光纤陀螺光源第一章.docx
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光纤陀螺光源第一章
§6.2光源
6.2.1半导体光源的种类
电流注入型半导体p－n结光发射器件按照其发光特性划分，可分为激光器（LD），发光二极管（LED），和超辐射发光二极管（SLD）三类。
LD中建立起了光振荡，发射出的是相干光；LED的发光是基于有源区的自发辐射，辐射光为非相干光；而在SLD中存在光增益，但无光反馈（理想情况下），其发射出的光为弱相干光。
光纤陀螺（FOG）用光源必须满足以下几个条件：
（1）能提供足够大的光功率，光功率大可以提高系统的信噪比。
（2）光的相干长度要短，即具有宽的发射光谱，它可以降低瑞利后向散射、偏振交叉耦合和克尔效应等引起的相干误差。
（3）具有好的平均波长稳定性以保证光纤陀螺标度因子的线性度。
（4）高可靠性。
LD具有输出功率大（单模尾纤输出功率可达几百毫瓦），工作电流低等优点，但其光谱宽度FWHM（光谱曲线上光强为最大光强一半的两个波长间的光谱全宽）一般小于5nm，具有较长的相干长度。
1982年，R.A.Bergh等人把多模激光器作为光纤陀螺的光源，使当时的光纤陀螺系统的性能有了明显改善，但随着高性能宽谱光源的出现，目前已基本上不采用LD作为光纤陀螺的光源。
LED具有光谱宽（850nm波段的GaAlAs/GaAsLED的光谱宽度约为30-40nm，1300nm和1550nm的InGaAsP/InPLED光谱宽度分别约为70～80nm和90～110nm）、光谱调制度极低、工作温度范围宽、高温可靠性好、价格低等优点，但LED的光输出功率低，一般在100mA工作电流下，单模尾纤输出功率只有数十微瓦，不适合作为中、高精度陀螺的光源。
SLD由于具有较宽的光谱（FWHM>20nm），光谱调制度一般小于10％，有的器件低达0.1％，其光输出功率可以与普通LD相比，而远大于LED；光束发散也与LD相近而窄于LED，易于与单模光纤耦合，单模尾纤输出功率可达mW量级，因而它是光纤陀螺的理想光源。
Kurbtov等人1971年首先研究了SLD。
T.P.Lee等人在1973年报道了SLD的初期研究工作，对SLD的稳态特性作了详细的评述。
BÖhm等人在1981年首先报道了SLD在光纤陀螺中的应用，使光纤陀螺的性能得到明显改善。
此后对SLD的研究非常广泛，提出了各种抑制光反射的结构，使光谱特性得到很大改善。
在SLD发展的前期，有源区大多采用体材料，随着量子阱材料的研究进展和超精细薄层材料生长技术的发展，大功率SLD的有源区越来越多地采用量子阱结构（有源层材料的阱层厚度薄到足以与电子的德布罗意波长～50nm相比拟）。
由于在量子阱结构中态密度呈阶梯状分布而导致量子尺寸效应，它可以获得比体材料更高的光增益和光输出功率。
目前LD的室温连续工作寿命已超过10万小时，LED和SLD的室温连续工作外推寿命已达100万小时。
6.2.2半导体光源工作原理
1.半导体中的光发射和光吸收
1.1光的自发辐射
在电流激励下，注入到直接带隙半导体导带中的电子随机地跃迁到价带与空穴复合而发射出光子，这种辐射称为自发辐射。
半导体发光二极管的发光机理就是基于自发辐射，其载流子跃迁过程如图6.2-1（a）所示。
1.2受激光吸收
具有适当能量的光子入射到半导体中时，价带中的电子吸收光子能量而从价带跃迁到导带，从而在半导体中产生电子—空穴对。
这种过程称为受激吸收。
这是光探测器光电转换的基本原理，其载流子跃迁过程如图6.2—1（b）所示。
1.3受激光发射
具有适当能量的入射光子在传播过程中未被吸收，且可以诱导半导体导带中的电子跃迁到价带与空穴复合而发射出一个与入射光具有相同特性（如频率、相位、偏振、传播方向）的光子。
这种过程称为受激光发射，如图6.2—1（c）所示。
2．光波导
在上述三种半导体光源中，光的限制和导行是用介质波导实现的。
图6.2-2给出了三层平板介质波导的示意图。
波导成立的条件是
（6.2-1）
式中
是有源层的折射率，
和
分别是上限制层和下限制层的折射率。
根据这个条件，图6.2-2所示的1-2层界面上的光线角θ12大于临界角θc
（6.2-2）
对于2-3层界面可以写出相似的公式。
当（6.2-1）式满足时，光波沿平行于界面的方向导行。
3．LD的受激辐射和光增益
LD是一种相干辐射光源，与其他类型的激光器一样，它必须满足以下基本条件：
（1）有源区内必须形成粒子数反转分布，即处于高能态导带底的电子数远多于处于低能态价带顶的空穴数，这是由向有源区注入载流子来实现的。
（2）具备一个合适的谐振腔以获得光反馈而形成激光振荡。
（3）有源区提供的光增益必须等于或大于各种光损耗之和，即必须满足激射振荡的电流阈值条件。
图6.2-3为LD芯片的基本结构（宽接触结构）示意图，LD具有两个互相平行的解理面和两个粗糙的侧面（采用条形结构时则不需要这两个粗糙侧面）。
这两个解理面限定了F-P（法布里-珀罗）谐振腔。
通过p-n结注入的少数载流子，可以辐射复合，也可以非辐射复合。
辐射复合产生的光子，可以与价带内的电子相互作用而被吸收，也可以与导带内的电子相互作用而引起受激发射相同的光子。
伯纳德和杜拉福格给出了受激发射的必要条件，即当光子引起电子由导带跃迁到价带并发射相同光子的几率大于电子吸收光子由价带跃迁到导带的几率时，受激发射就超过了吸收，则净受激发射率为正值。
要满足这一条件，则应满足下式：
该式称为伯纳德-杜拉福格条件，图6.2-4为该条件的示意图。
EFC、EFV分别为导带和价带的准费米能级，跃迁是从导带中能量为E2的态至价带中能量为E1的态，
为光子能量。
该式表明，半导体中产生受激发射的必要条件是导带与价带的准费米能级之差大于光子能量。
当注入载流子浓度高到足以使受激发射超过吸收时产生光增益。
为了实现激光振荡，要求有一部份辐射光正反馈，这种反馈通常由垂直于波导轴线的一对解理面提供（见图6.2-3），两个解理面之间的单程增益等于该距离上的总损耗时产生激射振荡。
因而，阈值增益gth可以表示为：
（6.2-4）
式中
为内部损耗，通常是由自由载流子吸收和光学不均匀散射引起的，R1、R2分别为两个反射腔面的反射率，L为F-P腔的腔长。
阈值电流密度Jth即维持激射振荡所需的最小电流密度，它取决于特定的器件结构，计算比较复杂，可参考文献[1]-[3]。
4．SLD中的光增益
SLD的光发射是一种放大的自发辐射，光在波导中传播时获得光增益，但不存在光反馈（理想情况下）或者光反馈很弱，因而不会形成激射振荡，可将其视为一种具有单程光增益的半导体光放大器，它辐射出的光为弱相干光。
具有相同端面反射率R的半导体光放大器结构的增益为：
（6.2-5）
式中Gs为单程增益，β为传播常数，l为器件腔长。
如果R不等于零，当2βl分别为π的偶数倍和奇数倍时，增益分别达到最大值Gmax和最小值Gmin，因而调制系数可以由下式给出
（6.2-6）
理想的SLD应是m=0，此时净增益为单程增益Gs,输出功率为PsGs，Ps是在泵浦电流下自发辐射的导行分量。
在增益饱和之前，Gs可以由下式表示。
（6.2-7）
式中g0是以cm2/A为单位的增益系数，J是以A/cm2为单位的注入电流密度，d是以cm为单位的有源层厚度，Γ是光限制因子，l是以cm为单位的有源区长度，ηi是内量子效率，α是以cm-1为单位的衰减常数，k=g0ηi/s,s是以cm为单位的有源区条宽，I是以A为单位的电流。
6.2.3超辐射发光二极管的结构与工艺
1.SLD的芯片结构
目前用于光纤传输领域的SLD的发射波长主要有850nm、1300nm和1550nm三个波段，850nmSLD采用GaAlAs/GaAs材料系，1300nm和1550nmSLD采用InGaAsP/InP材料系。
材料结构基本上都是采用双异质结结构，即把一个窄带隙半导体材料夹在两个宽带隙半导体材料之间，这种由两种具有不同基本物理参数的半导体单晶材料所形成的晶体界面称为异质结，这两种材料之间的主要差别是能带隙和折射率不同。
它与由两个相同半导体单晶材料所形成的p-n结——同质结相比，具有注入效率高、载流子限制和光限制好等优点。
因而采用异质结结构的器件具有高的发光效率，且可以形成良好的光波导。
SLD芯片均采用条形结构，在平行于结平面的方向引入了载流子限制和光限制。
这种侧向限制可达到以下几个目的：
（1）减小电流通道截面以降低工作电流；
（2）选择适当的条宽，可保证沿结平面方向的基模发射，且易于与光纤耦合；（3）由于绝大部份结平面离开了表面而改善了退化情况。
实现器件超辐射工作的关键是抑制光反馈，当这种对光反馈的抑制阻止了SLD的激射振荡时，取决于光增益谱的自发辐射放大形成了其发射光谱。
这意味着SLD是一种弱相干光源，其光谱宽度远宽于LD的光谱宽度，而比LED的光谱宽度窄。
抑制光反馈的方法有很多种，例如在芯片端面镀AR（抗反射）膜，引入光吸收区，采用倾斜波导和弯曲波导等。
图6.2-5给出了以上列举的几种结构示意图。
在这些结构中都采用了窄条形有源区，这样可以在较小的电流下获得较大的输出功率，并且光斑尺寸小，有利于与单模光纤耦合。
图6.2-5（a）所示的结构是在普通的条形LD的基础上采用端面镀抗反射膜的方法形成的，其特点是工艺简单。
但是这种结构即使在两个端面都镀上抗反射膜，它仍具有剩余端面光反射和高的增益，F-P腔纵模将引起较强的光谱调制。
图6.2-5（b）为脊波导结构器件，它由一段有源区（泵浦区）和一段无源吸收区组成，并且在端面镀上抗反射膜。
对脊宽、有源区和无源区长度进行优化，可以获得较高的输出光功率和很低的光谱调制度。
图6.2-5（c）是一种斜波导结构,设计这种结构的关键是要适当选择有源条形区相对于端面的倾角θ。
为了尽量降低耦合进有源区的反射光功率，角θ要足够大，使得端面反射光透过有源区横向边壁而不会反射入有源区，从而避免F-P腔谐振。
另一方面，为了获得较大的光输出，θ又必须远小于端面处的临界角。
图6.2-5（d）是一种弯曲波导结构。
它由一段直的掩埋条形有源区和一段弯曲的掩埋条形吸收区组成。
有源区后面的吸收区吸收后向传播的光，弯曲的吸收区与后解理端面的倾角大于全反射的临界角，因而即使在高的激励条件下，向后端面传播的光在端面反射时也不会重新耦合进吸收区，所以这种结构能有效地抑制激射振荡，从而获得较低的光谱调制度。
此外，为了扩展SLD的谱宽，OsamuMikami等人采用了一种双有源层结构，即SLD有源层中包含两层重叠的有源层，两层有源层的带隙波长稍有差别。
这种SLD的增益谱近似为每一有源层材料的增益谱之和，因而与具有单层有源层的SLD相比，这种SLD的总的发射光谱会展宽，其光谱宽度（FWHM）达到80nm。
2.SLD芯片工艺
SLD芯片的制作工艺大致可以划分为材料生长，条形波导结构制作，欧姆接触，端面镀膜和后部工艺。
其工艺在原理上与半导体电子器件的工艺有很多相似之处，但由于对光电子器件的性能有特殊要求，在制作过程中采用了不少新工艺和新技术。
2.1材料生长
在SLD芯片制作中，最常用的外延材料生长方法是LPE（液相外延）法和MOCVD（有机金属化学气相淀积）法。
LPE法中最常用的是降温法，即在一定温度下将单晶衬底与某种饱和或过饱和溶液接触并逐渐降温时，溶质从溶剂中析出而在衬底上外延生长出所需要的单晶薄层。
LPE法具有设备简单，使用可靠，生长的晶体质量较高，能利用非平面衬底生长不同结构的器件等优点。
其缺点是欲生长晶体与衬底间的晶格失配不能过大，否则就难于生长。
此外，LPE法的生长速率快，并且难于控制，因而不适于超薄单晶层的生长，它通常用于制作体材料器件。
采用MOCVD法生长III－V族化合物半导体材料时，是以III族元素的有机化合物和V族元素的氢化物如Ga（CH3）3、Al（CH3）3、In（C2H5）3、AsH3、PH3等作为源材料，用SiH4、Zn（C2H5）2、Cd（CH3）2等作为掺杂剂，以H2或惰性气体作为载气。
它们以气流方式混合后流经处于反应室中的加热衬底表面时产生热分解反应，从而在衬底上生长出所需要的III－V族化合物半导体（如GaAs，InP）及其多元固溶体（如GaAlAs，InGaAsP，InGaAs）薄层。
采用MOCVD法生长半导体单晶薄层时，可以精确控制外延层的组分和层厚，能生长出面积大、层厚非常均匀，界面陡峭，过渡区很窄的异质结结构，因而特别适合于制作量子阱SLD。
此外，采用MOCVD可以实现多片生长，很适合于外延材料的批量生长。
2.2条形结构制作
实际上可用的SLD都采用条形结构（见图6.2-5）,利用掩膜对材料进行选择性刻蚀形成所需条形结构。
刻蚀可采用湿法化学腐蚀或干法刻蚀（如离子铣、反应离子刻蚀等）。
SiO2、Si3N4、Al2O3等介质膜的形成分别可采用CVD（化学汽相淀积）、PECVD（等离子增强化学汽相淀积）、磁控溅射、电子束蒸发等方法来实现。
2.3欧姆接触
金属电极可以采用蒸发或溅射的方法获得。
这里有二个基本指导原则：
（1）避免电极与外延层表面过度合金化，因为有源层距表面只有几微米；
（2）衬底面用合金化的低电阻率电极，P型外延层表面可采用Zn扩散方法进行高掺杂以利于形成低接触电阻率的电极。
n面电极材料通常采用AuGeNi/Au、Sn/Au等，p面电极材料通常采用Zn/Au、Cr/Au或Ti/Pt/Au等。
2.4AR膜制作工艺
在SLD研制中，常常采用AR膜与吸收区相结合来抑制激射，从而实现超辐射工作。
AR膜应满足以下条件，即
。
和
分别为AR膜和衬底的折射率，
为AR膜的厚度，λ为光在真空中的波长。
对于AlGaAs和InGaAsPSLD，采用的膜材料有Si3N4、SiO2、Al2O3、TiO2等。
可以采用溅射、反应溅射、电子束蒸发等方法在SLD端面上生长AR膜。
2.5后部工艺
将制作完毕的晶片解理成单个SLD管芯，将管芯烧焊在过渡热沉（通常为铜或金刚石）上，并压焊上金丝引出电极。
3．SLD组件结构
在大多数情况下需要把SLD管芯、半导体致冷器、热敏电阻及后向探测器等组装在管壳内，并将SLD的光输出耦合进单模光纤或保偏光纤中以便用于光纤陀螺系统。
图6.2-6是SLD组件结构示意图和实物照片。
光纤与SLD管芯光学对准，把SLD发射出的光有效地耦合进光纤。
热敏电阻阻值的变化反映了SLD工作温度的变化，调节半导体致冷器的工作电流可以改变SLD的工作温度，通过外电路可以实现对器件的温控。
后向探测器用于探测SLD管芯的后向光输出，后向光输出的变化反映了SLD前向输出光功率的变化，可以通过外电路调节SLD驱动电流而实现对器件的光控。
有效的温控和光控可以有效地稳定组件的光输出特性。
（a）
4．SLD组件的组装及耦合封装工艺
SLD组件的组装及耦合封装主要包括热匹配设计，热传导设计，焊接工艺，光学对准，光纤固定及气密性封装等。
SLD组件中各元件的组装可以采用分级钎焊。
SLD管芯需要与管壳出光孔进行光学对准以便于与光纤耦合。
为了减小光纤端面的光反射，可将光纤头拉锥或磨角。
用五维精密微动台把光纤与SLD管芯的发射光束对准，再用激光焊机将光纤固定。
最后用平行缝焊系统在N2气氛中封盖，从而保证组件内部不含其它有害气体，并确保组件的气密性。
耦合封装工艺的关键是热匹配设计，由于组件中各部件所采用材料的热膨胀系数不一样，在温度大范围变化时可能会引起光纤与SLD发射光斑间的相对位移，不管是横向或纵向位移都会导致耦合效率的变化，引起光纤输出功率变化，严重时甚至会导致光纤断裂。
因而组件中各部件（如支架，光纤导管等）所采用的材料和几何尺寸都要仔细考虑热匹配问题。
此外，组装应力的影响也应引起注意，耦合前应尽量消除组装应力，这通常是采用各部件组装后在较高温度下烘烤来加速应力释放。
5.量子阱SLD
通常将两种或两种以上具有不同组分或导电类型的超薄层（相邻势阱内电子波函数产生交叠）材料交替生长形成的周期性结构称为超晶格材料，把具有较厚势垒层、相邻势阱中电子波函数不产生交叠的周期性结构称为多量子阱（MQW），而只有一个势阱、两边具有势垒层的结构称为单量子阱（SQW）。
图6.2-7给出了量子阱结构及其能带示意图。
在量子阱结构中，当窄带隙材料的厚度薄到足以与电子的德布洛意波长L（L=h/p≈50nm，h为普朗克常数，p为载流子动量）相比拟，或者说可与玻尔半径（1nm～50nm）相比拟时，半导体的能带结构、载流子的有效质量、以及载流子的运动状态都会发生很大改变，会产生量子尺寸效应。
在体材料结构中，带边态密度呈抛物线分布，且可以近似看成准连续的，其运动状态是三维的。
而在量子阱结构中，阱层中的载流子运动状态不能再近似用自由粒子来描述。
在这种情况下，电子被限制在有限势阱中，在垂直于结平面方向的态密度不再是准连续的，而是呈阶梯状分布，也就是说被量子化了。
其能量只能取一系列分立值E1、E2、E3…En，如图6.2-8所示。
而在平行于结平面方向，载流子的运动是自由的。
由此，电子在阱中的运动是准二维的。
二维运动电子的态密度取决于载流子有效质量和阱层厚度，而与能量无关。
量子阱SLD可以采用SQW结构，也可以采用MQW结构。
由于在有源层中引入了量子阱结构，态密度呈阶梯状分布而导致量子尺寸效应，使得在少量载流子注入情况下就可以获得高的光增益。
除此之外，量子阱SLD与体材料SLD相比，在垂直于结平面的方向具有较小的光限制因子，这意味着该方向的发散角较小，且光斑尺寸展宽。
与体材料SLD相比，量子阱SLD的光输出功率高得多，且与光纤的耦合效率较高。
在SLD中，由于端面对TE模的光反馈比对TM模的光反馈强，因而TE模可获得更大的增益，所以光输出中TE模占优势，但这种优势并不能满足偏振系统的要求，最为方便的方法是采用一定长度的单模光纤与偏振器相结合以消除两个导引偏振模中的一个偏振态，但最终消光偏振器可能限制系统的性能。
在FOG系统中，减小误差的一种替代方法是采用非偏振光，在系统中无需偏振器。
干涉仪中两个偏振模被同等激劢，一个偏振模引起的误差抵消了另一个偏振模引起的误差。
随着量子阱材料的研究进展和超精细薄层材料生长技术（如MBE、MOCVD）的发展，又提出了具有一定晶格失配的应变量子阱概念。
对于小于临界厚度（超过这一厚度，则弹性应变被破坏，会产生大量位错）的晶层，引起的双轴共面应力会使晶格的立方对称发生正方形变，而使价带结构发生变化，但很难影响导带。
当阱层的弛豫晶格参数大于势垒层的弛豫晶格参数时，则阱层处于双轴压应变状态，反之，则阱层处于张应变状态。
无论是压应变还是张应变都会使量子阱材料的价带结构发生改变，使得空穴的有效质量减小，非辐射复合降低，损耗减小。
在压应变量子阱中，处于价带顶的是重空穴带。
而在张应变量子阱中，处于价带顶的是轻空穴带。
在压应变量子阱中产生的是导带电子到价带重空穴的跃迁，它对TE模有大的动量矩阵元平方值，只提供TE偏振增益。
在张应变量子阱中产生的是导带电子到价带轻空穴的跃迁，它对TM模有大的动量矩阵元平方值，主要提供TM偏振增益，同时也提供TE偏振增益。
L.F.Tiemeijen等人1992年首次对1.3μm波长的器件进行了阐述，提出在一个有源层中，同时包含张应变量子阱和压应变量子阱可以成功地防止MQW半导体光放大器的偏振敏感性，其原理如图6.2-9所示。
这种新颖的概念是可以用调整两类应变量子阱（应变或组分以及阱宽）的方法来平衡带隙，从而获得相等的TE模和TM模增益，也就是说采用这种方法可以制作出偏振不敏感的SLD。
此外，也可以只采用张应变材料获得偏振不敏感SLD。
6.体材料SLD和量子阱SLD的比较
与体材料SLD相比，量子阱SLD具有更高的微分量子效率，可获得更高的光输出功率，并且其增益谱比体材料更宽，因而量子阱SLD比体材料SLD具有更宽的发射光谱。
此外，如果在SLD有源层中将压应变与张应变加以组合，则可以制作出偏振不敏感的SLD。
但是量子阱SLD也存在一些问题，在高载流子注入情况下，量子阱SLD的光增益谱中基态能级的光增益系数容易饱和，而一阶激励能级变强，因而光增益谱容易出现双峰，从而使得SLD的发射光谱出现双峰。
这种情况在AlGaAsSLD中容易产生，因此优化SLD结构显得特别重要。
双峰光谱具有比单峰光谱更宽的谱宽，因而在某些特定应用场合也许是优点。
此外，与体材料SLD相比，量子阱SLD具有更高的增益，光谱调制具有增强的趋势。
一般认为，在低输入电流下要求具有较高光输出的应用中量子阱SLD更为合适，而在要求高光功率输出情况下仍具有低光谱调制度和单峰光谱的应用中体材料SLD更为合适。
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