIU XinZhuo (06009406)

2)

(1) Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096

Abstract:

The optical modulator bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into account

the changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The

signal after amplification is acted as the input of the control system. After the two voltage signals reduction and stability, the output may

be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the

influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have two roles. First: it can compensate for

sampling ratio of 1%of the process; Second: it can realize adjustable bias by fine-tune magnification. The bias control

is a proportional integral part of the output of the modulator bias.

Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube; Zeeman effects; error

作者的个人学术信息：

刘欣卓，1991年，女， 南京市。大学本科，电

子科学与工程学院。liuxinzhuo@.

1.量子阱半导体激光器的发展历程

1.1激光器研制的现状 逐步作为光通信和光互连中的重要光源。

随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术1. 2半导体激光器

在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据

处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电

子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子

集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成

电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器

件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上

了日程，并取得了一定的进展。

为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于

室温环境、短波长、长寿命和光束质量好等要求的

半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、

新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体

激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质

的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激

光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。

半导体激光器工作物质的种类有砷化镓

（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)

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等。工作物质的结构也可分为同质结、单异质结、成功，并在此基础上提出了微带超晶格红外激光器

双异质结等几种。其从激励方式上来说，则又有电的理论构架。另外，具有更好性能的低维超晶格—

注入、电子束激励和光泵浦三种。总之，我们根据量子线、量子点激光器的研究也已经开始进入议

诸如光纤等具体应用的特定需求，可根据以上分类程。

方法量身定制激光器。

半导体激光器具有许多突出的优点：包括转换

效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调

制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。所以，2.1量子阱及其能带结构

2．量子阱半导体激光器的原理

其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它

激光器无法比拟的。但是，由于一些特殊应用的需

要，半导体激光器的性能有待进一步提高。

1.3量子阱半导体激光器的提出

量子阱结构的提出源于60年代末期贝尔实验

室的江崎(Esaki)和朱肇祥关于超薄层晶体的量子

尺寸效应的研究。他们发现，当超薄有源层材料晶

格尺度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成

了势阱区，其两侧的宽禁带系材料成为势垒区，电

子和空穴沿垂直阱壁方向的运动时将出现量子化

特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全

不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过

改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，逐步形

成针对应变量子阱结构研究和应用的新领域。

80年代，量子阱结构在激光器上的使用，使半

导体激光器在性能上出现了大的飞跃。具有量子阱

结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激

光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、

温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、

激射波长短等优点。目前，量子阱已成为人们公认

的半导体激光器发展的根本动力。

1. 4量子阱激光器的发展历程 量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平

量子阱半导体激光器的发展历程大致包括几

个重要科研成果的诞生。1976年，人们用

GaInAsP/InP实现了长波长激光器。关于该激光腔

的结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈的模式，

主要为以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证

明了光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器

(DBR)的可行性。Suematsu提出了用于光通信的动

态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想

法。1977年，人们提出了面发射激光器，并于1979半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能

年做出了第一个器件。1994年，一种具有全新机理产生激光，必须具备三个基本条件。首先，必须建

的波长可变、可调谐的量子级联激光器第一次研制立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半

E

E

c

E

v

理想超晶格示意图

z

超晶格能带示意图

量子阱是指由窄禁带系超薄层被夹在两个宽

带系超薄层之间排列而形成的，具有明显量子限制

效应的电子或空穴的势阱。在由2种不同半导体材

料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足

够厚，以致相邻势阱之间载流子渡越函数之间耦合

很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为

多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很

强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带，

能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚

度有关，这样的多层结构称为超晶格。

均自由程内，所以阱壁起到很好的限制作用，使阱

中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。

在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密

度与能量的关系为台阶形状，其阶梯状能带允许注

入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内

载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高

于一般体材料激光器。

2.2半导体激光器的原理及限制

导体中要实现粒子数反转，必须使两个能带区域之阱结构有利于获得更大的功率输出。另外，要有高

间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带的输出功率，须有高的功率效率，即要有高的微分

顶的空穴数大很多，这以给同质结或异质结加正向量子效率，有远大于阈值的工作电流。

偏压，或向有源层内注人必要的载流子来实现。其若腔长为波长λ量级，则激光器将出现由自发

目的为将电子从能量较低的价带激发到能量较高辐射所控制的新的效应。自发辐射因子的增加，将

的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与产生更多的受激发射“种子”，从而导致阈值电流

空穴复合时，便产生受激发射作用。 下降。若在阈值电流以上，在给定注入速率下注入

其次，要实际获得相干受激辐射，必须使受激的载流子寿命依阈值电流的降低而等比率的减少，

辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振从而能使调制带宽增加。

荡，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，

而出光面镀上减反膜。

最后，提供足够大的增益，不断增加腔内的光

场，以弥补谐振腔的光损耗及腔面的激光输出等损

耗。为满足上述一点，这就必须要有足够强的电流

注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越

高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电

流阀值条件。当激光器达到阀值，具有特定波长的

光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续

地输出。

可见，在半导体激光器中，电子和空穴的偶极

子跃迁是基本的光发射和光放大过程。然而，典型

半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发

出单色光。相比之下，量子阱结构的半导体具有超

宽带的特点，可以同时在更宽的光谱范围内选取波

长。因此，对于新型半导体激光器而言，人们目前

公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。

2.3量子阱半导体激光器的结构

直腔面发射LD在量子阱结构出现以后才成为直径为350μm的圆形台, 腐蚀深度以露出

可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为

边发射LD和垂直腔面发射LD。

垂直腔面发射LD为光垂直于结平面的方向输

出。垂直腔是指激光腔的方向，即光子振动方向垂

直于半导体芯片的衬底，光在有源层厚度方向得到为 AlxOy 绝缘层,形成300μm直径的电流注入窗

放大。由于有源层厚度很小，要想实现低阈值的激口。之后对器件的衬底进行减薄和化学辅助抛光处

光振荡，要求要有高增益系数的有源层介质，即采理，减薄到大约 150μm左右，以减少衬底对器件

用量子阱材料。另外，还需要有高的腔面反射率。的串联电阻的贡献。在P型分布的布拉格反射镜侧

而提高腔面反射率的方法是在腔面镀高反膜，但是做大面积的Ti-Pt-Au 金属接触。在n型GaAs衬底

难度较大。

激光器工作时，腔内形成稳定的驻波场，须率，并由自对准光刻技术保留出光窗口之后作衬底

使有源区与腔内驻波场有最大的重叠，同时适当增侧的n型金属接触层。最后由快速热退火炉进行合

加腔长以有利于增加基模直径，从而提高输出功金退火处理。整个器件结构由In焊料( In焊料为

率。因此，有源层应与驻波场中心峰值强度对应的 软焊料 ,可以减少封装过程中引入到外延片的应

λ/4n范围有最大的重叠，在此范围内生长多量子力) 把器件焊接到铜热沉上，之后进行电极过渡，

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2.4 量子阱半导体激光器工作物质的制备

衬底出光的 InGaAs/ GaAs量子阱垂直腔面发

射半导体激光器的有源层由三个InGaAs/ GaAs应

变量子阱组成 , InGaAs 量子阱宽为 8nm , GaAs

势垒宽为 10 nm，三个量子阱被上、下AlGaAs限

制层包围构成为一个波长的谐振腔。其中p 型反射

镜为 38. 5周期(掺杂C ),n 型反射镜为28. 5周

期(掺杂 Si)，n型反射镜的对数比p型反射镜对数

少，以使器件的光从n型反射镜一侧由衬底出射形

成衬底出光型器件。在p型分布的布拉格反射镜与

有源区之间加入一层由Al组分的As层,厚度为 30

nm ,此层在器件的工艺过程中将被氧化为 AlxOy

绝缘层，形成电流注入窗口,起到电流限制作用。

器件结构中各外延层由金属有机化合物气相沉积

(MOCVD)技术在 GaAs衬底(掺杂Si )上外延生长获

得。

工艺过程中 ,采用化学湿法腐蚀法 ,腐蚀出

AlGaAs层为宜，之后把器件置于高温(420℃)

0.980.02

湿氮环下对AlGaAs 层进行氧化处理 ,转化

0.980.02

上蒸发制作Si/ SiO增透膜膜系，以提高输出光功

2

用超声金丝球焊引线,对器件进行简单的封装，并

对器件特性进行测试。

3．量子阱半导体激光器的原理量子阱

半导体激光器的主要应用及进展

量子阱半导体激光器凭借其突出的优点在许

多领域得到广泛应用。

3.1 可见光半导体激光器

红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条小、重量轻、可靠性高、能直接调制及以其他半导

形码识别、激光打印、医学仪器等方面，而蓝绿激体器件集成的能力强等特点成为信息技术的关键

光在海洋探测中发挥作用，另外，RGB半导体光源器件。并随着其发展，在材料加工、精密测量、军

将对图像及信息处理产生重大影响。 事、生物、医学等领域显示出巨大潜力。量子阱半

目前，红光半导体激光器已逐渐取代传统的气导体激光器也将是光子集成和光电子集成的核心

体激光器, 例如，InGaAlP材料的红光应变量子阱器件。

激光器已经实现了产品化。随着其性能的不断提随着新的有源材料、新的器件结构、更好的制

高，有望在一定程度上取代He-Ne激光器。 作工艺的不断涌现，量子阱半导体激光器的性能将

蓝绿光激光器经过了一个相当困难的阶段才得到不断提高、波长范围不断拓宽，其发展前景将

逼近市场，主要是由于材料与衬底的匹配以及制作更加光明。

工艺等原因。 参考文献：

3.2光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光

器

作为光源，量子阱（特别是应变量子阱）半

导体激光器除具有半导体激光器的体积小，价格

低，可以直接调制等优点外，还有好的动态特性，

低的阈值电流，引入光栅进行分布反馈等特点，其

已然成为目前高速通信中最为理想的光源。

作为EDFA的泵浦源，980nm低阈值大功率

AlGaAs/InGaAs，InGaAlP/InGaAs，等应变量子阱

激光器相继研制成功，且可以获得比1480nm波段

泵浦更高的耦合效率。

应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有

宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格

便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵

活的波长路由。此外，还希望用其作为光传输系统

中1310nm窗口的功率放大器，线路放大器和前置放

大器以及利用SLA中的非线性来作啁啾补偿和色散

补偿。

大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光

器（DPSSL）、泵浦光纤放大器及生物学、医学等。

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4．量子阱半导体激光器的未来及展望

目前，量子阱激光器的许多研究还处于发展阶

段，许多问题值得我们继续思考：如，半导体激光

器现存的温度尺寸阈值、波长、效率等的依赖关系

能否消除；微型器件的尺寸对输出功率范围的限

制；如何实现完全控制自发辐射；如何进一步提高

材料的制作工艺等。

从异质结到量子阱、应变量子阱，半导体激光

器的性能出现了大的飞跃，以其转换效率高、体积

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