半導(dǎo)體激光器原理及應(yīng)用

1、半導(dǎo)體激光器原理及應(yīng)用半導(dǎo)體激光器原理及應(yīng)用姓名：徐欽鋒 學(xué)號(hào)：20164208084半導(dǎo)體激光器工作原理 1半導(dǎo)體激光器的主要性能2密集波分復(fù)用半導(dǎo)體激光器3半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用4目錄CONTENTS自發(fā)輻射與受激輻射自發(fā)輻射與受激輻射（a）自發(fā)輻射： 特點(diǎn)：獨(dú)立、雜亂無(wú)章的非相干光、壽命取決于半導(dǎo)體禁帶寬度及復(fù)合中心密度等，一般為10-910-3 量級(jí)（b）受激輻射：受激發(fā)射出的光子頻率，相位和方向都與入射光子 相同。（c）受激吸收：原子接收輻射能 從基態(tài)能級(jí)E1越入受激能級(jí)E2。 產(chǎn)生激光的必要條件：受激輻射占主導(dǎo)地位 12EEhvhh自發(fā)輻射的特點(diǎn)自發(fā)輻射的特點(diǎn)這種過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)。各

2、原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來(lái)激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時(shí)，便放出五顏六色的光彩。受激輻射受激輻射激發(fā)態(tài)的原子，受到某一外來(lái)光子的作用，而且外來(lái)光子的能量恰好滿(mǎn)足hv=E2-E1，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時(shí)放出一個(gè)與外來(lái)光子具有完全相同狀態(tài)的光子。這一過(guò)程被稱(chēng)為受激輻射E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡狀態(tài)下，粒子數(shù)按能態(tài)的分布遵循玻耳茲曼分布律：k為玻耳茲曼常數(shù)，N2、g2和N1、g1分別為高能態(tài)E2和

3、低能態(tài)E1的粒子數(shù)和統(tǒng)計(jì)權(quán)重。由于E2E1，T0，故N1N2 ，即高能態(tài)上的粒子總少于低能態(tài)上的粒子數(shù)。于是原子系統(tǒng)的受激吸收過(guò)程總占優(yōu)勢(shì)。采用適當(dāng)?shù)募?lì)，破壞熱平衡狀態(tài)，使高能態(tài)粒子數(shù)多于低能態(tài)粒子數(shù)，即為粒子束反轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體激光器通過(guò)光激勵(lì)或正向PN結(jié)注入等，來(lái)實(shí)現(xiàn)載流子的粒子束反轉(zhuǎn)。)(exp121212kTEEggNN諧振腔諧振腔為使發(fā)射光具有激光的特點(diǎn)，必須使其產(chǎn)生諧振。能使光產(chǎn)生共振的裝置即為諧振腔。只有與軸線平行的輻射光子產(chǎn)生共振現(xiàn)象而被增強(qiáng)，不在這個(gè)方向上的將被反射出腔外。兩相反方向的光波，只有疊加形成駐波時(shí)，才能形成穩(wěn)定的振蕩。駐波條件：縱模：共振腔內(nèi)沿腔軸方向形成的各種可 能

4、的駐波稱(chēng)為諧振腔的縱模)2(nmL激光器穩(wěn)定工作的條件激光器穩(wěn)定工作的條件法布里-珀羅光學(xué)諧振腔0int210)2exp()exp()exp(EKLiLRRgLE)1ln(2121intRRLgmKL22nLmcvvm2/穩(wěn)定工作時(shí)，平面波在腔內(nèi)往返一次強(qiáng)度E0保持不變，有：g為功率增益系數(shù)，L為腔長(zhǎng)，K=nw/c為平面波的波數(shù)，int為腔內(nèi)總損耗率將等式兩邊的振幅和相位分別相等，得： 兩個(gè)公式前者規(guī)定了增益和電流的最小值，后者規(guī)定激光器的振蕩頻率縱向模式，其與光學(xué)諧振腔有關(guān)激光器穩(wěn)定工作條件激光器穩(wěn)定工作條件激光器縱模分布及增益曲線激光束的鎖模：鎖模技術(shù)就是采用一定的調(diào)制方法，使激光振蕩不同

5、頻率各縱模之間有確定的相位關(guān)系，即各縱模相鄰頻率間隔相等。在一般諧振腔內(nèi)，處于激光介質(zhì)的增益大于諧振腔損耗頻率范圍內(nèi)的縱模有幾百個(gè)。在頻域范疇內(nèi)，激光輻射由許多縱模間隔為 C/2L 的譜線組成。這些模彼此互不相關(guān)地進(jìn)行振蕩，其相位隨機(jī)地分布在一 到十 之間。其時(shí)域輸出特征類(lèi)似熱噪聲。但是，如果迫使振蕩模彼此之間的相位關(guān)系保持固定，那么激光輸出將以完全確定的形式變化。此時(shí)，我們說(shuō)激光是鎖?；蜴i相的。鎖模相當(dāng)于使譜線的振幅及相位相關(guān)。鎖模的分類(lèi)：主動(dòng)鎖模：周期性調(diào)制諧振腔的損耗或光程n被動(dòng)鎖模：利用可飽和吸收體的非線性吸收特性，對(duì)腔內(nèi)激光的吸收是隨光場(chǎng)強(qiáng)度而變化的自鎖模：激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能

6、夠保持各個(gè)縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系同步泵浦鎖模：周期性調(diào)制諧振腔的增益半導(dǎo)體激光器的模譜半導(dǎo)體激光器的模譜半導(dǎo)體激光器在不同工作電流下的模譜觀察可知，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，峰值波長(zhǎng)發(fā)生紅移半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性轉(zhuǎn)換效率高：70%。體積小：1mm3壽命長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí) 輸出波長(zhǎng)范圍廣：0.6-1.1um，23um。易調(diào)制：直接調(diào)制缺點(diǎn)：發(fā)散角大，光束質(zhì)量差。閾值特性閾值特性閾值是所有激光器的屬性，標(biāo)志著增益與損耗的平衡點(diǎn)。閾值常用電流密度Jth或者電流I表示。 影響激光器閾值特性的主要因素： 1）器件結(jié)構(gòu) 2）有源區(qū)材料 3）器件工作溫度有源區(qū)材料的影響：有源區(qū)的

7、材料必須選用直接帶隙材料，材料的組分變化將會(huì)引起直接帶隙和間接帶隙躍遷的比率發(fā)生變化，從而改變輻射頻率的波長(zhǎng)。 故：可通過(guò)薄膜生長(zhǎng)工藝獲得不同的有緣材料 溫度的影響溫度的影響溫度變化對(duì)閾值電流產(chǎn)生明顯的影響，溫度升高，閾值電流增大，增大幅度因 材料體系和器件結(jié)構(gòu)而異。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式為：Jth（T）和Jth（Tr）分別為在某一溫度T和室溫Tr下所測(cè)得閾值電流密度，T0是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)擬合的參數(shù)，稱(chēng)為特征溫度。容易看出，當(dāng) 時(shí)，閾值電流將不隨溫度變化，故提高T0是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。閾值電流對(duì)溫度的依賴(lài)關(guān)系主要來(lái)自于下列因素： 1）增益系數(shù) 2）載流子的俄歇復(fù)合，載流子的界面態(tài)和表面態(tài)的復(fù)合，載流子的吸

8、收引起的 內(nèi)部損耗 3）熱載流子的泄露)/ )exp()()(0TTTTJTJtrthth0T半導(dǎo)體激光器的效率半導(dǎo)體激光器的效率描述激光器電子-光子轉(zhuǎn)換的效率，即電能轉(zhuǎn)換為光能的效率。 分別用功率效率和外微分量子效率描述。 1）功率效率sgexsprIeIEPrI22ex)/(IVP激光器所消耗的電功率激光器所發(fā)射的光功率外微分量子效率外微分量子效率外微分量子效率定義為輸出光子數(shù)隨注入的電子數(shù)增加的比率， 考慮到hv=Eg=eVb,有 而其中的 定義為斜率效率： 在實(shí)際測(cè)量中， 由下式得出 bDVdIdPedIhvdP1/bthexsVIIP)( )/(dIdPss1212IIPPs半導(dǎo)體激

9、光器的空間模式半導(dǎo)體激光器的空間模式分為空間模和縱模（軸模），空間模是描述圍繞著輸出光束軸線附近某處的光強(qiáng)分布，亦稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)分布。有橫模和側(cè)模之分。縱模是一種頻譜，表示所發(fā)射的光束功率在不同頻率分量上的分布。半導(dǎo)體激光器橫模與側(cè)模有多側(cè)模的半導(dǎo)體激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)縱模譜的影響因素縱模譜的影響因素可見(jiàn)，若要選頻，就要控制溫度，要穩(wěn)定功率輸出，也要選擇恒溫控制半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角理想的高斯場(chǎng)分布半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)并非嚴(yán)格的高斯光束，有較大的且在橫向和側(cè)向不對(duì)稱(chēng)光束發(fā)散角。由于半導(dǎo)體激光器有緣層較薄，因而在橫向有較大的發(fā)散角221222122)/(2 . 1/ )(05.

10、41/)(05. 4dnndnn式中，n2和d分別為激光器有緣層的折射率和厚度；n1為限制層的折射率；為激射波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角顯然，當(dāng)d很小時(shí)，可忽略上式分母中的第二項(xiàng)，有 可見(jiàn)，隨d的增加而增加dnn)(05. 42122半導(dǎo)體激光器發(fā)散角與有緣層厚度的關(guān)系解決辦法：利用自聚焦透鏡對(duì)出射光進(jìn)行準(zhǔn)直解決辦法：利用自聚焦透鏡對(duì)出射光進(jìn)行準(zhǔn)直高斯光速的準(zhǔn)直利用自聚焦透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光束激光器的單縱模工作條件激光器的單縱模工作條件)/(110qsatoqPPPP) 1/log(*10110PPPPosat第q階模與主模功率之比為：要想得到近乎單縱模輸出，必須使Pq/

11、P0盡可能小。從圖中可以看出短腔長(zhǎng)和高腔面反射率，都有利于使激光器單模工作。以（P1/P0）0.05作為激光器單模工作的判據(jù)，由邊模抑制比可以得出，激光器單縱模工作時(shí)，應(yīng)使P0超過(guò)P1sat至少12.8dB。半導(dǎo)體激光器的線寬半導(dǎo)體激光器的線寬表征半導(dǎo)體激光器時(shí)間相干性的光譜純度，定義為光譜曲線半峰值處 的全寬。一般的，在閾值以下的譜線寬度約為60nm左右，在閾值以上 的譜線寬度大約在23nm或更小。半導(dǎo)體激光器的線寬比其他類(lèi)型的激光器寬很多，主要有以下原因： 1）LD的腔長(zhǎng)短、腔面反射率低，因而品質(zhì)因素Q值低； 2）有源區(qū)內(nèi)載流子密度的變化引起折射率變化，增加了激光輸出 相位的隨機(jī)起伏 半導(dǎo)

12、體激光器的線寬半導(dǎo)體激光器的線寬上面曲線給出了LD線寬與1/P之間的關(guān)系、和溫度對(duì)線寬的影響半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器有別于其它激光器的最重要特點(diǎn)之一在于它有被交變信號(hào)直接調(diào)制的能力，這在信息技術(shù)中具有重要的意義。與工作在直流狀況的半導(dǎo)體激光器不同，在直接高速調(diào)制情況下會(huì)出現(xiàn)一些有害的效應(yīng)，成為限制半導(dǎo)體激光器調(diào)制帶寬能力的主要因素。一、張弛振蕩與類(lèi)諧振現(xiàn)象 數(shù)字信息（以0或1編碼）直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，如果電流突然上升到 高電平，在電流脈沖前沿與被其激勵(lì)的光之間會(huì)有一個(gè)時(shí)延，所產(chǎn)出的光需經(jīng)一個(gè)張弛過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性

13、由電子與光子相互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程所產(chǎn)生的時(shí)延，可通過(guò)求解他們的速率方程得到： 式中，th為在閾值處的載流子壽命（一般為25ns）。顯然，在高速調(diào)制下，td將產(chǎn)生調(diào)制畸變。減少td最簡(jiǎn)單的方法是在激光器上再加上一個(gè)接近閾值電流Ith的偏流Ib，這時(shí)有這使這個(gè)過(guò)度過(guò)程開(kāi)始的突變幅度減小。但是，如果偏置到閾值或閾值以上，消光比減小，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度降低。故在低速調(diào)制下，一般偏置到0.94Ith左右。ththdIIItln)(lnbththdIIIIt半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性加于半導(dǎo)體激光器上的調(diào)制電流會(huì)引起諧振現(xiàn)象，調(diào)制頻率達(dá)到某一值時(shí)出現(xiàn)諧振峰，這使調(diào)制頻率的提高受到限制。歸一化輸出與調(diào)制頻率的關(guān)系半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)特性張弛振蕩與類(lèi)諧振現(xiàn)象物理機(jī)制不同，但幾乎有和共振頻率相同的振蕩頻率，為了抑制這兩類(lèi)現(xiàn)象，已實(shí)踐過(guò)這兩類(lèi)方法：1）外部光注入，能有效增加自發(fā)發(fā)射因子，不但能抑制張弛振蕩，還能抑制多縱模的出現(xiàn)。2）自反饋?zhàn)⑷牖虿捎猛獠侩娐?。自注入方法是將LD輸出的一部分以張弛振蕩周期的0.20.3倍的時(shí)延再注入到它本身的腔內(nèi)，能有效抑制張弛振蕩。采用外部LCR濾波電路來(lái)分流高頻分量，進(jìn)而抑制類(lèi)諧振現(xiàn)象。3）窄條半導(dǎo)體激光器。條寬減窄能減少載流子擴(kuò)散的