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Worlds First Hybrid Si Laser Processing of a laser Processing of a laser “Silicon Photonics is a critical part of tera-Scale computing as we need the ability to move massive amounts of data on and off these very high performance chips” That Emits And Guides Light Could Drive Silicon Photonics * 混合型 Si 激光器的结构 http: ///research/platform/sp/hybridlaser.htm 混合型 Si 激光器的结构 * Microdisk Laser Integrated with SOI Waveguide (Ghent University) J. Van Campenhout, et.al., 2007 直接跃迁 图11.1 电子的直接吸收跃迁：a 在直接带隙材料中；b 在间接带隙材料中 即使光子不能把有效的动量转移给电子，也可能发生k变化的电子跃迁。在这种跃迁过程中有声子参与，换句话说，动量转移给晶格原子，或被晶格原子吸收。晶格原子的振动能量是量子化的（如同光能量那样），用能量为hω的声子表示，这里ω为角频率，单位为rad/s；声子用波矢q表征。一个含有光子、电子和声子的吸收跃迁受到的限制条件为 间接跃迁 式（11.13）中略去了光子的波矢k=（2π/λ0）u。跃迁过程E与k的关系如图11.2所示。电子吸收光子，并同时吸收或发射声子，这样的跃迁称为间接跃迁，在E-k图上表现为对角跃迁，如图11.2所示。因为间接跃迁需要光子和声子两者参与，而直接跃迁仅需要光子参加，所以直接带隙半导体比间接带隙半导体在光学上更为有效。 间接跃迁 间接跃迁 图11.2 电子的间接吸收跃迁：a 在直接带隙材料中；b 在间接带隙材料中 其他跃迁 带内的吸收可以是电子在导带的也可以是空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和受主能态到价态的空穴跃迁 图11.3 自由载流子的吸收，因为这是电子能量图，对空穴增加能量相应于在图中向下移动 图11.12 半导体激光器的结构：a p-n结泵浦（激光二极管）；b 电子或光子束泵浦。泵浦水平低于激光阈值时的光发射示于图中，虚线标出了泵浦区域的极端位置 图11.13 工作在激光阈值以上的半导体激光器：a p-n结泵浦；b 电子或光子束泵浦 发光效率 提高发光效率： 1.减小PN结的相应结区 2.选择吸收系数低的材料 半导体激光器 本章将讨论半导体激光器的几种基本结构，并阐明计算其预期的性能特性所必须的定量理论 激光二极管 隧道注入式激光器 其它类型半导体激光器 12.1 激光二极管 12.1.1 基本结构 p-n结激光二极管的基本结构如图12.1所示，其中p-n结通常是在n型衬底上外延生长p型层形成的。在p区和n区都制作有欧姆接触，使泵浦电流能够通过，该电流使临近结区的有源区内产生粒子数反转。还须制作出两个平行的端面（起镜面作用），为激光模式的建立提供必要的光反馈。 图12.1 p-n结激光器的基本结构 12.1激光二极管 12.1.2光学模式 在严格地垂直于法布里-珀罗面的粒子数反转层平面内传输的光子，留在粒子数反转层中的概率最大，它们由于受激辐射而优先倍增。在给定电流下，当达到稳态时，就会建立起一个或多个光学模式。 激光模式的辐射还要求光子必须具有同一频率和相位，以避免相消干涉。结果，当平行端面之间的距离为半波长的整倍数时，就会在激光二极管内形成驻波。 图12.2 激光二极管的发射谱；A 阈值以下的自发辐射；B 阈值以上的激光模式结构 模式数m可通过半波长数给出，于是 对于dm=-1，模式间隔dλ0为 (12.1) (12.2) (12.3) 12.1.3激光阈值条件 当激光二极管加正向偏压并且有电流开始流过时，器件不会立刻出现激光振荡。当泵浦电流较小时，发射光大多来自自发辐射，其特征光谱线宽在数百埃的数量级，这是非相干光。随着泵浦电流的增加，结区发生显著粒子数反转，将发射更多的光子。自发辐射的光子在各个方向几乎是均匀的，其中的大多数光子很快从能发生净受激辐射的粒子数反转区逸出，于是不能得到放大。然而，其中的少数光子恰能严格地在垂直于反射端面的结平面内传输，在从激光器中出射之前，能通过多次反射得到放大。 此外，对于任意给定的带隙和电子、空穴的分布，存在一个特定的比其他波长（或能量）优先的波长（或能量），该波长通常对应于材料中发生自发辐射的峰值波长。