半导体可饱和吸收镜（一）在线视频

现在我们来讲一下可饱和吸收体器件

以及相应的锁模举例

主要分为两个大的部分

一个是半导体可饱和吸收镜

还有一个是材料类可饱和吸收体

以及在激光器中的应用

先看一下半导体可饱和吸收镜

主要有这几个部分的内容

半导体可饱和吸收镜是什么样子的呢

大家看一下这个图片

半导体可饱和吸收镜

叫SESAM就是SESAM

是Semiconductor Saturable

Absorber Mirror

简称SESAM

这个是由半导体材料长出来的

所以它长出来就是看到的是一个片子

一般的来说有2英寸3英寸

甚至于更大一点的片子

那我们在用的时候呢

一般是把这个片子切成一小块

大概是3到5个毫米

因为半导体材料

对于这个热的效应很明显

因此把它放到一个热沉块儿上

让它散热

这个就是半导体可饱和吸收镜

我们主要第一部分

是讲这个镜子的结构以及它的基本原理

先看一下什么叫可饱和吸收效应

这个半导体大家知道

它有两个带

上面的叫导带

下面的是价带

导带和价带之间

如果上面有导带之间有自由电子

那么就叫导体

一般的介质它是没有自由电子的

这个时候如果有一束光打到这个介质上

在这个价带上的电子呢

就会吸收这个能量

跃迁到这个导带上来

产生一对电子空穴对

随着这个入射光的不断增加

那么这个电子就越来产生的越多

因此呢导带上有越来越多的电子

价带上有有越来越多的空穴

这个时候有光继续进入

这个时候导带和价带上的

电子空穴对就满了

这个时候它就不再吸收

这个入射光

这个时候入射光

就可以穿过这个介质

透射过去

这个时候我们就叫它饱和了

那因此呢这个里头有两个过程

一个就是在低功率的部分

这个介质对于这个光来说

是不透明的

这个光被吸收

当光强达到一定程度的时候

这个介质不再吸收这部分光

这个时候呢

这个介质相对于光来说

就是一个透明介质

这个光就可以穿过去了

这个过程我们就叫做可饱和吸收过程

这效应的叫做可饱和吸收效应

由此制作的器件叫可饱和吸收体

对于半导体可饱和吸收体来说

因为它的这个吸收层可以比较薄

半导体材料它的吸收系数

大概是在十的四次方每厘米

根据这个损耗的这个公式呢

吸收率如果需要达到1%的话

这个厚度只需要10个纳米就可以了

因此也可以把它做成

一个量子阱结构

同时半导体器件

它还有一个特性

叫做时间响应特性

有一个双时间特性

一个是带内载流子在

热运动的过程中

产生的这个响应

我们叫快响应时间

还有一个呢

是这个电子空穴对

在导带和价带之间的跃迁时间

这个叫在带间跃迁

对应的是慢响应时间

现在的问题就是说

我们为什么要做SESAM

为什么要做半导体可饱和吸收镜

主要有几个原因

前面说

固体激光器可以产生克尔锁模

但是克尔锁模呢它不能自启动

因此它需要一个自启动元件

在实验室中大家

有的时候我们会敲一下桌子

连续光就可以变成脉冲光

或者是把这个系统中加一个振镜

给它一个微扰

这个时候这个锁模才可以启动

那如果我们不想敲桌子

或者不想要振镜的话

就可以加一个可饱和吸收体

这个是它的产生的主要原因

后来呢这个可饱和吸收体

也可以被用于可饱和吸收锁模元件

作为慢饱和吸收器直接产生孤波

这个对应的是固体激光器中

有些介质它的克尔效应比较弱

因此需要一个锁模元器件

还有就是光纤激光器中

比方说NPE和8字形腔

它一般也不是总能自启动的

所以也希望

给它在腔内加一个可饱和吸收器

这个就是所说的

为什么可饱和吸收元件

要用在锁模激光器中

对于SESAM

最开始研究的时候

是在固体激光器中产生的

所以记着半导体激光器它的特性

就是有一个恢复时间快

因此它可以产生短脉冲

还有一个它可以集成

作为跟反射镜一块集成

集成成一个可饱和吸收镜

这个就是这一部分要讲的内容

半导体可饱和吸收镜SESAM发明

是由这个瑞士联邦工学院的

U.Keller教授发明的

那么它是把它放到系统中去

大家看一下右下角的铜块上

贴的黑颜色的那个就是一个SESAM

由此就可以产生锁模脉冲

从此呢

SESAM呢就开始被大家热烈的研究

SESAM的典型的结构

是这样子的一个图

大家看到一共有4个部分组成

从右边开始看

最右边这部分是衬底层

再过来是一个布拉格反射镜

再过来是可饱和吸收体

在可饱和吸收体前面有一个帽层

分别起什么作用呢

大家知道

长的半导体可饱和吸收层

非常的薄

就是非常薄的片

一般来说是你拿不起来的

需要有一个衬底给它支持者

所以它需要一个衬底

substrate只起一个支撑作用

那在这个衬底上面呢

想长一个布拉格反射镜

就是让它作为一个反射镜来用

因此这部分黑白道这部分呢

相当于是反射镜

然后其实半导体可饱和吸收体

真正的想要的是

那个可饱和吸收层

所以关键是红颜色的这一层

这个是可饱和吸收层

然后在这可饱和吸收层的前面呢

一般的来说

我们要么长一个保护层

就是给它一个提供一个高势垒层

另外也防止它被氧化

有的呢也加一个增透膜给它镀膜

这个就是半导体可饱和吸收镜的基本结构

那所以这个设计的时候呢

主要有两个部分

一个是可饱和吸收层

这一部分还有一个呢

就是它的布拉格反射镜这一部分

现在看一下半导体的基本概念

这个图给出来一个半导体的

它的能带结构

大家可以看到它有一个价带在下面

还有一个导带

那么对于半导体材料来说呢

它分为导带和价带

那么导带价带之间的这个gap

我们叫带隙

如果电子空穴对要想复合的话

就要跃过这个带隙

从价带跃到导带

或者是电子从导带跃到价带

另外它还有一个特性

就是在导带

或者是价带的这个带内

它的粒子也在里头在运动

这个运动产生的跃迁的

这个时间是非常短的

因此呢半导体结构

它是有一个双时间响应的

就是一个对应的是带内跃迁

粒子在里头跃迁

还有一个带跃呢

是带间跃迁

那么就会产生一个时间响应曲线

大家看一下曲线中的

红颜色的曲线分两部分

一部分就是变化比较快的快变峰值

这个对应的时间呢

就是带内跃迁时间

大概对应的是在100个飞秒左右

后面那部分就是缓变的那一变化的那部分

那个时间对应的是带间跃迁时间

那个对应的是载流子和空穴对的复合时间

一般是在纳秒量级

因此呢说半导体的时间响应的

主要是有了两个时间特征

那么跟量子阱有什么关系呢

我们说把可饱和吸收体这个材料

如果把它放到两个高势垒边儿上的话

就是左边有一个高势垒材料

右边也有一个高势垒材料

而只有中间的这个材料

让它变得非常的薄

那么从带隙的角度来说呢

就相当于是

看上面那个就是上边左边是一个

高势垒层

右边也是高势垒层

中间这个层是一个低势垒层

就形成了一个像阱一样的结构

并且当它的阱变得非常窄的时候

当它满足德布罗意波的

那个波长条件的时候呢

这个能级就变成了分裂能级

就形成了量子阱

所以管它叫量子阱

这个半导体材料有几个参数要

我们要讨论一下

第一个叫禁带宽度刚才说了

半导体材料呢它有导带和价带

那么导带和价带之间有一个禁带

这个禁带宽度取决于

材料对于波长的吸收特性

也就是说

这个半导体材料它的吸收波长呢

取决于带隙结构

带隙结构

禁带宽度怎么算的呢

禁带宽度一般的来说

半导体材料我们分为

用的比较多的是Ⅲ-Ⅴ族材料

大家用的比较多的是

比方说GaAs或者是InGaAs

或者是InGaAsP

那么它的这个禁带宽度怎么求呢

一般的来说

给了一个经验公式

这个公式给出来InGaAs这个材料

在无应变情况时候的

它的禁带宽度

这个里头就是In和Ga

它们俩的组分加起来等于1

如果In的组分是x的话

那么Ga的组分就变成1减x了

那根据这个组分x的不同

它的禁带宽度也是不一样的

所以这个公式呢

给出来禁带宽度

随着组分x的不同

算出来禁带宽度不一样

而我们又知道这个禁带宽度

对应的能级呢是等于hν的

这个ν就代表

吸收或者是辐射的

光子的频率

或者叫吸收或者辐射的光子的波长

这个公式是在300k

就是在室温下给出来的

这个时候呢

如果改变这个In组分的

这个组分大小

就可以得到不同的禁带宽度

也就是可以得到不同的波长

所以我们看一下这个图

这个图中呢

列出来几种常用的半导体材料

它的带隙这个不同

看一下常用的一个叫

GaAs

GaAs对应的波长

左边是它的带隙

以电子伏特来给出来

右边呢给出来是对应的波长

可以求出来这个GaAs

它对应的波长呢

是在这个872个纳米

然后再看一下

这个图往下看

InAs对应的波长呢

大概是在3.49个微米

那如果想要得到从

这个872纳米到3.9个微米之间的

这个波段怎么办呢

其实在这个里头

可以把GaAs里头掺一些In

然后根据这个In的组分不同

就可以得到不同的波长

这个就是设计

这个InGaAs的一个基本原理

那一般现在这个InGaAs

如果用在一个微米的话

就可以掺不同的In的成分

使它的这个带隙呢

对应着一个微米的波长就可以了

好除了禁带宽度以外

还有一个半导体材料

有一个基本概念叫晶格常数

晶格常数大家知道是什么概念

就是因为说半导体

它是一个周期结构的

它是按周期性结构排列的

那么这个周期性结构最小的

那个周期性结构呢

叫它晶胞

那么晶胞的尺寸就叫晶格常数

那不同材料

它的晶格常数是不一样的

但是刚才我们说了

在这个SESAM上

是在这个GaAs上

长InGaAs或者是长其它的材料

那这个时候两种不同材料

它们之间在晶格常数不一样

在堆叠的过程中

就会产生应力

大家就知道就是等于这个东西比较小

一定要给撑的大了

就有可能把它撑坏了

就造成缺陷

缺陷就会造成损耗

所以说在做这个材料的时候呢

希望如果用的是不同材料的时候

尽量让这两种材料它的晶格常数相等

因此在这个图中

我们还给出来一个横轴

对应的是晶格常数

那就是找相同的晶格常数来用

比方说还以这个GaAs举例

这个GaAs大家看

它上面是AIAs

就是GaAs和AIAs的晶格常数

基本上是相同的

那因此在长材料的时候

就可以长一层

一层GaAs一层AIAs

一层GaAs一层AIAs

这个是长DBR的时候

一般用的是这两种材料

但是呢

GaAs和InGaAs的这个晶格常数

就不太一样了

好这个是晶格常数的

主要的涉及到的问题

那么列一下几种基本的半导体片

它的禁带宽度 晶格常数

以及波长的这个数值

列一个表出来呢

通常用的就是举个例子

比方说GaAs AIAs InAs和InP

那禁带宽度呢

说过了禁带宽度是以eV以能量来表示的

它的单位使用的是电子伏特

一般得的是这几个式子

它对应的晶格常数

大家看一下晶格常数就是说

GaAs和AIAs基本上是相等的

所以GaAs和AIAs可以配对

因此在这个长布拉格材料的时候

用的比较多的是GaAs和AIAs配对的

同时呢对应不同的材料

它的对应波长也是不一样的

GaAs对应的是0.87个微米

AIAs是0.58

InAs是3.4810

InP是0.92

那就是根据需要的波长

选不同的材料以及不同的配比

那这个是晶格常数的关系

晶格失配呢

除了造成就是

刚刚说的应力导致的

缺陷以外

其实晶格失配

也会对能带产生影响

主要原因是什么呢

就是刚才说了

如果长的是两层材料

底下的材料

比方说它的周期是一个毫米

打个比方这个有点大

如果上面的那个材料

它的晶格常数是1.5个毫米

那么它们两个如果长到一块儿的话

下面这个材料就会被往开拽

所以这个呢我们就叫做张应变

它就会产生应变

那上边这个材料就会被压缩

其实就叫压应变

那么由于压应变和张应变的不同

对于禁带宽度也会产生影响

再举个例子

同样举InGsAs

如果长在GaAs衬底上

因为它们俩的晶格常数不一样

那它就会产生一个

跟晶格匹配相关的值

晶格常数呢

也会受到

里头的组分的影响

也会被微调

所以x如果不同的话

得到应InGaAs的晶格常数

也会略微不一样的

这是用的公式来计算的

那么有两个情况

就是一个是禁带宽度的计算

我们刚才说过了

禁带宽度也会被调制

这个是因为InGsAs是它的晶格常数

大于GaAs

因此呢存在的是压应变

这个时候禁带宽度计算公式

就会被微调一下

用的是这个公式来算

不是刚才的那个经验公式了

那么算出来之后呢

可以用它作为

可饱和吸收层

那在这个可饱和吸收层里头呢

这个厚度到底有多厚呢

刚才说过了

因为不同的材料

它之间会存在

一个晶格常数不匹配的问题

就会有产生应变存在

如果这个材料薄

拽一拽还能拽开

如果这个材料厚就很难拽开了

不是拽不开

就是把它拽断了

那因此呢

这个里头存在一个临界厚度的问题

所以一般的这个可饱和吸收层呢

它这个厚度不能太厚了

厚度跟谁有关呢

厚度跟这个In的配比

也是有关的

就是不同的In的配比

它的临界厚度算出来也不太一样

比方说

如果In的配比x是大于0.2的话呢

临界厚度一般的来说

大概是在10个纳米左右

而如果超过这个10个纳米去

刚才说的就会产生缺陷

产生位错

产生位错和缺陷的这个结果

就是非饱和损耗增加

还有一个就是In的配比

如果x等于0.53的话呢

InGaAs的晶格长度

就跟InP的晶格常数

在300k时就相等了

所以也可以把这两个材料

给它配起来

来做实际的使用

下一个概念就是量子阱

就刚刚说的了

那么因为这个材料能做的很薄

因此它就是一个薄层

但是这个薄层呢

不一定是量子阱

这个就是在两个高势垒层区

加了一个低势垒区

就是低势垒材料

比方说是InGaAs

两边如果做GaAs的话

GaAs的势垒要比InGaAs的势垒要高

因此呢InGaAs

就变成了一个势阱

这个瘦瘦的陷在这个阱里头了

这个阱呢比较薄

就是有两个原因

一个刚才说的有一个临界厚度的

这个限制

还有一个呢

是因为本身在应用的时候

在做可饱和吸收体的时候

它本身吸收率也要求的也不高

有几个纳米到十几个纳米就够了

因此那这个层就可以做的很薄

那什么时候才变成量子阱了呢

就是只有当这个阱宽

与德布罗意波的波长相比拟的时候

它才会有量子效应

这个时候就叫它量子阱

如果不是量子阱

也可以做可饱和吸收材料

记着只是说

刚好它这个跟德布罗意波相匹配了

因此呢就变成了一个量子阱

所以这个可饱和吸收层

就是一个量子阱层

最后一个特性就是可饱和吸收体

它有一个双时间特性

这个前面也提到了

那么快响应时间是由于带内

子带之间的这个载流子造成的

那么响应时间大概是在

100飞秒到200飞秒这个数量级

那么慢饱和响应主要是

带间的载流子跃迁复合造成的

就是要跃过禁带从价带

跃迁到导带去

因此它的这个宽度呢

大概是在几百个皮秒到纳秒

这个数量级上

这个就是它的曲线

跟刚才那个曲线基本上

看起来是差不多的

有一个快吸收曲线

还有一个慢吸收曲线

这是半导体可饱和吸收体的时间特性