半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù).ppt

1、上節(jié)課回顧： 1、躍遷速率與愛因斯坦關(guān)系； 2、半經(jīng)典理論求解B12； 3、凈受激發(fā)射的條件； 4、增益系數(shù),閾值條件和增益分布,此時(shí)建立起粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，吸收系數(shù)就變?yōu)樨?fù)的，半導(dǎo)體材料由光吸收介質(zhì)變成了增益媒質(zhì)。它可以使頻率處在增益帶寬范圍內(nèi)的光輻射得到放大。增益系數(shù)為：,但這只是提供了產(chǎn)生激光的前提條件，要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須將此增益介質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，使光波在兩個(gè)腔面反射鏡之間通過增益介質(zhì)來回反射面得到放大。如果光增益超過諧振腔引起的光損耗及其他損耗之總和，則貯存在腔內(nèi)的光場將不斷增加；同時(shí)光增益是能夠飽和的，它會使光放大系數(shù)減小。下面討論與此相關(guān)的一些問題。,rst(E21)

2、:受激發(fā)射率,在該系統(tǒng)中能夠形成自持振蕩的條件是：當(dāng)波在兩個(gè)腔面間經(jīng)過多次反射回到原處時(shí)，波的振幅至少應(yīng)等于起始值，波的相位一致。,ai是內(nèi)部損耗系數(shù)，通常是由自由裁流子吸收和光學(xué)不均勻散射引起的，g為增益系數(shù)。,自持振蕩的條件,閾值增益為：,1、振幅,半導(dǎo)體和空氣界面處的功率反射系數(shù)R為：,2、振蕩的相位條件，即形成穩(wěn)定振蕩的駐波條件,光子在諧振腔內(nèi)來回一次所經(jīng)歷的光程必須是波長的整數(shù)倍。當(dāng)增益介質(zhì)的折射率nR和腔長L一定時(shí)，每一個(gè)g值就對應(yīng)著一個(gè)振蕩頻率或波長，或者說對應(yīng)著一個(gè)振蕩的縱模模式。對式(1) 取微分后得到：,(1),對應(yīng)于相鄰的縱模間隔，?。?色散項(xiàng),自持振蕩的條件,該式表明，

3、縱模間隔與腔長成反比。半導(dǎo)體激光器的腔長很短，所以它的模間隔比氣體和固體激光器要大得多。但 (2)表示的只是諧振腔所允許存在的縱橫，它是一個(gè)無窮的系列，究竟激光器中能出現(xiàn)哪些縱模，還要由激光介質(zhì)的增益譜寬和增益譜展寬機(jī)制等條件來決定。只有那些增益達(dá)到閡值條件而又被諧振腔允許的波長才能形成激光振蕩。,(2),增益譜計(jì)算,式中，常數(shù)a0(E21)表示絕對零度時(shí)的吸收。溫度和激勵(lì)水平的影響包含在(fcfv)中。若fcfv，則a0(E21)為負(fù)，吸收介質(zhì)變?yōu)樵鲆娼橘|(zhì)，以受激發(fā)射為主。若fcfv ，則a0(E21)為正，主要發(fā)生受激吸收利用增益的定義義可以寫出：,隨著激勵(lì)水平增加，能帶中載流子數(shù)增加，增

4、益曲線的最大值向更高的光子能量處移動 gmax(E)也增加。同時(shí)開始出現(xiàn)增益所對應(yīng)的光子能量向高能方向移動。這是因?yàn)殡娮邮菑膶?dǎo)帶底向上填充的注入電子濃度愈大，填充得就愈高，因而發(fā)光的峰值能量增加.,增益飽和,在低的光子密度時(shí)，載流子的空間和能量分布不受干擾，這時(shí)為不飽和增益。在高光子密度時(shí)是飽和增益。一個(gè)被激勵(lì)的半導(dǎo)體激光器，輻射受到放大時(shí)，它的能量關(guān)系為：,諧振控內(nèi)的輻射強(qiáng)度不能無限止增加 ，因?yàn)樵诟吖庾用芏葧r(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子濃度要顯著降低。這又造成費(fèi)米能級漂移，使EF減小，同樣也使?jié)M足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)數(shù)減小。,空間燒孔和光譜燒孔效應(yīng),半導(dǎo)體激光的溫漂特性,半導(dǎo)體材料帶隙隨溫度變化；

5、半導(dǎo)體激光器腔長隨溫度變化。,半導(dǎo)體激光器的光場模式,三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中只存在TE模和TM模,TE模,TM模,電場Ey在三層平板介質(zhì)波導(dǎo)的有源層外可能存在相當(dāng)大的部分。這部分光場不與注入載流子發(fā)生相互作用，因而對激光器中的受激發(fā)射沒有貢獻(xiàn)。所以必須考慮光場分布在激光器有源層中所占的比率。,限制因子-垂直于pn結(jié)方向,平行于pn結(jié)方向-增益導(dǎo)引型結(jié)構(gòu),平行于pn結(jié)方向-折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別,半導(dǎo)體激光器常見結(jié)構(gòu),1、功率效率 加于激光器上的電功率轉(zhuǎn)換為輸出光功率的效率,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),降低rs，特別是制備良好的低電阻率的歐姆接觸是提高功率效率的關(guān)鍵。改善管芯散熱環(huán)境，降低工作

6、溫度也有利于功率效率的提高。,2、內(nèi)量子效率,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),由于有源區(qū)內(nèi)存在雜質(zhì)缺陷及異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的非輻射復(fù)合和長波長激光器中的俄歇復(fù)合等因素，使得注入有源區(qū)的每一個(gè)電子空穴對不能100的產(chǎn)生輻射復(fù)合，即i總是小于1，但一般也有95左右，是轉(zhuǎn)換效率很高的激光器件。,3、外量子效率,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),ex是考慮到有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光子并不能全部發(fā)射出去，腔內(nèi)產(chǎn)生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射鏡端面損耗等。因?yàn)榧す馄饔屑ど涞拈撝堤匦?，所以?dāng)IIth時(shí)，P直線上升， ex變大。,半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù),4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲線的斜率),閾值電流密度,有源區(qū)內(nèi)的局部增益是均勻分布的，則模增益,分別是對應(yīng)模式的增益和限制因子,為局部閾值增益系數(shù),是鏡面末端損耗,是內(nèi)部損耗,afc是有源區(qū)內(nèi)的自由載流子吸收系數(shù) aout包層中的吸收系數(shù)(主要也是自由載流子吸收) as是輻射遭受有源區(qū)晶格缺陷散射和厚度不均勻引起的損耗系數(shù) ac是輻射滲入包層的損耗系數(shù),Je和Jh分別是流過異質(zhì)結(jié)勢壘的電子和空穴的漏電流 J2為有源區(qū)電流密度；i