半導(dǎo)體激光器-

1、激光原理(yunl)概述半導(dǎo)體激光放大器（LD）注入式半導(dǎo)體激光器激光的安全概述共一百二十三頁激光(jgung)原理概述一. 受激吸收、自發(fā)輻射(z f f sh)、和受激輻射受激吸收：原子吸收光子hv=E2-E1向高能態(tài)躍遷。自發(fā)輻射：激發(fā)態(tài)原子會(huì)自發(fā)地向低能態(tài)躍遷而發(fā)射出一個(gè)光子。 hv=E2-E1E2E1hvhvE2E1受激輻射：處于高能態(tài)的原子受到外來光子hv =E2-E1的的誘發(fā)而發(fā)射出一個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向都相同的光子。E2E1hvhvhv共一百二十三頁激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干(xinggn)輻射(Light Amplification by

2、Stimulated Emission of RadiationLaser)二、產(chǎn)生(chnshng)激光的條件(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在正常狀態(tài)下，處于高能態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處于低能態(tài)的原子數(shù)，這是玻爾茲曼分布的結(jié)果.在正常分布下，當(dāng)光通過物質(zhì)時(shí)，受激吸收過程較之受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，不可能實(shí)現(xiàn)光放大。共一百二十三頁要實(shí)現(xiàn)光放大(fngd)，必須使處在高能態(tài)的原子數(shù)大于低能態(tài)的原子數(shù)，這種分布稱為粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，稱為激活(j hu)介質(zhì)(或稱工作介質(zhì)) 。從外界輸入能量，使激活介質(zhì)有盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)這一能量供應(yīng)過程稱為“激勵(lì)”，

3、又稱“抽運(yùn)”或“光泵”一般可以有光激勵(lì)、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)等激勵(lì)的方法共一百二十三頁粒子(lz)數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)處于激發(fā)態(tài)的原于是不穩(wěn)定的，平均壽命約為10-8s有些物質(zhì)存在著比一般激發(fā)態(tài)穩(wěn)定得多的能級(jí)，其平均壽命可達(dá)到10-31s的數(shù)量級(jí)這種受激態(tài)常稱為亞穩(wěn)態(tài)。例如，三能級(jí)系統(tǒng)具有亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)就有可能(knng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激勵(lì)能源把E1上的原子抽運(yùn)到E3上去，這些原子通過碰撞把能量轉(zhuǎn)移給晶格而無輻射地躍遷到E2由于在E2態(tài)的原子壽命較長，這樣使E2態(tài)的原子數(shù)不斷增加，而E1上不斷減少，于是在E2和E1兩能級(jí)間實(shí)現(xiàn)了原子數(shù)反轉(zhuǎn) 共一百二十三頁 (2)光學(xué)(gungxu)諧振腔使

4、某一方向和頻率的光子享有最優(yōu)越的條件(tiojin)進(jìn)行放大。共一百二十三頁只有沿軸線方向的光子，能在腔內(nèi)來回反射，在一定(ydng)的條件下，產(chǎn)生連鎖式的光放大，從部分反射鏡射出很強(qiáng)的光束（激光）討論諧振腔要滿足(mnz)的條件諧振腔中的增益與損耗M1M2xx+dxL0I4I5I1I2I3設(shè)工作介質(zhì)的增益系數(shù)為G,經(jīng)過距離dx后,光強(qiáng)的增量為dI ,有：共一百二十三頁光在諧振腔中增益(zngy)大于損耗，G大于Gm時(shí),能形成(xngchng)激光閾值條件光放大: 在受激輻射中，一個(gè)入射光子會(huì)得到兩個(gè)狀態(tài)全同的光子。這兩個(gè)光子還能再引起受激輻射，這樣繼續(xù)下去，就能得到大量特征相同的光子，實(shí)現(xiàn)光

5、放大。共一百二十三頁能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，稱為激活介質(zhì)(具有(jyu)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)) 。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(fn zhun): 要實(shí)現(xiàn)光放大，必須使處在高能態(tài)的原子數(shù)大于低能態(tài)的原子數(shù)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光器：由激勵(lì)能源、工作物質(zhì)和諧振腔組成的能產(chǎn)生激光的裝置。共一百二十三頁（1）紅寶石激光器共一百二十三頁（2）氦氖激光器（3）半導(dǎo)體激光器P-GaAsn-GaAs+-共一百二十三頁 要形成激光必須(bx)滿足兩個(gè)條件： 一、要有能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(泵浦)的激活介質(zhì) 二、要有滿足閾值條件的諧振腔共一百二十三頁 導(dǎo)帶 價(jià)帶 導(dǎo)帶 價(jià)帶正常分布反轉(zhuǎn)分布共一百二十三頁產(chǎn)生粒子(lz)數(shù)反轉(zhuǎn)的方法強(qiáng)光對(duì)激光物

6、質(zhì)進(jìn)行(jnxng)照射固體激光器氣體電離氣體激光器注入載流子半導(dǎo)體激光器共一百二十三頁 （a) P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)(yndng)； P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng) 擴(kuò)散 漂移勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b) 零偏壓(pin y)時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖PN結(jié)的能帶和電子分布共一百二十三頁hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)正向(zhn xin)偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得(hud)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 共一百二十三頁增益(zngy)區(qū)（作用區(qū)）的產(chǎn)生： 在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方

7、向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。 增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖。 在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光,這些光子將引起處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的非平衡載流子產(chǎn)生受激復(fù)合而發(fā)射受激輻射光子。 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：共一百二十三頁光增益ECEV產(chǎn)生(chnshng)激光的必要條件三：有光學(xué)諧振腔激光(jgung)振蕩和光學(xué)諧振腔共一百二十三頁激光振蕩的產(chǎn)生 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)+ 激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇 = 連續(xù)的光放大和激

8、光振蕩輸出。 基本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行(pngxng)反射鏡構(gòu)成，并被稱為法布里-珀羅(Fabry-Perot, FP)諧振腔。 由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。 激光(jgung)振蕩和光學(xué)諧振腔共一百二十三頁激光穩(wěn)定工作的條件(tiojin)1：合適的諧振腔產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件(tiojin)（相位條件(tiojin)）m 縱模模數(shù)，n 激光媒質(zhì)的折射率共一百二十三頁注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L 法布里珀羅腔 共一百二十三頁反饋(fnku)端面(dunmin)（解理面）作為反射鏡半導(dǎo)體的折射率

9、n很大，R接近于1，具有很高的反射率。因此在PN結(jié)激活區(qū)的兩個(gè)端面形成一對(duì)面積為 間隔為d的反光鏡，構(gòu)成光學(xué)諧振腔。 半導(dǎo)體空氣界面上的功率反射率共一百二十三頁 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，這一增益稱為閾值增益。為達(dá)到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。 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(jgung)輸出。 激光穩(wěn)定工作的條件(tiojin)2：光增益等于或大于總損耗在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為th 為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R20K帶寬中的光子(gungz)激光放

10、大共一百二十三頁增益(zngy)系數(shù)與泵浦（pumping）載流子的注入(zh r)率峰值增益系數(shù)共一百二十三頁電流(dinli)泵浦共一百二十三頁共一百二十三頁共一百二十三頁共一百二十三頁共一百二十三頁異質(zhì)(y zh)結(jié)半導(dǎo)體激光器1. 結(jié)構(gòu)(jigu)特點(diǎn)同型異質(zhì)結(jié) n-N, p-P 異型異質(zhì)結(jié) n-P, p-N為了獲得高勢(shì)壘,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。共一百二十三頁帶隙差和折射率差本質(zhì)性質(zhì)有重要(zhngyo)的特性和效應(yīng)：高注入比和超注入比；幾乎完全的載流子限制作用和幾乎完全的光限制作用；導(dǎo)波效應(yīng)和“窗口”效應(yīng)共一百二十三頁 DH激光器工作原理 由于限制層的帶隙比有源層寬，施

11、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(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對(duì)注入電子形成了勢(shì)壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。 同理， 注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)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 m的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)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(chǎn)生(chnshng)的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)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。共一百二十三頁共一百二十三頁共一百二十三頁同質(zhì)結(jié)閾值(y zh)高的原因: 共一百二十三頁

12、依異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展:同質(zhì)結(jié)-單異質(zhì)結(jié)-雙異質(zhì)結(jié)-大光腔-分離限制(xinzh)異質(zhì)結(jié)- 量子肼-量子線-量子點(diǎn)大光腔（LOC）激光器激光(jgung)二極管的基本結(jié)構(gòu)共一百二十三頁49分離(fnl)限制異質(zhì)結(jié)(SCH)激光器共一百二十三頁依條形(tio xn)結(jié)構(gòu)發(fā)展:寬接觸條形結(jié)構(gòu)共一百二十三頁共一百二十三頁共一百二十三頁閾值(y zh)特性Jth與有源層厚度的關(guān)系(gun x)Jth與腔長的關(guān)系Jth同溫度的關(guān)系T0為表征半導(dǎo)體激光器的溫度穩(wěn)定性的物理參數(shù)， T0稱為特征溫度。 T0越大，Jth隨 T的變化越小，激光器越穩(wěn)定。共一百二十三頁54溫度對(duì)的影響主要來自三個(gè)方面： 1, 增益系數(shù)(x

13、sh) 2, 內(nèi)量子效率 3, 內(nèi)部載流子和光子損耗。AlGaAs/GaAs DH LD: 如果異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘足夠高、界面態(tài)足夠少，溫度的影響主要是其對(duì)有源層的增益系數(shù)的影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，必要注入更多的載流子來維持所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這種激光器的T0為120-180K。共一百二十三頁溫度(wnd)影響半導(dǎo)體激光器的增益系數(shù)依賴(yli)器件的工作溫度。低溫，即使注入的載流子濃度不太高，也容易獲得很高的增益。原因：低溫下，注入的載流子較集中于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，材料中的光吸收比較弱，容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，獲得高增益?？山忉尠雽?dǎo)體激光器的光輸出功率為什么隨溫度溫度迅速變化。共一百二十三頁依諧振腔的發(fā)展(fz

14、hn): FP腔-分布反饋-分布布拉格發(fā)射器-垂直腔面-微腔DFB LD：Distributed Feedback Laser DiodeDBR LD：Distributed Bragg Reflector Laser DiodeVCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser FP激光器的諧振腔由鍍膜的自然解理面形成的 ，只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)單模工作。在高速調(diào)制或溫度和電流變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)模式跳躍(tioyu)和譜線展寬。共一百二十三頁分布式反饋激光器的提出：前面描述的激光器的光學(xué)反饋都是基于一對(duì)反射面的，但是在光學(xué)集成(j chn)光路中，很難形成這樣的反射

15、面。有兩種解決辦法：可以通過刻蝕技術(shù)形成反射面，但晶片的的表面就會(huì)被破壞，使得電氣連接和散熱器的制造變得很困難。利用分布式反饋激光器共一百二十三頁58DFB（DBR）激光器器件結(jié)構(gòu)(jigu)分布反饋激光器DFB：Distributed Feedback光柵為內(nèi)光柵，光柵在有源層內(nèi)的波導(dǎo)層上。分布布喇格反射激光器DBR：Distributed Bragg Reflector光柵在有源層兩端外的波導(dǎo)層上形成。共一百二十三頁59DFB-LD和DBR-LD 結(jié)構(gòu)圖（a）DFB激光器（b）/4相移的DFB激光器共一百二十三頁60Distributed-Bragg-Reflector Laser (DB

16、R-Laser)Distributed-Feedback Laser (DFB-Laser)Fabry-Perot Laser (FP-Laser)共一百二十三頁理論(lln)基礎(chǔ)為了保持波前的相位相干性而且避免相消干涉，光線的路程(lchng)差必須為波長的整數(shù)倍。即滿足：共一百二十三頁 為了能夠在激光器中通過(tnggu)光柵 實(shí)現(xiàn)180。的反射，只需要滿足共一百二十三頁無論DFB還是(hi shi)DBR激光器，所有光柵都必須滿足布喇格反射條件. 為光柵(gungshn)的周期長度，m為階模，n為折射率，0為光波在真空中的波長。對(duì)于=1.55m的激光器來說，InGaAsP有源區(qū)折射率的典

17、型值n=3.4，因此有： 一級(jí)光柵：m=1， 1=0.23 m 二級(jí)光柵：m=2， 2=0.46 m共一百二十三頁64耦合波理論(lln) 由于光柵的引入，會(huì)造成波導(dǎo)層中介電常數(shù)的周期變化，從而會(huì)引起激光器中特定的激光模式的前向和后向波間的耦合。對(duì)這種周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光波(gungb)耦合，有三種分析方法：Kogelnik & Shank 行波耦合波分析；Yariv 波導(dǎo)耦合波分析；Dewanes、Hall、Cordero & S. Wang 等人的Bloch(布洛赫) 波分析。共一百二十三頁歸納起來，這三種分析方法可以等價(jià)(dngji)為兩種方法：耦合波方法：規(guī)定邊界條件，求出前向和后向耦合

18、波方程的解；Bloch波方法：假定結(jié)構(gòu)無限長，求出Bloch波的本征解，之后再用于特定的條件。共一百二十三頁66根據(jù)Maxwell方程可推導(dǎo)(tudo)出波動(dòng)方程： (1)若E和P是時(shí)間(shjin) t 的諧波場(chǎng)，則有：(2)(3)將上式代入(1）可得：式中為真空磁導(dǎo)率, 0為真空介電常數(shù)，c為光速，k0為真空波數(shù), ()為介質(zhì)的極化率。(4)共一百二十三頁67將上式代入(4）可得：(6)可寫為：(5)式中令式中 為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)(ji din chn sh)，代入(6）式則得Helmhoth波動(dòng)方程： (8)(7)共一百二十三頁68在DFB或DBR激光器中， (x,y.z)是z的周期函數(shù)

19、，因此可以(ky)將(x,y.z)是z改寫為：(9)式中(x,y.)是(x,y.z)的平均值， 是介電常數(shù)(ji din chn sh)的微干擾項(xiàng)，只在光柵區(qū)才不為零。共一百二十三頁69無光柵(gungshn)時(shí)， =0，(8）式的通解為：式中Ef和Eb分別(fnbi)為前向波和后向波，f - forward, b - backward。 為復(fù)數(shù)傳播常數(shù)。(11)(12)是限制因子，g為有源區(qū)增益，為內(nèi)部的縱損耗。(10)共一百二十三頁70有光柵時(shí)，介電微擾0，由于Bragg光柵的衍射作用，前向和后向的振幅隨周期變化，是以光柵周期為周期的函數(shù)，可展開(zhn ki)成Fourier函數(shù)形式：b

20、為Bragg波傳播常數(shù)，為相位失配因子。當(dāng)l=m時(shí)， 為最小，此時(shí)(c sh)其它項(xiàng)可忽略不計(jì)，這時(shí)滿足Bragg反射條件，光場(chǎng)的前向和后向波傳播過程中發(fā)生耦合。(13)(15)(14)共一百二十三頁71在介電微擾作用下，將產(chǎn)生無窮級(jí)次各異的衍射，但在0的Bragg波長附近，將有一對(duì)(y du)衍射振幅最大，且相位同步的正、反向傳播的波存在，可分別表示為：上式方括號(hào)中的每項(xiàng)都以為周期的周期函數(shù)。若將介電常數(shù)的周期變化(binhu)加以考慮，就可望出現(xiàn)Bloch型的本征模。b=m/為Bragg波數(shù)，或叫Bragg傳播常數(shù)，進(jìn)一步推導(dǎo)可以得出：(18)(20)分析表明:(19)共一百二十三頁激光器

21、中激光模式的物理(wl)解釋 模式：在一定的邊界條件下，電磁波在諧振腔內(nèi)形成駐波，光強(qiáng)呈穩(wěn)定(wndng)分布，這種穩(wěn)定(wndng)的分布為激光模式。縱模：光波在傳播方向上的分布情況。橫模：光波在垂直諧振腔方向上的分布情況。其中垂直pn結(jié)平面方向?yàn)榇怪睓M模，平行pn結(jié)平面方向?yàn)樗綑M模。求解麥克斯韋方程，得出電磁波定態(tài)解，可用一組整數(shù)(m,n,q)表征，它們?yōu)槟Ｊ街笖?shù)。半導(dǎo)體激光器的模式共一百二十三頁激光器中激光模式的物理解釋:F-P腔:向左向右傳播的兩束光形成駐波,如果它們的振幅相等,來回的相位差等于2pi，就可以形成耦合干涉波。DFB激光器: 光波在傳播過程中駐波部分地、周期性地被反射了

22、，若光波的頻率同DFB中的周期一致或者非常接近，就會(huì)通過光增益獲得光放大，實(shí)現(xiàn)受激輻射(fsh)，發(fā)出激光。DFB激光模式并不是正好在布拉格波長 處，而是對(duì)稱出現(xiàn)在 兩邊。共一百二十三頁光柵周期均勻分布的DFB激光器發(fā)射出來(ch li)的激光是具有兩個(gè)主模的多模光譜。造成這種兩個(gè)主模是由完全對(duì)稱的、并且均勻分布的周期光柵造成的。為了將輻射功率集中在同一主模上，同時(shí)使各振蕩模式的閥值增益差增大，采用如下(rxi)方法：在光柵中引進(jìn)一個(gè)/4相移；將解理面之一弄斜，或在端面鍍?cè)鐾改ぃ斐煞菍?duì)稱的端面反射率；使距腔面之一的一小段沒有光柵，形成無分布反饋的透明區(qū)；對(duì)光柵周期進(jìn)行適當(dāng)啁啾。上述方法中，引

23、進(jìn)/4相移和不對(duì)稱端面反射率兩種方法較可行，并且有效。共一百二十三頁FP-LD與DFB-LD的比較(bjio)光譜特性(txng) .激光器光譜特性包括峰值(或中心)波長、光譜寬度；共一百二十三頁DFB性能(xngnng)特點(diǎn)1.波長選擇性：在端面激光器中，光的發(fā)射波長是由增益曲線和激光器的模式特性決定的，當(dāng)達(dá)到閾值電流時(shí)，激光器通常會(huì)激發(fā)許多縱模。在DFB激光器中，發(fā)射波長會(huì)受到增益曲線的影響，但主要由光柵周期決定。當(dāng) l 階模和 l1階模的間距和增益曲線的線寬相比足夠大時(shí)，只有(zhyu)一個(gè)模式有足夠的增益產(chǎn)生激光。應(yīng)用：波長復(fù)用技術(shù)總結(jié)共一百二十三頁2.光發(fā)射線寬線寬窄：發(fā)射譜線寬定義

24、為激光增益曲線和激光器的模式選擇特性的卷積，由于光柵具有很好的波長選擇特性，因此，發(fā)射譜寬較窄。典型的端面反射型激光器的單模線寬為1到2埃，約 50 GHz，而帶有光柵結(jié)構(gòu)(jigu)的DFB的線寬約為50100 kHz。目前商用的DFB激光器在1.55m處的線寬小于25埃。共一百二十三頁3.穩(wěn)定性傳統(tǒng)的端面反射激光器的發(fā)射波長很容易受到溫度的影響(yngxing)。DFB激光器波長的穩(wěn)定性較好，因?yàn)楣鈻拍軌蜴i定激光器輸出給定的波長。（發(fā)射波長隨溫度變化?。┕惨话俣?DFB激光器與F-P激光器相比， 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 易形成單縱模振蕩； 譜線窄， 方向(fngxing)行性好； 高速調(diào)制時(shí)

25、動(dòng)態(tài)譜線展寬很小，單模穩(wěn)定性好； 輸出線性度好。共一百二十三頁80垂直(chuzh)腔面發(fā)射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser （VCSEL）垂直腔面發(fā)射激光器，顧名思義，它的腔面平行于pn結(jié)平面，激光的發(fā)射方向垂直于pn結(jié)平面。VCSEL表現(xiàn)出低工作電流、單模激光輸出、光束發(fā)散角度小、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為(chngwi)非常實(shí)用的一種半導(dǎo)體激光器。共一百二十三頁81面發(fā)射(fsh)激光器的結(jié)構(gòu)共一百二十三頁82面發(fā)射(fsh)激光器的結(jié)構(gòu)共一百二十三頁83面發(fā)射(fsh)激光器的結(jié)構(gòu)共一百二十三頁84多層介質(zhì)(jizh)膜的反射率在垂直腔面

26、發(fā)射激光器中，振腔諧既不是解理面構(gòu)成的Fabry-Perot腔，也不是DFB(或DBR) 激光器中波導(dǎo)層中厚度(hud)周期變化的Bragg 光柵，而是多層介質(zhì)膜構(gòu)成的Bragg 光柵。如果兩種介質(zhì)膜的折射率和厚度分別為n1和n2、d1和d2，并且滿足如下條件： 則多層介質(zhì)膜在界面處對(duì)所選波長的光波進(jìn)行反射。共一百二十三頁85有兩種介質(zhì)，如果其折射率分別為n1和n2，并且n1n2，將其交替沉積在折射率為ns的襯底上，每一種介質(zhì)層的厚度為/4，即分別為d1=0/4n1和d2=0/4n2。如果這兩種介質(zhì)的層總數(shù)為偶數(shù)2m+1時(shí)，則其垂直(chuzh)方向上的反射率為：多層介質(zhì)(jizh)膜的反射率

27、可以看出: n1/n2的比值越大則越有利于獲得高的R。同樣，介質(zhì)層數(shù)目越多，即2m越大時(shí)R也會(huì)越大。共一百二十三頁86VCSEL的特性(txng) VCSEL激光器的腔長L很短，模式間隔很大，容易實(shí)現(xiàn)單縱模工作，發(fā)射光譜很窄，可以獲得很純的單縱模。發(fā)光面既大又對(duì)稱，園形發(fā)光面直徑為幾微米到幾十微米，發(fā)散角度很小，僅僅幾度。VCSEL激光器中發(fā)光面積(min j)很大，激光功率密度小。不會(huì)因功率密度大于臨界值而發(fā)生災(zāi)變性退化現(xiàn)象，因而器件壽命長。如激光器的腔長為L，折射率為n，發(fā)射光譜的模式間隔為：共一百二十三頁87VCSEL的特性(txng) VCSEL激光器的工作電流小：由于腔長短，整個(gè)有源

28、區(qū)的體積比端面發(fā)射激光器小許多，即使注入很小電流也能獲得足夠高的增益，發(fā)射激光。VCSEL激光器的閾值電流僅僅為毫安量級(jí)，甚至小于1mA，僅僅幾十到幾百微安的電流就能獲得激光輸出。VCSEL激光器無須解力就已經(jīng)形成了諧振腔，可以對(duì)外延片上所有的器件進(jìn)行檢測(cè)，大大提高了工作效率、降低(jingd)了成本。可以在同一襯底上集成多個(gè)VCSEL激光器，制成多功能的VCSEL激光器陣列。共一百二十三頁88量子(lingz)阱激光器（QW LD）超晶格與量子阱超晶格概念是1970年由美國IBM公司的日本人江崎(Dr. Esaki)和華人朱兆強(qiáng)首先提出來的。超晶格：兩種或兩種以上不同(b tn)組分或不同(

29、b tn)導(dǎo)電類型的超薄層材料，交替堆疊形成多個(gè)周期的結(jié)構(gòu)，如果每層的厚度足夠薄，以致其厚度小于電子在該材料中的德布洛依的波長，這種周期變化的超薄多層結(jié)構(gòu)，叫做超晶格。組分超晶格和摻雜超晶格共一百二十三頁89量子(lingz)阱超晶格中，周期交替變化的薄層層厚很薄，相鄰的勢(shì)阱中電子的波函數(shù)能夠互相交替，使勢(shì)阱中電子能態(tài)雖然是分立，但已被展寬。如果限制勢(shì)阱的勢(shì)壘的厚度足夠(zgu)厚，大于德布洛依的波長，那么不同勢(shì)阱中的波函數(shù)不再交疊，勢(shì)阱中的電子的能級(jí)狀態(tài)變?yōu)榉至⒌臓顟B(tài)。這種結(jié)構(gòu)稱之為量子阱。單量子阱（SQW，Single Quantum Well）。多量子阱（MQW，Multi-quantu

30、m Well）。共一百二十三頁90量 子 阱兩種不同組分(zfn)（能帶隙不同）的半導(dǎo)體材料密接時(shí), 形成異質(zhì)結(jié)兩個(gè)靠得足夠近的相向異質(zhì)結(jié)可以構(gòu)成理想的矩形勢(shì)阱,當(dāng)阱寬小于電子的平均自由(zyu)程,即形成量子阱。InGaAsPInPk = 0 處InPInGaAsPInPEg1Eg2共一百二十三頁91量子(lingz)阱材料的能帶結(jié)構(gòu)體材料(cilio)量子阱材料kzkxkykxyzkykxkxykxyZ方向形成分立能級(jí)kz價(jià)電子帶HH1LH1HH2LH1HH2HH1xy方向仍為連續(xù)能級(jí)共一百二十三頁92低維量子材料(cilio)及其狀態(tài)密度體材料(cilio)隨著維數(shù)的減少，狀態(tài)密度越來越

31、小，對(duì)于量子點(diǎn)，只變成了一個(gè)個(gè)孤立的直線。量子線量子點(diǎn)ED(E)ED(E)E0E1E2量子阱D(E)EE0E1E2D(E)EE0E1E2Esaki (1968)Sakaki (1980)Arakawa & Sakaki (1982)共一百二十三頁93量子阱的分立能級(jí)(nngj)和態(tài)密度量子線的分立(fn l)能級(jí)和態(tài)密度共一百二十三頁94量子點(diǎn)的分立(fn l)能級(jí)和態(tài)密度分別m, n, l=1，2，3 共一百二十三頁95量子阱中，導(dǎo)帶和價(jià)帶的態(tài)密度分布由拋物線形能帶變?yōu)殡A梯狀，形成了以量子化能級(jí)為最低能態(tài)的二維“子帶”組。二維“子帶”使得(sh de)電子和空穴在其上的填充情況大為改變，增大

32、了吸收邊光躍遷的狀態(tài)數(shù)，發(fā)射光譜變窄。共一百二十三頁96量子(lingz)阱激光器工作原理受激發(fā)射必須滿足(mnz)的條件為：設(shè)激光器的腔長為L，端面反射率為R1、R2，內(nèi)部吸收損耗為，光限制因子為，因激光器應(yīng)滿足的閥值條件為：進(jìn)一步推廣至各子能帶情況：共一百二十三頁97 SQW： MQW：SQW和MQWNa個(gè)勢(shì)阱和Nb個(gè)勢(shì)壘，n 為有源區(qū)勢(shì)壘層和勢(shì)阱層的平均(pngjn)折射率。表示的是折射率為n的等效層（厚度為Nata+Nbtb）的光限制因子。m正比于勢(shì)阱的總厚度同勢(shì)阱和勢(shì)壘的總厚度和之比值。MQW的m可達(dá)0.2，比s要大得多。 共一百二十三頁SCH-SQW共一百二十三頁99量子(ling

33、z)阱激光器的新特點(diǎn)態(tài)密度呈階梯分布，光子能量(nngling)h=Ec1-Ehh1Eg，g， 藍(lán)移。輻射復(fù)合主要發(fā)生在Ec1和Ehh1兩個(gè)能級(jí)之間，發(fā)射光譜的譜線窄。很高的注入效率，易于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。溫度穩(wěn)定性好聲子協(xié)助載流子躍遷。共一百二十三頁100量子(lingz)阱激光器的特性閥值特性: 比DH LD低5-10倍, 能小于1mA。P-I特性外量子效率, 可達(dá)80%以上(yshng).特征溫度T0可達(dá)160K以上.共一百二十三頁101AlGaInP量子阱激光器的P-I特性(txng)曲線和光譜特性(txng)共一百二十三頁半導(dǎo)體激光器的主要(zhyo)特性共一百二十三頁1. 發(fā)射波長和

34、光譜(gungp)特性不同半導(dǎo)體材料(cilio)有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長峰值波長：在規(guī)定輸出光功率時(shí)，激光器受激輻射發(fā)出的若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長。共一百二十三頁 GaAlAs-DH激光器的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動(dòng); (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 8

35、32 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)共一百二十三頁 在直流驅(qū)動(dòng)下， 發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的相位條件(tiojin)式的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。 驅(qū)動(dòng)電流變大，縱模模數(shù)變小 ，譜線寬度變窄。 這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，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（b)是300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性， 由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬

36、。共一百二十三頁 2. 激光束的空間分布 激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。 近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布； 遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。 圖是GaAlAs-DH激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度(hud)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(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫模。 共一百二十三頁GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣 共一百二十三頁 典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性和遠(yuǎn)場(chǎng)圖

37、樣(tyng) (a) 光強(qiáng)的角分布； (b) 輻射光束 圖為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中和分別(fnbi)為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。共一百二十三頁3. 轉(zhuǎn)換(zhunhun)效率和輸出光功率特性 激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分為內(nèi)量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth 和Ith 分別為相應(yīng)的閾值，h和e分別為光子能量和電子(dinz)電荷。 外微分量子效率d其定義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)外量子效率為：共一百二十三頁典型半導(dǎo)體激光器的

38、光功率特性 (a) 短波長AlGaAs/GaAs (b) 長波長InGaAsP/InP 共一百二十三頁 4. 溫度特性半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度十分敏感，其輸出功率隨溫度會(huì)發(fā)生很大變化，其主要原因?yàn)椋海?）激光器的閾值電流Ith 隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率d隨溫度升高而減小。 溫度升高時(shí)，Ith 增大，d減小， 輸出光功率明顯(mngxin)下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不再受激輻射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為共一百二十三頁 GaAlAs GaAs 激光器T0=100-150 K

39、InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加(gnji)敏感。 I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料(cilio)的特征溫度。共一百二十三頁圖示出脈沖調(diào)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(xio l)減小，造成的輸出光功率特性P I曲線的變化。 P-I曲線(qxin)隨溫度的變化 共一百二十三頁面發(fā)射(fsh)激光器（VCSEL） 腔短，單縱模，發(fā)射光譜(f sh un p)窄獲得很純的單縱模 發(fā)光面既大有對(duì)稱，發(fā)散角度很小。 工作電流小 很易實(shí)現(xiàn)集成化的VCSEL 激光器短的諧振腔和大的發(fā)光面共一百二十三頁量子(lingz)阱激光器（QW-LD） 波長(bchng)向短波方向變化 “藍(lán)移”； 閾值電流密度小； 發(fā)射光譜窄； 調(diào)制帶寬大。共一百二十三頁激光(jgung)的安全概述光的危害(wihi)熱效應(yīng) 聲效應(yīng) 光化學(xué)效應(yīng) 共一百二十三頁激光對(duì)眼睛(yn jing)的損害1.照射時(shí)間100ms400ms2.脈沖的重復(fù)(chngf)頻率 高RR 集累效應(yīng) ，RR1HZ 集累效應(yīng)可以忽略3.組織對(duì)