半導體激光器

1、6.3.1 半導體激光器工作原理和基本結構 一、半導體激光器的工作原理 受激輻射和粒子數反轉分布 PN結的能帶和電子分布 激光振蕩和光學諧振腔 二、半導體激光器基本結構 6.3.2 半導體激光器的主要特性 一、發(fā)射波長和光譜特性

2、 二、激光束的空間分布 三、轉換效率和輸出光功率特性 四、 頻率特性 五、 溫度特性 6.3.3 分布反饋激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的優(yōu)點,半導體激光器（Laser Diode 即LD）,6.3.1 半導體激光器工作原理和基本結構 半導體激光器是向半導體PN結注入電

3、流，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩的。 光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個要素：1、激活介質經受激后能實現能級之間的躍遷；2、能使激活介質產生粒子數反轉的泵浦裝置；3、放置激活介質的諧振腔，提供光反饋并進行放大，發(fā)出激光。,受激輻射和粒子數反轉分布 有源器件的物理基礎是光和物質相互作用的效應。 在物質的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量

4、比基態(tài)大的能級Ei(i=2, 3, 4 …)稱為激發(fā)態(tài)。(熱力學平衡狀態(tài)下，在較低能級上比較高能級上存在較多的電子) 電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收（本征吸收） 自發(fā)輻射 受激輻射,(a) 自發(fā)輻射,,,hυ=E2-E1,初態(tài),,,終態(tài),光子的特點：非相干光,,,,,,hυ,初態(tài),,,終態(tài),(b) 受激輻射,光子的特點：相干光,,,,,,, (c) 受激吸收,,

5、,hυ,終態(tài),,,初態(tài),,,,,產生激光的必要條件一：受激輻射占主導地位,,,hυ,初態(tài),,,終態(tài),,,,,,,(b) 受激輻射,(1)自發(fā)輻射 在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，見圖6－15(a)。 (2)受激輻射 在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產生光輻

6、射，這種躍遷稱為受激輻射，見圖6－15(b)。(3)受激吸收 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數目的空穴，見圖6－15(c)。 ,受激輻射和自發(fā)輻射區(qū)別在于是否有外來光子的參與，且產生的光的特點很不相同。 受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。 自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的

7、電子自發(fā)躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯系 受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即 E2-E1=hυ式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數， υ

8、為吸收或輻射的光子頻率。,產生受激輻射和產生受激吸收的物質是不同的。 設在單位物質中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數分別為N1和N2。 當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布,,式中， k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。 這是因為電子總是首先占據低能量的軌道。,受激吸收和受激

9、輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(吸收和輻射的概率)相等。 如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質時，光強按指數衰減， 這種物質稱為吸收物質。 如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。 N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數反轉分布。 問題：如

10、何得到粒子數反轉分布的狀態(tài)呢?,導帶,價帶,,,,,,,,,,,,,,,導帶,價帶,,,,,,,,,,,,,,正常分布,反轉分布,產生激光的必要條件二：粒子數反轉分布,產生粒子數反轉的方法,注入載流子－半導體激光器強光對激光物質進行照射－固體激光器氣體電離－氣體激光器,圖 3.2 半導體的能帶和電子分布 (a) 本征半導體； (b) N型半導體； (c) P型半導體,2. PN結的能帶和電子分布 在

11、半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec 和價帶頂的能量Ev 之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶。,在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米分布,式中，k為波茲曼常數，T為熱力學溫度。Ef 稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據的狀態(tài)。 在費米能級，被電子占據和空穴占據的概率相同。 ,

12、(3.3),一般狀態(tài)下，本征半導體的電子和空穴是成對出現的，用Ef 位于禁帶中央來表示，見圖3.2(a)。 在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型半導體，見圖3.2(b)。 在本征半導體中，摻入受主雜質，稱為P型半導體，見圖3.2(c)。 在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數載流子(電子或空穴)的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場， 見圖3.3(a)。 內部電場產生與擴散相反方向的漂移運動，

13、直到P區(qū)和N區(qū)的Ef 相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結果能帶發(fā)生傾斜，見圖3.3(b)。,（a) P-N結內載流子運動；,(b) 零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖,圖 3.3PN結的能帶和電子分布,正向偏壓下P-N結能帶圖,獲得粒子數反轉分布,增益區(qū)（作用區(qū)）的產生： 在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動

14、，最后在PN結形成一個特殊的增益區(qū)。 增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數反轉分布，見圖3.3(c)。 在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產生自發(fā)輻射光,這些光子將引起處于反轉分布狀態(tài)的非平衡載流子產生受激復合而發(fā)射受激輻射光子。 產生粒子數反轉分布的條件：,3 激光振蕩和光學諧振腔,,,,,,,,工作物質,,,,,,,,,光增益,EC,,,,,EV,,,,,,,,,,

15、,,,,,,,產生激光的必要條件三：有光學諧振腔,激光振蕩的產生 粒子數反轉分布（必要條件)+ 激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇 = 連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 基本的光學諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot, FP)諧振腔。 由于諧振腔內的激活物質具有粒子數反轉分布，可以用它產生的自發(fā)輻射光作為入射光。,3 激光振蕩和光學諧振腔

16、,激光穩(wěn)定工作的條件1：合適的諧振腔,產生穩(wěn)定振蕩的條件（相位條件）,m 縱模模數，n 激光媒質的折射率,法布里－珀羅腔,只有當增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益。為達到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。 一個縱模只有在其增益大于或等于損耗時，才能成為工作模式，即在該頻率上形成激光輸出。,激光穩(wěn)定工作的條件2：光增益等于或大于總損耗,在諧振腔內開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為,式中，γt

17、h 為閾值增益系數，α為諧振腔內激活物質的損耗系數，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率,式中，λ為激光波長，n為激活物質的折射率，m=1, 2, 3 …稱為縱模模數。 在共振腔內沿腔軸方向形成的各種駐波稱為諧振腔的縱模。 有2個以上縱模激振的激光器，稱為多縱模激光器。通過在光腔中加入色散元件或采用外腔反饋等方法，可以使激光器只有一個模式激振，這樣的激光器稱為單縱模激光器。 ,激光振蕩的相位條件為,L

18、D的發(fā)光過程,注入電流，即注入載流子；在有源區(qū)形成粒子數反轉，導帶電子不穩(wěn)定，少數電子自發(fā)躍遷到價帶，產生光子；1個光子被導帶中電子吸收躍遷到價帶，同時釋放出2個相干光子，持續(xù)這個過程，直到釋放出多個相干光子，即在合適的腔內振蕩放大；光子穩(wěn)定振蕩，光能量大于總損耗時，LD開始工作。,4. 半導體激光器基本結構,驅動電源,工作物質,諧振腔,注入式,光子激勵,電子束激勵,PN結（同質結）,異質結,單異質結,雙異質結（DH）,解理面,布

19、拉格反饋,分布反饋式DFB,分布布拉格反射式DBR,4. 半導體激光器基本結構,最簡單的半導體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構成，如下圖所示。,大面積半導體激光器,,,1）、同質結（PN結）半導體激光器,PN能帶,正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構,PN結LD的特點：閾值電流高，常溫下不能連續(xù)工作,所加的正向偏壓必須滿足,1）、同質結半導體激光器,4. 半導體激光器基本結構,2）、異質結半導體激光器,同質

20、結、異質結結構示意圖,為了獲得高勢壘,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。,4. 半導體激光器基本結構,4. 半導體激光器基本結構,這種結構由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發(fā)射不同的光波長。 結構中間有一層厚0.1-0.3 μm的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里-珀羅(FP)諧振腔。,圖3.5是雙

21、異質結(DH)平面條形結構。,3）、雙異質結（DH）半導體激光器,,DH激光器工作原理 由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后， P層的空穴和N層的電子注入有源層。 P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。 同理， 注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。 這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1-0.3 μm的有源層內形成粒子數

22、反轉分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。 另一方面，有源層的折射率比限制層高，產生的激光被限制在有源區(qū)內，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。 ,圖 3.6 DH激光器工作原理(a) 雙異質結構； (b) 能帶； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布,3.1.2 半導體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長和光譜特性 半導

23、體激光器的發(fā)射波長等于禁帶寬度Eg(eV) h f =Eg,(3.6),不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。 鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85 μm波段 銦鎵砷磷 - 銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3-1.55 μm波段,式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長， c=3×

24、108 m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到,峰值波長：在規(guī)定輸出光功率時，激光器受激輻射發(fā)出的若干發(fā)射模式中最大強度的光譜波長。中心波長：在激光器發(fā)出的光譜中，連接50％最大幅度值線段的中點所對應的波長。,1. 發(fā)射波長和光譜特性,在直流驅動下， 發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度

25、L，并稱為激光器的縱模。 驅動電流變大，縱模模數變小 ，譜線寬度變窄。 這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產生的。 當驅動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 圖3.7(b)是300 Mb/s數字調制的光譜特性， 由圖可見，隨著調制電流增大，縱模模數增多，譜線寬度變寬。,2. 激光束的空間分布 激光束的空間分布

26、用近場和遠場來描述。 近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布； 遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。 圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結平面的寬度w和垂直于結平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。 由圖3.8可以看出，平行于結平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結平面的諧振腔厚度t很薄

27、，這個方向的場圖總是單橫模。,圖 3.8 GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣,3.9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣 (a) 光強的角分布； (b) 輻射光束,圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結平面和垂直于結平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。,3. 轉換效率和輸出光功率特性 激光器的電/光轉換效率可用功率效率和量子效率表示。

28、量子效率又分為內量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。,(3.7a),式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅動電流，Pth 和Ith 分別為相應的閾值，h f 和e分別為光子能量和電子電荷。,外微分量子效率ηd其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產生的光子數,外量子效率為：,,LED的P-I特性,LD的P-I特性,4. 溫度特性半導體激光器對溫度十分敏感，其輸出功率隨溫度會發(fā)生很大變化，其主要原因為：（1）激光器的閾值電流I

29、th 隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。 溫度升高時，Ith 增大，ηd減小， 輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不再受激輻射了。當以直流電流驅動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調制時，閾值電流隨溫度呈指數變化，在一定溫度范圍內，可以表示為,式中，I0為常數，T為結區(qū)的熱力學溫度，T0為激光器材料的特征溫度。 GaAlAs –GaAs 激光器T0=100-1

30、50 K InGaAsP-InP 激光器T0=40－70 K 所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。  圖3.12示出脈沖調制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P －I曲線的變化。,圖 3.12 P I曲線隨溫度的變化,3.1.3 分布反饋半導體激光器 分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周

31、期性結構(波紋狀)衍射光柵實現光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。 分布反饋激光器的要求： （1）譜線寬度更窄 （2）高速率脈沖調制下保持動態(tài)單縱模特性 （3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現調諧 （4） 閾值電流更低 （5）輸出光功率更大,圖 3.13 分布反饋(DFB)激光器

32、 (a) 結構； (b) 光反饋,如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。,ne 為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數。 在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為,(3.11),DFB激光器與F-P激光器相比， 具有以下優(yōu)點：  ① 易形成單縱模振蕩； ② 譜線窄， 方向行性好

33、； ③ 高速調制時動態(tài)譜線展寬很小，單模穩(wěn)定性好； ④ 輸出線性度好。,LD 的特點及應用,特點：效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。,LD 和LED的主要區(qū)別 LD發(fā)射的是受激輻射光 LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光 LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質結(D