光通信用半导体激光器

当前光网络和光纤到户的极速发展，一本针对此领域的工具书非常有必要。本译著包括光通信基础、激光器基础、半导体激光器的基础、材料、设计、工作、特性以及调制等方面的简介，甚至还有工艺实现等知识，同时还有很多实例，能使初学者或欲了解光通信激光器的相关领域科研人员，作为全局了解半导体激光器光通信再合适不过了。 

本书以通用光通信以及对半导体激光器的需求开始，通过讨论激光器的基础理论，转入半导体的有关详细内容。书中包含光学腔、调制、分布反馈以及半导体激光器电学性能的章节，此外还涵盖激光器制造和可靠性的主题。

本书可供半导体激光器、通信类研发人员、工程师参考使用，也适用于高年级本科生或研究生，作为主修的半导体激光器的课程，亦可作为光子学、光电子学或光通信课程的教材。

 

贾晓霞，江苏华芯半导体科技有限公司，经理、工程师，2005/07–2013/5：海特光电有限责任公司 |  研发部经理

从GaAs基半导体激光器和InP基光电探测器的解理工艺工程师开始，逐步学习半导体激光器的各种工艺技术，工艺改进，提升了耦合工艺线和列阵工艺线的产品成品率，生产效率和产品的一致性，在2008年底，被评为海特公司先进工作者。此后作为技术主管，主要负责半导体激光器芯片和光电探测器芯片的所有工艺，并承担研发部的芯片项目开发。后期担任研发部经理，主要负责公司半导体激光器芯片和光电探测器芯片的研发以及生产管理。完成多项国家项目，780nm半导体激光器列阵20w，100w项目，635nm红光大功率半导体激光器，980nm系列大功率半导体激光器，808nm 5w大功率半导体激光器等。

2013/6-2016/5山西飞虹激光科技有限公司，担任常务副总，建设起一条激光器生产线并实现量产。

2016/6-今 江苏华芯激光科技有限公司，经理。

 

1绪论：光通信基础知识1

1.1概述1

1.2光通信简介1

1.2.1光通信基础1

1.2.2重要的巧合3

1.2.3光放大器4

1.2.4完整的技术5

1.3半导体激光器图片5

1.4本书结构7

1.5问题8

2激光器的基础知识9

2.1概述9

2.2激光器简介9

2.2.1黑体辐射9

2.2.2黑体辐射的统计热力学观点11

2.2.3几种概率分布函数11

2.2.4态密度12

2.2.5黑体光谱15

2.3黑体辐射：爱因斯坦的观点16

2.4激射的含义18

2.5自发辐射、受激辐射和激射之间的差异20

2.6一些激射系统例子21

2.6.1掺铒光纤激光器21

2.6.2氦-氖气体激光器21

2.7小结23

2.8问题24

2.9习题25

3半导体激光材料1：基础26

3.1概述26

3.2能带和辐射复合26

3.3半导体激光器材料体系28

3.4确定带隙30

3.4.1Vegard定律：三元化合物31

3.4.2Vegard定律：四元化合物32

3.5晶格常数、应变和临界厚度33

3.5.1薄膜外延生长34

3.5.2应变和临界厚度34

3.6直接和间接带隙37

3.6.1色散图37

3.6.2色散图的特点40

3.6.3直接和间接带隙40

3.6.4声子41

3.7小结43

3.8问题43

3.9习题44

4半导体激光材料2：态密度、量子阱和增益46

4.1概述46

4.2半导体中电子和空穴的密度46

4.2.1方程式(4.9)的变换：有效质量48

4.2.2方程式(4.9)的变换：包含带隙50

4.3量子阱激光材料51

4.3.1理想量子阱中的能级52

4.3.2实际量子阱中的能级54

4.4量子阱中的态密度55

4.5载流子数57

4.5.1准费米能级57

4.5.2空穴数与电子数58

4.6激射条件59

4.7光增益60

4.8半导体光增益61

4.8.1联合态密度62

4.8.2占据因子63

4.8.3比例常数64

4.8.4线宽展宽64

4.9小结65

4.10学习要点66

4.11问题66

4.12习题67

5半导体激光器的运行70

5.1概述70

5.2简单的半导体激光器71

5.3激光器的定性模型71

5.4吸收损失74

5.4.1带间和自由载流子吸收75

5.4.2能带-杂质吸收76

5.5速率方程模型77

5.5.1载流子寿命79

5.5.2稳态的重要性80

5.5.3增益和光子寿命的单位81

5.5.4斜率效率83

5.6腔面镀膜器件84

5.7完整DC分析87

5.8小结89

5.9问题90

5.10习题91

6半导体激光器电学性质94

6.1概述94

6.2p-n结基础94

6.2.1载流子密度作为费米能级位置的函数95

6.2.2p-n结中的能带结构和电荷98

6.2.3非偏p-n结中的电流100

6.2.3.1扩散电流100

6.2.3.2漂移电流100

6.2.4内置电压101

6.2.5空间电荷区宽度102

6.3外加偏置的半导体p-n结104

6.3.1外加偏置和准费米能级104

6.3.2复合和边界条件105

6.3.3少子准中性区扩散电流108

6.4半导体激光器p-n结110

6.4.1二极管理想因子110

6.4.2阈值处的固定准费米能级110

6.5二极管特性总结111

6.6激光器的金属接触112

6.6.1能级定义112

6.6.2能带结构114

6.7激光器欧姆接触的实现117

6.7.1金属-半导体结中的电流传导：热离子发射118

6.7.2金属-半导体结中的电流传导：隧穿电流119

6.7.3二极管电阻和接触电阻的测量120

6.8小结121

6.9问题122

6.10习题123

7光学腔125

7.1概述125

7.2本章概述126

7.3法布里-珀罗光腔概述127

7.4激光腔支持的光学纵模128

7.4.1标准具支持的光学模式：一维激光腔128

7.4.2长标准具的自由光谱范围129

7.4.3法布里-珀罗激光器腔体中的自由光谱范围131

7.4.4法布里-珀罗激光器的光学输出133

7.4.5纵模134

7.5基于光谱的增益计算135

7.6光腔中的横向模式137

7.6.1真实激光器中横向模式的重要性138

7.6.2全反射140

7.6.3横向电场和横向磁场模式141

7.6.4波导模式的定量分析142

7.7二维波导设计146

7.7.1二维限制146

7.7.2有效折射率方法146

7.7.3针对激光器的波导设计148

7.8小结149

7.9问题150

7.10习题150

8激光器调制153

8.1概述：数字和模拟光传输153

8.2数字传输规格154

8.3激光器小信号调制155

8.3.1小信号调制的测量156

8.3.2LED的小信号调制157

8.3.3回顾激光器速率方程159

8.3.4小信号均匀激光器响应的推导161

8.3.5小信号激光器均匀响应163

8.4激光器AC电流调制164

8.4.1推导大纲164

8.4.2激光器调制的测量和方程165

8.4.3激光器调制响应分析167

8.4.4时间常数效应示范169

8.5激光器带宽的极限170

8.6相对强度噪声测量172

8.7大信号调制173

8.7.1眼图建模174

8.7.2激光器系统注意事项175

8.8小结176

8.9学习要点176

8.10问题177

8.11习题178

9分布反馈激光器180

9.1单波长激光器180

9.2单波长激光器的必要性181

9.2.1单波长器件的实现183

9.2.2窄增益介质183

9.2.3高自由光谱范围和中等增益带宽183

9.2.4外部布拉格反射器185

9.3分布反馈激光器：概述186

9.3.1分布反馈激光器：物理结构186

9.3.2布拉格波长和耦合188

9.3.3单位往返增益188

9.3.4增益包封189

9.3.5分布反馈激光器：设计与制作190

9.3.6分布反馈激光器：零净相位191

9.4分布反馈激光器的实验数据194

9.4.1相位对阈值电流的影响194

9.4.2相位对腔体功率分布及斜率的影响194

9.4.3相位对单模良率的影响196

9.5建模分布反馈激光器198

9.6耦合模式理论201

9.6.1衍射的直观图像201

9.6.2分布反馈激光器的耦合模式理论202

9.6.3测量κ206

9.7固有单模激光器207

9.8其他类型的光栅208

9.9学习要点209

9.10问题210

9.11习题210

10其他：色散，制造及可靠性212

10.1概述212

10.2色散和单模器件213

10.3激光器的温度效应215

10.3.1波长的温度效应215

10.3.2直流特性的温度效应216

10.4激光器制造：晶圆生长，晶圆制造，芯片制造与测试219

10.4.1衬底晶圆制造219

10.4.2激光器设计220

10.4.3异质结构生长221

10.4.3.1异质结构生长：分子束外延221

10.4.3.2异质结构生长：金属有机物化学气相沉积221

10.5光栅制作223

10.5.1光栅制作223

10.5.2光栅二次生长224

10.6晶圆制造225

10.6.1晶圆制造：脊形波导225

10.6.2晶圆制造：掩埋异质结构与脊形波导226

10.6.3晶圆制造：垂直腔面发射激光器228

10.7芯片制造230

10.8晶圆测试和良率231

10.9可靠性232

10.9.1单个器件测试和失效模式233

10.9.2失效的定义234

10.9.3老化速率的阿伦尼乌斯关系234

10.9.4老化速率，FIT和MTBF分析235

10.10结束语237

10.11小结238

10.12问题239

10.13习题239

附录241

附录1国际单位制词头（SI词头）241

附录2单位换算表242

附录3常用物理量242

附录4中英文词汇对照表243

参考文献247

 

译者前言

随着人类进入以互联网和多媒体标志的信息社会，通信网络已经成为一种基础设施，人们可以通过网络方便地获取和发布信息资源。视频、多媒体、流媒体、网格计算、文件备份等数据业务的迅猛发展，对通信的传输速度、传输容量要求也越来越高。由于光纤具有约30THz的巨大带宽、极低的传输损耗、较强的抗电磁干扰的能力以及价格低廉的优点而成为承载信息的主体，光纤通信技术脱颖而出成为信息时代支柱性的传输技术。

半导体激光器光通信芯片制造一直被国外公司所垄断，光通信技术近十年迅猛发展，而国内的芯片技术发展缓慢，无法满足市场飞速发展的要求。目前国内相继出现一些企业和研究所紧跟国际大好形势进行芯片的研发和生产，企业技术人员和研究机构的研究人员亟需一本理论结合实际的实用性书籍，美国纽约州立大学宾汉姆顿大学David J.Klotzkin教授的《Introduction to
Semiconductor Lasers for Optical Communications》这本书无疑是一本合适的书籍。我们也希望其他读者也可以通过阅读本书，对光通信用激光器制造和性能等方面产生兴趣，能够积极地参与这项事业中来。

本书译者一直从事激光器的制造工作，正在从大功率泵浦激光器领域拓展到光通信用激光器领域，通过阅读David
J.Klotzkin教授的《Introduction to Semiconductor Lasers for
Optical Communications》，我们从设计和工程角度获得了半导体激光器全面而实用的介绍，其中包括器件的物理特性，实际激光器的工程、设计和测试，从通用光通信以及对半导体激光器的需求开始，进一步讨论激光器的基础物理，并转换到半导体的有关细节，随后是光学腔、直接调制、分布反馈以及半导体激光器电性能，后还涵盖制造和可靠性主题。此外书中还有很多例子来展示这一切。通过阅读我们更精细地了解了这些专门用途激光器的理论、设计、制造和测试等，为进一步研究其通信应用奠定了非常好的基础。

鉴于时间有限，书中疏漏难免，希望读者海涵并能够指正为盼。

贾晓霞、段瑞飞

2018年于北京

英文版前言

半导体激光器的重要性是毋庸置疑的。它们传递信息，构成互联网的支柱。另外它们也引入了越来越多的新应用，比如固态照明和光谱学，并且其波长也从氮化镓的紫外波段一直延伸到量子级联激光器产生的极长波长范围。在光通信中，激光器也可以作为不同应用方式，如使用直接调制器件的大城市链路，以及结合先进检测和调制方案的100Gb/s传输系统。

本书针对那些有工程或光学背景但不熟悉激光器的读者，希望从操作角度来介绍半导体激光器。这样做的目的，是让初学者，尤其高年级本科生和一年级研究生能够方便并有趣地了解目前的半导体激光器。本书的潜在目标读者是对半导体激光器职业生涯感兴趣的人群，而涵盖的内容则根据问题的重要性及其对整个领域的基础性来确定。希望读者们通过本书，能够对这门学科的科学性以及工程性方面都获得很好的借鉴。

主题和重点的选定主要基于作者在半导体激光器行业的经验。其目的，是让读者看完这本书之后，对激光器制造和性能等大多数方面都感兴趣，并能够立即积极地参与这一材料工程领域。

全书以通用光通信以及对半导体激光器的需求开始。随后讨论了激光器的基础物理，并转入到半导体的有关细节。书中包含光学腔、直接调制、分布反馈以及半导体激光器电学性能的章节，此外还涵盖激光器制造和可靠性的主题。

本书适用于高年级本科生或一年级研究生，作为主修的半导体激光器的一学期课程，也适合于作为光子学、光电子学或光通信课程的教材。

David J. Klotzkin

美国纽约宾厄姆顿