半導(dǎo)體激光器的主要性能

1、第四章第四章 半導(dǎo)體激光器件半導(dǎo)體激光器件4.1 4.1 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器4.2 4.2 量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器4.3 4.3 垂直表面發(fā)射激光器垂直表面發(fā)射激光器4.4 4.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器分布反饋半導(dǎo)體激光器4.5 4.5 半導(dǎo)體激光器的主要性能半導(dǎo)體激光器的主要性能4.6 4.6 半導(dǎo)體激光器調(diào)制及與光纖的耦合半導(dǎo)體激光器調(diào)制及與光纖的耦合4.5 4.5 半導(dǎo)體激光器的主要性能半導(dǎo)體激光器的主要性能1 1、閾值特性、閾值特性2 2、效率、效率3 3、空間模式、空間模式4 4、縱模、縱模5 5、線寬、線寬6 6、 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性7 7、 熱特性熱

2、特性8 8、 可靠性可靠性4.5.1 4.5.1 閾值特性閾值特性閾值是所有激光器的屬性，標(biāo)志著增益和損耗的平衡點(diǎn)。閾值是所有激光器的屬性，標(biāo)志著增益和損耗的平衡點(diǎn)。閾值常用電流密度閾值常用電流密度Jth或者電流或者電流Ith表示。表示。 影響激光器閾值特性的主要因素：影響激光器閾值特性的主要因素： 1）器件結(jié)構(gòu)）器件結(jié)構(gòu) 2）有源區(qū)材料）有源區(qū)材料 3）器件工作溫度）器件工作溫度1）器件結(jié)構(gòu)的影響）器件結(jié)構(gòu)的影響 不同的器件結(jié)構(gòu)閾值電流有很大不同。不同的器件結(jié)構(gòu)閾值電流有很大不同。 有源區(qū)的材料必須有源區(qū)的材料必須選用直接帶隙材料選用直接帶隙材料，材料的組分材料的組分變化將會(huì)引起直接變化將會(huì)

3、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：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)工藝獲得不同的有源材料?？赏ㄟ^(guò)薄膜生長(zhǎng)工藝獲得不同的有源材料。2）有源層材料的影響）有源層材料的影響3 3）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：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)= Jth (Tr) exp( (T-Tt) / T0 )Jth(T)、Jth (Tr) 分別為

4、在某一溫度分別為在某一溫度T和室溫和室溫Tr 下所測(cè)得閾值電流密度，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)為是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)擬合的參數(shù)，稱(chēng)為特征溫度特征溫度。且：當(dāng)且：當(dāng)To 時(shí)，閾值電流將不隨溫度變化，故提高時(shí)，閾值電流將不隨溫度變化，故提高To是一個(gè)重要研是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。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：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)；）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，載流子吸）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，載流子吸 收引起的內(nèi)部損耗；收引起的內(nèi)部損耗；3）熱載流子的漏泄。）熱載流

5、子的漏泄。閾值電流的測(cè)定？閾值電流的測(cè)定？測(cè)定方法有四種：測(cè)定方法有四種：1）直線擬合法）直線擬合法2）兩段直線擬合法）兩段直線擬合法3）一次微分法）一次微分法4）二次微分法）二次微分法描述激光器電子描述激光器電子-光子轉(zhuǎn)換的效率，即電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿男?。光子轉(zhuǎn)換的效率，即電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿男省７謩e用分別用功率效率功率效率和和外微分量子效率外微分量子效率描述。描述。1）功率效率）功率效率4.5.2 4.5.2 半導(dǎo)體激光器的效率半導(dǎo)體激光器的效率2）外微分量子效率）外微分量子效率而其中的而其中的 定義為斜率效率：定義為斜率效率：4.5.3 4.5.3 半導(dǎo)體激光器的空間模式半導(dǎo)體激光器的空間模

6、式分為分為空間?？臻g模和和縱模（軸模），空間模縱模（軸模），空間模是描述圍繞著輸出光束軸線附近某是描述圍繞著輸出光束軸線附近某處的光強(qiáng)分布（或空間幾何位置上的光強(qiáng)分布），亦稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)分布。有處的光強(qiáng)分布（或空間幾何位置上的光強(qiáng)分布），亦稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)分布。有橫模橫模與與側(cè)模側(cè)模之分（如下圖所示）。之分（如下圖所示）?？v?？v模則是一種頻譜，表示所發(fā)射的光則是一種頻譜，表示所發(fā)射的光束功率在不同頻率（波長(zhǎng)）分量上的分布。束功率在不同頻率（波長(zhǎng)）分量上的分布。1）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。2）半導(dǎo)體激

7、光器的像散）半導(dǎo)體激光器的像散4.5.4 4.5.4 半導(dǎo)體激光器的縱模半導(dǎo)體激光器的縱模1）產(chǎn)生原因：）產(chǎn)生原因： 注注： 入入= 1.24 / Eg (2.1.1); 2nL = m入入 （1.4.8）2 2）縱模模譜）縱模模譜3 3）影響縱模譜的因素）影響縱模譜的因素可見(jiàn)：電流增加，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，峰值波長(zhǎng)發(fā)生可見(jiàn)：電流增加，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，峰值波長(zhǎng)發(fā)生紅移紅移。有源層的禁帶寬度有源層的禁帶寬度Eg隨著溫度增加而變窄，輻射波長(zhǎng)發(fā)生紅移。故：隨著溫度增加而變窄，輻射波長(zhǎng)發(fā)生紅移。故：若選頻則控制溫度，若穩(wěn)定功率輸出，則選擇恒溫控制。若選頻則控制溫度，若穩(wěn)定功率輸出，則選擇恒溫控制。

8、4 4）激光器的單縱模工作條件）激光器的單縱模工作條件P Po/P/P1sat = 10 log( P = 10 log( Po/P/P11 )1 ) 可以得出，激光器單縱模工作時(shí)應(yīng)使可以得出，激光器單縱模工作時(shí)應(yīng)使PoPo超過(guò)超過(guò)P P1sat1sat至少至少12.8dB12.8dB，此，此即為均勻加寬激光器中達(dá)到單縱模工作所需輸出功率的下限。即為均勻加寬激光器中達(dá)到單縱模工作所需輸出功率的下限。4.5.5 4.5.5 半導(dǎo)體激光器的線寬半導(dǎo)體激光器的線寬定義：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定義：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

9、。一般的，在閾值以下的譜線寬度約為的全寬。一般的，在閾值以下的譜線寬度約為60nm60nm左右，在閾值以上的譜線左右，在閾值以上的譜線寬度大約在寬度大約在2-3nm2-3nm或更小。或更小。半導(dǎo)體激光器的線寬比其他類(lèi)別的激光器寬很多，主要原因如下：半導(dǎo)體激光器的線寬比其他類(lèi)別的激光器寬很多，主要原因如下：1 1）LDLD的腔長(zhǎng)短、腔面反射率低，因而品質(zhì)因素的腔長(zhǎng)短、腔面反射率低，因而品質(zhì)因素Q Q值低；值低；2 2）有源區(qū)內(nèi)載流子密度的變化引起的折射率變化，增加了激光輸出相）有源區(qū)內(nèi)載流子密度的變化引起的折射率變化，增加了激光輸出相 位的隨機(jī)起伏（或相位噪聲）。位的隨機(jī)起伏（或相位噪聲）。 下

10、面曲線給出了下面曲線給出了LDLD線寬與線寬與1/P1/P之間的關(guān)系、和溫度對(duì)線寬的影響。之間的關(guān)系、和溫度對(duì)線寬的影響。4.5.6 4.5.6 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 的電阻的電阻 1歐），歐），L1為引線電感（為引線電感（1-2nH），），Cs為旁路電容（為旁路電容（0.3-1pF）。）。選擇并控制選擇并控制Cs和和L1可明顯抑制類(lèi)諧振現(xiàn)象?？擅黠@抑制類(lèi)諧振現(xiàn)象。4.5.7 4.5.7 半導(dǎo)體激光器的熱特性半導(dǎo)體激光器的熱特性引發(fā)機(jī)制：引發(fā)機(jī)制：在半導(dǎo)體激光器中，由于不可避免的存在著各種非輻射復(fù)合損耗、自由載在半導(dǎo)體激光器中，由于不可避免的存在著各種非輻射復(fù)合損耗、自

11、由載流子吸收等損耗機(jī)制，使其外微分量子效率只能達(dá)到流子吸收等損耗機(jī)制，使其外微分量子效率只能達(dá)到20%-30%，意味著，意味著相當(dāng)部分注入的電功率轉(zhuǎn)換成了熱量，引起激光器的溫升。結(jié)果導(dǎo)致使相當(dāng)部分注入的電功率轉(zhuǎn)換成了熱量，引起激光器的溫升。結(jié)果導(dǎo)致使LD的閾值電流增大、發(fā)射波長(zhǎng)紅移、模式不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷、并嚴(yán)的閾值電流增大、發(fā)射波長(zhǎng)紅移、模式不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷、并嚴(yán)重影響器件的壽命。重影響器件的壽命。解決辦法：解決辦法：1）加風(fēng)扇或者冷水循環(huán)降溫；）加風(fēng)扇或者冷水循環(huán)降溫；2）使用帕爾貼半導(dǎo)體制冷器。）使用帕爾貼半導(dǎo)體制冷器。（通過(guò)控制帕爾貼制冷器的工作電流實(shí)現(xiàn)（通過(guò)控制帕爾貼制冷器的工作電流實(shí)現(xiàn)LD的溫度穩(wěn)定，見(jiàn)下圖）的溫度穩(wěn)定，見(jiàn)下圖）3.8 3.8 半導(dǎo)體激光器的可靠性半導(dǎo)體激光器的可靠性 二、可靠性試驗(yàn)二、可靠性試驗(yàn)為保證為保證L