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1、6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、频率特性 五、温度特性 6.3.3 分布反馈激光器 一、工作原理 二、DFB激光器的优点,半导体激光器（Laser Diode 即LD）,6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。光受激辐射
2、、发出激光必须具备三个要素：1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光。,受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为激发态。(热力学平衡状态下，在较低能级上比较高能级上存在较多的电子)电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收（本征吸收）自发辐射 受激辐射,(a)自发辐射,h=E2-E1,初态,终态,光子的特点：非相干光,h,初态,终态,(b
3、)受激辐射,光子的特点：相干光,(c)受激吸收,h,终态,初态,产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位,h,初态,终态,(b)受激辐射,(1)自发辐射 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图615(a)。(2)受激辐射 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图615(b)。(3)受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后
4、，在低能级留下相同数目的空穴，见图615(c)。,受激辐射和自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=h式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，为吸收或辐射的光子频率。,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在
5、单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布,式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2
6、)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?,导带,价带,导带,价带,正常分布,反转分布,产生激光的必要条件二：粒子数反转分布,产生粒子数反转的方法,注入载流子半导体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器气体电离气体激光器,图 3.2 半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体,2.PN结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带
7、。,在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。,(3.3),一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图3.2(c)。在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运
8、动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。,（a)P-N结内载流子运动；,(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图,图 3.3PN结的能带和电子分布,正向偏压下P-N结能带图,获得粒子数反转分布,增益区（作用区）的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复
9、合，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。产生粒子数反转分布的条件：,3 激光振荡和光学谐振腔,工作物质,光增益,EC,EV,产生激光的必要条件三：有光学谐振腔,激光振荡的产生 粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。,3 激光振荡和光学谐振腔,激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔
10、,产生稳定振荡的条件（相位条件）,m 纵模模数，n 激光媒质的折射率,法布里珀罗腔,只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。,激光稳定工作的条件2：光增益等于或大于总损耗,在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为,式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率,式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1,2,3 称为纵模模数。在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振
11、腔的纵模。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。,激光振荡的相位条件为,LD的发光过程,注入电流，即注入载流子；在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工作。,4.半导体激光器基本结构,驱动电源,工作物质,谐振腔,注入式,光子激励,电子束激励,PN结（同质结）,异质结,单异质结,双异质结
12、（DH）,解理面,布拉格反馈,分布反馈式DFB,分布布拉格反射式DBR,4.半导体激光器基本结构,最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、P型和N型限制层构成，如下图所示。,大面积半导体激光器,1）、同质结（PN结）半导体激光器,PN能带,正向电压V时形成的双简并能带结构,PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作,所加的正向偏压必须满足,1）、同质结半导体激光器,4.半导体激光器基本结构,2）、异质结半导体激光器,同质结、异质结结构示意图,为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。,4.半导体激光器基本结构,4.半导体激光器基本结构,这种结构由三层不同类型半导体
13、材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有一层厚0.1-0.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。,图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。,3）、双异质结（DH）半导体激光器,DH激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1
14、-0.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。,图 3.6 DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布,3.1.2 半导体激光器的主要特性 1.发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)h f=Eg,(3.6),不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波
15、段 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3-1.55 m波段,式中，f=c/，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到,峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50最大幅度值线段的中点所对应的波长。,1.发射波长和光谱特性,在直流驱动下，发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度
16、变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。,2.激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结
17、平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。,图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样,3.9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样(a)光强的角分布；(b)辐射光束,图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。,3.转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。,(3.7a),式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为
18、相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。,外微分量子效率d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数,外量子效率为：,LED的P-I特性,LD的P-I特性,4.温度特性半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。温度升高时，Ith 增大，d减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为,式中，I0为常数，T为
19、结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAs GaAs 激光器T0=100-150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P I曲线的变化。,图 3.12 P I曲线随温度的变化,3.1.3 分布反馈半导体激光器 分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。分布反馈激光器的要求：（1）谱线宽度
20、更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4）阈值电流更低（5）输出光功率更大,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器(a)结构；(b)光反馈,如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。,ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,(3.11),DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：易形成单纵模振荡；谱线窄，方向行性好；高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；输出线性度好。,LD 的特点及应用,特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。,
