半導(dǎo)體激光器

1、上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換12.2半導(dǎo)體激光器 2.2.1 光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性半導(dǎo)體激光器特性 2.2.4 LD的應(yīng)用的應(yīng)用 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換22.2.1 光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 (1) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益 (2) 提供光的反饋提供光的反饋 : 其中最簡(jiǎn)單的是法布其中最簡(jiǎn)單的是法布 里里珀羅腔珀羅腔 圖圖2.2.1-1

2、 激光二極管的諧振腔激光二極管的諧振腔 注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換32.2.1光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時(shí)，才能建立只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時(shí)，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益閾值增益。為達(dá)。為達(dá)到閾值增益所要求的注入電流稱為到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流閾值電流。 一個(gè)縱模只有在其增益大于或等于損耗時(shí)，一個(gè)縱模只有在其增益大于或等于損耗時(shí)，才能成為工作模式，即在該頻率上形成激光輸才能成為工作模式，即在該頻率上形成

3、激光輸出。出。 有有2個(gè)以上縱模激振的激光器，稱為個(gè)以上縱模激振的激光器，稱為多縱模多縱模激光器激光器。通過(guò)在光腔中加入色散元件或采用外。通過(guò)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(gè)模式激腔反饋等方法，可以使激光器只有一個(gè)模式激振，這樣的激光器稱為振，這樣的激光器稱為單縱模激光器單縱模激光器。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換42.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約（厚度約0.1m）、）、P型和型和N型限制層構(gòu)

4、成，如型限制層構(gòu)成，如圖圖2.2.2-1所示。所示。圖圖2.2.2-1 大面積半導(dǎo)體激光器大面積半導(dǎo)體激光器解理面金屬接觸電流有源層P型N型300m100m200m上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換52.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 這樣的激光器面積大，稱為這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器大面積激光器。為。為解決側(cè)向輻射和光限制問(wèn)題，實(shí)際的激光器采用了解決側(cè)向輻射和光限制問(wèn)題，實(shí)際的激光器采用了增益導(dǎo)引型增益導(dǎo)引型和和折射率導(dǎo)引型折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。一、增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器一、增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器 解決光限制問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方案是將注入電流解決

5、光限制問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方案是將注入電流限制在一個(gè)窄條里，這樣的激光器稱為限制在一個(gè)窄條里，這樣的激光器稱為條形半導(dǎo)體條形半導(dǎo)體激光器激光器，其結(jié)構(gòu)如圖，其結(jié)構(gòu)如圖2.2.2-2所示。將一絕緣層介質(zhì)所示。將一絕緣層介質(zhì)(SiO2)淀積在淀積在P層上，中間敞開以注入電流。由于光層上，中間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣的激限制是借助中間條形區(qū)的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣的激光器稱為光器稱為增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換6 圖圖2.2.2-2 增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器

6、 二、二、 折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器 通過(guò)在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)而形成的波通過(guò)在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)而形成的波導(dǎo)，引入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問(wèn)導(dǎo)，引入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問(wèn)題題P-InPInGaAsPN-InPN+-InP襯底P-InGaAsP絕緣介質(zhì)2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換7 這種激光器稱為這種激光器稱為折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。 圖圖2.2.2-3 折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器P-InPInGaAsP有源層N

7、-InPN+-InP襯底接點(diǎn)SiO2SiO22.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換82.2.3 半導(dǎo)體激光器特性 2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性半導(dǎo)體激光器特性 一、光譜特性一、光譜特性 圖圖2.2.3-1為為GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性。雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性。832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824驅(qū)動(dòng)電流增大 圖圖2.2.3-1 GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖 波長(zhǎng)取決于激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)，稱為激波長(zhǎng)

8、取決于激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)，稱為激光器的光器的縱?？v模上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換92.2.3 半導(dǎo)體激光器特性2 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱文?，稱為當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為縱模，稱為靜態(tài)單縱模激光器靜態(tài)單縱模激光器。二、激光束的空間分布二、激光束的空間分布 近場(chǎng)近場(chǎng)是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布，是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。由于激光腔為矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此近場(chǎng)分布由于

9、激光腔為矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此近場(chǎng)分布表征其橫模特性，在平行于結(jié)平面的方向，光表征其橫模特性，在平行于結(jié)平面的方向，光強(qiáng)呈現(xiàn)周期性的空間分布，稱為強(qiáng)呈現(xiàn)周期性的空間分布，稱為多橫模多橫模；在垂；在垂直于結(jié)平面的方向，由于諧振腔很薄，這個(gè)方直于結(jié)平面的方向，由于諧振腔很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是向的場(chǎng)圖總是單橫模單橫模。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換10圖圖2.2.3-2為典型為典型LD的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性 圖圖2.2.3-2為典型為典型LD的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中與的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中與分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面方向的輻射角，分別為平行于結(jié)平

10、面和垂直于結(jié)平面方向的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。 1.00.80.60.40.20 發(fā)射光功率P/mW 80 40 0 40 80 輻射角(度)相對(duì)光強(qiáng) /2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性2上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換11三、轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性三、轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性 激光器的電激光器的電光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率 dhfeIPeIIhfPPd/)(/)(thth)(ththIIehfPPd2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性2表示，其定義為在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生表示，其定義為

11、在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)的光子數(shù) 2.2.3-1 由此得到由此得到 2.2.3-2 式中，式中，P和和I分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流，分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流，Pth和和Ith分別為對(duì)應(yīng)的閾值，分別為對(duì)應(yīng)的閾值，hf與與e分別為光子能量與分別為光子能量與電子電荷。電子電荷。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換12 激光器的輸出光功率通常用激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示，圖曲線表示，圖2.2.3-3為典型為典型LD的光功率特性曲線。當(dāng)?shù)墓夤β侍匦郧€。當(dāng) 時(shí)，激光器發(fā)出的時(shí)，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng)是自發(fā)輻射

12、光，當(dāng) 時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。 2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性2thII thII543210 0 50 100 I /mA發(fā)射光功率P/mW圖圖2.2.3-3典型典型LD的光功率特性曲線的光功率特性曲線上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第二章 電光信息轉(zhuǎn)換13 四、溫度特性四、溫度特性 溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個(gè)原因：溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。圖效率隨溫度升高而減小。圖2.2.3-4 給出了給出了LD的的P-I曲線隨溫曲線隨溫度變化的實(shí)例。度變化的實(shí)例。 圖圖2.2.3-4 LD的的P-I曲線隨溫度