（光学专业论文）互注入半导体激光器动态特性研究.pdf

土 j 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：蔷l 力衫 签字日期： 为，年 【月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：妄。l 丸形 导师签名： 夏笔寻r _ 飞 签字日期：加f 年上月日签字日期： 硼【年r 月沙日 幺 j 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 半导体激光器的工作原理1 1 3 半导体激光器的发展历史2 1 4 半导体激光器的主要性能6 1 4 1 半导体激光器的阈值特性一6 1 4 2 半导体激光器的效率一7 1 4 3 半导体激光器的空间模式8 1 4 4 半导体激光器的线宽一8 1 4 5 半导体激光器的动态特性一8 1 5 半导体激光器的应用9 1 5 1 半导体激光器在光通信中的应用9 1 5 2 半导体激光器在光存储系统中的应用1 0 1 5 3 半导体激光器在医学领域的应用1 1 1 5 4 半导体激光器在军事领域的应用1 2 1 6 本章总结1 3 参考文献1 3 第二章半导体激光器非线性动力学行为1 5 2 1 引言1 5 2 2 半导体激光器的模式理论1 5 2 3 半导体激光器的速率方程1 6 2 4 附加自由度半导体激光器速率方程1 7 2 4 1 驱动电流调制17 2 4 2 外光注入1 8 2 4 3 外部光反馈1 9 参考文献2 2 第三章互注入半导体激光器动态特性的实验研究2 4 膏 一 一 两南大学硕十学伊论文摘要 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼i i i。 i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼 互注入半导体激光器动态特性研究 光学专业硕士研究生：刘元元 指导教师：夏光琼教授 摘要 作为一种典型的、且实验上易于实现的非线性耦合系统，互注入半导体激光 器系统( m c s l s ) 由于在高功率激光阵列输出、光存储，以及混沌保密通信等领 域的广泛应用而受到人们的额外关注。目前，对m c s l s 的研究主要集中在工作参 量在小范围内变化时系统所呈现的某些特殊的非线性状态，而对于m c s l s 中两个 激光器的注入强度偏差、以及频率失谐在较大范围内变化时系统的非线性动力学 行为还缺乏深入细致的研究。 在本文中，实验搭建了一个由两个半导体激光器构成的互耦系统，研究了两 个激光器的相对注入强度以及频率失谐f ( af = f 1 t 2 ，f l 、t 2 分别两个激光器的 自由振荡频率) 在较大范围内变化的m c s l s 的动力学行为；系统观测了互耦半导 体激光器中呈现的注入锁定、单周期、倍周期、三周期、四周期、多周期、准周 期和混沌振荡等复杂的非线性动力学现象，并绘制出了其输出特性随相对注入强 度和频率失谐量变化的动力学特征图。研究结果表明，两激光器具有相同的输出 特性，丰富的动力学行为主要集中在失谐量约为弛豫振荡频率一半且相对耦合强 度较低的小范围内。另外，基于互注入半导体激光器系统的相关理论模型，研究 了互注入半导体激光器的混沌同步特性。两激光器混沌输出的相关函数呈现对称 分布、且具有两个近似相等的峰值，表明系统呈现随机的超前和滞后混沌同步。 关键词：互注入；动态行为；半导体激光器 p 两南：学硕l 学位论文 a b s t r a c t 曼曼! ! 曼曼曼蔓! 曼曼量蔓曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓! 曼曼蔓曼曼舅! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼舅! ! ! ! ! i i ! i n v e s t i g a t i o n so nn o n l i n e a rd y n a m i c a lb e h a v i o r s o f m u t u a l l yc o u p l e ds e m i c o n d u c t o r l a s e r s m a jo r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：y u a n y u a nl i u a b s t r a c t a sa ne x c e l l e n ta n de a s i l ye x p e r i m e n t a l l yr e a l i z a b l ee x a m p l eo fc o u p l e dn o n l i n e a r o s c i l l a t o r s ，m u t u a l l yc o u p l e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r ss y s t e m ( m c s l s ) h a v ea 仕r a c t e d m u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rw i d ea p p l i c a t i o n si nv a r i e sa s p e c t ss u c ha sa c h i e v i n g h i g ho u t p u tp o w e ri nl a s e r sa r r a y o p t i c a lm e m o r i e sa n dc h a o ss e c r e tc o m m u n i c a t i o n p r e v i o u sr e l e v a n ts t u d i e so nm c s l sm o s t l yf o c u so np a r t i c u l a rn o n l i n e a rd y n a m i c s s t a t e sf o rt h es y s t e mp a r a m e t e r sv a r y i n go n l yw i t h i nas m a l lr a n g e ，b u tt h ei n t e g r a t e d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rv a r y i n gt h ef r e q u e n c yd e t u n i n go rc o u p l i n gs t r e n g t hw i t h i n a l a r g er a n g eh a sn o tb e e nr e p o r t e d i nt h i sp a p e r ，ad e l a y e dm u t u a l l yc o u p l e ds y s t e mc o n s i s t i n go ft w os e m i c o n d u c t o r l a s e r sh a sb e e nc o n s t r u c t e d ，t h en o n l i n e a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm c s l sa r e e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db yv a r y i n gt h er e l a t i v ec o u p l i n gl e v e la n dt h ef r e q u e n c y d e t u n i n ga f ( a r = - f l - f 2 ，w h e r ef l ，f 2a r et h ef r e ef r e q u e n c i e so fs e m i c o n d u c t o rl a s e r s 1 a n ds e m i c o n d u c t o rl a s e r s2r e s p e c t i v e l y ) w i t h i nar e l a t i v e l yw i d er a n g e ；d i v e r s e d y n a m i cs t a t e sh a v eb e e no b s e r v e ds u c h a st a b l ei n j e c t i o n l o c k i n g ，p e r i o d i c o n e o s c i l l a t i o n s ，p e r i o d i c t w o o s c i l l a t i o n s ，p e r i o d i c t h r e e o s c i l l a t i o n s ，p e r i o d i c f o u r o s c i l l a t i o n s ，m u l t i - p e r i o do s c i l l a t i o n s ，q u a s i p e r i o da n dc h a o so s c i l l a t i o n s ，a n d t h e n o n l i n e a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r em a p p e da saf u n c t i o no ft h er e l a t i v ec o u p l i n g l e v e la n dt h ef r e q u e n c yd e t u n i n gb e t w e e nt h et w ol a s e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et w o l a s e r sh a v et h es a m eo u t p u t ；a b u n d a n td y n a m i c a ls t a t e sa r ee x h i b i t e di nt h er e g i o no f l o wr e l a t i v ec o u p l i n gl e v e la n da fa p p r o x i m a t eh a l fo ft h er e l a x a t i o no s c i l l a t i o n i n a d d i t i o n , b a s e do nt h e t h e o r e t i c a lm o d e lo ft h em c s l s ，t h es y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r m a n c e so ft h es y s t e mh a v es t u d i e di nt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o ni ss y m m e t r i c a ld i s t r i b u t e da n dh a v et h ea p p r o x i m a t e l ye q u a lp e a k v a l u e ，t h i si n d i c a t et h a ts y s t e mc a na p p e a rl a g g i n gs y n c h r o n i z a t i o n a n dl e a d i n g s y n c h r o n i z a t i o nr a n d o m l y k e y w o r d s ：m u t u a l l yc o u p l e d ，d y n a m i c a l ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r s t 1 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼皇! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇鼍曼曼曼曼舅曼鼍曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼皇舅i i ；| ；i i i i i 鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇 第一章绪论 1 1 引言 激光器的发明、问世是2 0 世纪科学技术的一项重大成果。它使人们终于有能 力驾驶尺度极小、数量极大的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干 红外线、可见光线和紫外线( 以至x 射线和y 射线) 的能力。激光科学技术的兴 起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。目前，激光器己在光信息科 学、光谱学、光存储以及军事领域中得到了广泛的应用。与其它的激光器相比半 导体激光器具有如下显著的特征： ( 1 ) 重量轻、体积小、波长范围宽、输入能量低、价格便宜、易于集成与调 制以及较高的光电转换效率。 ( 2 ) 具有较小的镜反射率，相对外界的扰动可认为是“开放”系统。 ( 3 ) 较强的自发辐射能力； ( 4 ) 激光器介质的折射率与光强紧密相关，并依赖于反转粒子数密度；中心 频率及激光增益与载流子数密度紧密相关；而外部光注入及有源层内产生的激光 消耗载流子将对半导体激光器的动力学行为产生极大的影响。 可以看出，由于半导体材料特殊的性质使得半导体激光器对外部微扰非常敏 感，容易产生非线性动力学输出，并在一定的条件下出现混沌输出。所以半导体 激光器成为了光混沌保密通信中的首选光源。基于如上的原因，本章首先从半导 体激光器的工作原理开始，对半导体激光器的发展历史、主要的性能及应用进行 了讨论。从而使我们清楚地看到理论研究对科学技术发展具有重要的指导意义， 以及科学技术对发展国民经济的促进作用。半导体激光器及相关技术的发展与应 用有利的证实了科学技术乃是第一生产力的重要推论。 1 2 半导体激光器的工作原理 早在2 0 世纪6 0 年代初人们就提出了用半导体材料作激光媒质的设想，它通 过在一种材料上制作出p n 结二极管，然后加正向偏置电流使电子和空穴不断地向 p 区和n 区注入，这样就在原来的p n 结耗尽区内实现了载流子数的反转。由于电 子的迁移速率比空穴快，在有源区内复合，就会辐射出荧光，这就是半导体激光 器工作的基本原理。可见作为一种相干的辐射光源，要使半导体激光器产生激光 输出必须满足三个基本的条件： ( 1 ) 增益条件：要使半导体激光器辐射激光，首先必须在有源层内形成粒子 数反转分布。在半导体材料中电子的能量处在一系列接近连续分布的能级组成的 能带中，要在半导体材料中实现粒子数反转分布，就必须使两能带区域之间处于 高能极导带底的电子数目远大于处于低能级价带顶的空穴数目。这可以通过对p n 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 结加正向偏置电压来解决。当大量的处于粒子数反转分布的电子与空穴复合时就 会因受激发射而产生激光。 ( 2 ) 由于有源层内载流予的消耗，要形成稳定的振荡，有源层内必须具备足 够大的增益，使粒子数不断地处于反转状态。这就要求有足够强的偏置电流，粒 子数反转的程度越高增益也就越大，当偏置电流提供的载流子数刚能补充由于产 生激光而消耗的载流子数时的电流称为阈值电流。当激光器达到阈值时，特定波 长的光就会在谐振腔内被放大，形成稳定的激光输出。可见光辐射和光放大的过 程就是电子与空穴偶极跃迁的过程。目前量子阱已被人们公认为是半导体激光器 发展的最根本的动力。 ( 3 ) 在实际应用中要获得相干的受激辐射，这要求受激辐射产生的光在光学 谐振腔内经过多次反射形成激光振荡，而利用半导体晶面的自然解理面形成的反 射镜往往因为较小的发射率而不能满足要求，这就需要在不出光的一面镀上高反 射介质膜，在出光的一面镀上减反射介质膜。 1 3 半导体激光器的发展历史 半导体激光器的发明、问世开辟了光信息理论与技术发展的新时代。回顾其 发展历程，半导体激光器共经历了同质结注入型，单异质结注入型和双异质结注 入型三个发展阶段。 首先在第一阶段，2 0 世纪6 0 年代初人们就提出了用半导体材料作激光媒质的 设想。受此种思想的影响，美国的j o h n v o n n e u m a n n 于1 9 5 3 年9 月第一次理论论 述了在半导体材料中产生受激辐射的可能【2 】，其理论模型是采用向p n 结注入载 流子来实现受激辐射，同时他还计算出了电子在两个布里渊区之间的跃迁速率。 同年，杜拉福格和伯纳德也给出了在半导体材料中实现受激辐射的必要条件即非 平衡的空穴、电子浓度的准费米能级差大于受激辐射的能量【3 】，这一条件对以后半 导体激光器的研制成功起到了重要的指导作用。1 9 5 8 年6 月，e c s l en o r m a l e s u p e r i e u r e 的p i e r r e a i g r a i n 在布鲁塞尔举行的国际会议中，首次公开发表文章论述 了在半导体材料中获得相干光的观点【4 】。1 9 6 0 年美国贝尔实验室的b o y l e 等人提出 用半导体晶体平行自然解理面作为光反馈的谐振腔的理念【5 j 。苏联l e b e d e vp h y s i c a l i n s t i t u t e 的b a s o v 等人也首次公开发表文章论述了在半导体材料中实现粒子数反转 ( 负温态) 的理论，并且最先在1 9 6 1 年公开发表文章提出了将载流子注入到半导 体p n 结中来实现“注入型激光器”的思想，同时他还论证了在高度简并的p n 结 ( 隧道二极管) 中实现粒子数反转分布的可能，并且他们还认为在有源区边界两 边由于有源区附近高密度的载流子造成的折射率差值，可以形成光波导效应【6 】。在 上述理论的影响下，1 9 6 0 年5 月1 5 日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅 2 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 曼宣布获得了波长为0 6 9 4 3 微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光， 梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家【7 j 。在潘可夫、梅伯里 和凯斯分别提出了注入型g a a sp n 结的非相干电致发光以后，g e 公司的霍尔利 用两个镜面构成的谐振腔于1 9 6 2 年观察到了正向偏置g a a sp n 结的相干光发射 【8 】。此后，许多在器件结构设计、制管工艺、阈值、光学性质和温度特性方面的研 究成果相继发表。到1 9 6 3 年后期美国科学家h o l o y a k ( 通用电器，锡拉库扎) ，h a l l ( 通用电器，斯克内克塔迪) ，q u i s t ( 林肯实验室) ，n a t h a n ( 国际商业机械公司) ， 几乎同时宣布成功研制了g a a s 同质结型半导体激光器【9 。12 1 。这些早期的激光器都 属于同质结注入型激光器，它采用在体材料上杂质扩散来形成p - n 结，并且己具 备了任何受激辐射的三要素： ( 1 ) 利用有源区内电子一空穴的复合来提供光增益； ( 2 ) 利用解理面形成的f p 谐振腔来提供光反馈； ( 3 ) 采用正向偏置电流为有源层提供载流子注入。 但此类激光器的一个共同致命弱点就是受激辐射的阈值电流特别高，一般在5 1 0 4 a e r a 2 到1 1 0 4 a e r a 2 的范围内，即只有在液氮温度( 或者更低的温度) 及脉冲 ( 占空比 o 1 ，脉宽1 “m ) 状态下工作。因此此类激光器并没有多大的实际应用 价值，但他们的一些理论及实践对以后半导体激光器结构的设计和改进指明了方 向。 第二阶段为单异质结注入型半导体激光器( s h l d ) 。美国科学家k r o e m e r 和前 苏联科学院的a l f e r o v 于1 9 6 3 年提出将一个窄带隙半导体材料夹于两个宽带隙的 半导体材料之间以形成异质结结构，并希望能在窄带隙半导体材料中产生高效率 辐射复合 1 3 , 1 4 】，并将此类结构的半导体激光器统称为异质结激光器 ( h e t e r o s t r u c t u r e ) 。此后，异质结构材料的生长工艺，如液相外延( l p e ) 法、气相 外延( v p e ) 法都取得了较大的进步。1 9 6 7 年i b m 公司的w o o d a l l 利用l p e 法成功 地在g a a s 上生长了a 1 g a a s 。1 9 6 8 1 9 7 0 年间，美国贝尔实验室成功地研制出了 室温下阈值电流密度为8 6x 1 0 3 a c m 2 的a 1 g a a s g a a s 单异质结激光器。利用 s h l d 异质结提供的势垒可以将注入电子限制在p n 结的p 区内，从而使激光器 的阈值降低，其数值较同质结构的激光器低一个数量级。 第三阶段：双异质结注入型半导体激光器。正当美国学者投身于单异质结半 导体激光器的研究时，前苏联学者a l f e r o v 等人【l5 】宣布成功研制了双异质结构的半 导体激光器( d h l d ) ，此类型的激光器将p 型g a a s 半导体材料夹在n 型a l x g a l 。a s 层和p 型a l x g a x a s 层之间，两个异质结的势垒可以有效地将光场和载流子限制 在p 型g a a s 薄层的有源层内，使室温下激光器的阈值电流密度降得更低，只有 3 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 4 1 0 2 a c m 2 。1 9 7 0 年，美国学者h a y a s h i 和p a n i s h 1 6 1 也报导了3 0 0 k 下阂值电流密 度仅2 3 x 1 0 2 a c m 2 双异质结激光器的室温发射。与单异质结半导体激光器相比其 阈值电流密度再降了一个数量级。使双异质结构半导体激光器阈值电流密度降低 的主要原因有：1 、宽带隙材料的包层对注入窄带隙有源层的载流子的限制作用可 以产生高的增益；2 、有源层采用高折射率材料，而两侧包层采用低折射率材料， 这样形成的光波导可以将大部分光场限制在有源层内。 自7 0 年代末，半导体激光器的发展明显趋向两个方向，其一是以信息的传递 为目标的信息型激光器，此类激光器的特点是：寿命长、对功率的要求不高，一 般在几m w 到十几m w 之间，但对模式的要求较高，有时甚至要求动态单模。这 类激光器主要应用在光纤通信、激光唱机、光存储等方面。另一类则是以提高输 出光功率为目标的功率型激光器，这类激光器主要应用在固体激光器泵浦，比如 二极管泵浦固体激光器( d p s l ) 、二极管泵浦掺饵( ( e r ) 光纤放大器( ( e d f a ) 等多个方 面。虽然起源于衬底的穿透位错及暗线缺陷导致激光器早期退化，使激光器走向 实用化的步伐缓慢，但是随着低位错g a a s 衬底的研制成功及外延层质量的提高， 7 0 年代末8 0 年代初半导体激光器逐渐商品化，尤其在1 9 7 8 年半导体激光器应用 于光纤通信后，各种新结构、新材料的半导体激光器不断出现，并且器件的各种 性能参数也得到不断的提高。主要表现在如下方面： ( 1 ) 室温下连续输出功率逐步提高，单个激光器输出功率也由最初的几个毫瓦 提高到目前已达的数量级。其中锁相列阵的输出功率已提高到几百瓦。 ( 2 ) 为降低阈值电流，相继研究出了侧向增益波导及折射率波导。其中后者为 低阈值激光器的基本结构。 ( 3 ) 为了适应光盘信息存储、光纤通信等各应用的需求，半导体激光器的输出 波长也由起初的8 5 0 n m 向两侧扩展，目前已能获得波长范围在5 7 0 n m 至1 6 0 0 n m 室温下连续工作并且输出光功率较大的半导体激光器。工作波长为4 1 7 n m 的i n g a n 型多量子阱半导体激光器及工作波长在4 8 0 n m 的z n s e 型蓝绿光半导体激光器已能 实现室温下连续辐射，并且工作寿命正在不断的延长，目前己能达到上万小时。 a 1 g a l n p 型材料激光器的工作波长已能覆盖从5 7 0 n m 到6 7 0 n m 范围的可见光，寿 命可达2 0 万小时。 ( 4 ) 为得到单频率、波长可调谐、窄带宽及动态单模工作的高性能器件，己发 展了分布反馈布拉格( d f b ) 激光器和分布布拉格反射激光器( d b r ) 。 自8 0 年代以来，吸取了半导体物理的研究成果和晶体外延生长工艺，包括化 学束外延( c b e ) 法、分子束外延( m b e ) 法及金属有机化学气相沉积法( m o c v d ) ，使 半导体激光器采用了量子阱及应变量子阱的新结构，这样半导体激光器的性能得 到了较大的改善。其中最具代表的有：各种量子阱激光器，应变量子阱激光器， 4 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 垂直腔面表面发射半导体激光器和高功率激光器阵列。 量子阱激光器的窄带隙有源层厚度小于电子在该种材料的德波罗意波长，这 样有源层就形成了势阱，两侧宽带隙材料就成为势垒区。这样势阱中电子和空穴 沿着垂直于阱壁的运动呈现出量子化特点，此时电子的状态密度为类阶梯状分布。 所以很小的电流就能达到粒子数反转。因此，量子阱激光器较低的阈值电流及高 微分增益使激光器中光子与电子的偶合时间变得更短，高频调制特性更好。多量 子阱激光器则是由足够厚度的势垒和多个阱交替构成，与单量子阱激光器相比其 输出光功率更大，也有更宽的动态增益谱。单量子阱及多量子阱激光器的结构如 图1 1 所示。新的外延生长工艺可以精确控制晶体生长的厚度，其精度可达原子层 级，且不同材料的交替生长具有平整陡峭的界面，使界面态密度更低，这样人们 就可以利用“能带工程”改变结构参数获得需要的量子阱、超晶格材料使器件的 性能得到优化。 一神媾 f ，争群t 舅r 奄予 絮， 中蛳籀曩 f ， 图1 1 量子阱与多量子阱结构及能带示意图 此后，在一般量子阱的基础上发展了应变量子阱。虽然这种激光器形成阱和 垒的材料晶格常数不同，但只要失配不很大，且有源层厚度小于弹性形变临界厚 度，那么在平行于界面的方向就能形成统一的晶格常数，同时内部也会产生一定 的压应变或张应变。应变量子阱激光器的结构如图1 2 所示。 两南大学硕+ 学伊论文第一章绪论 r 四笋u l 篙萑| | 霎蚕鏊 i 卜 + - 制 涟划甚越 。 圈 圈1 1111 1 , n i t t 图1 2 应变量子阱激光器结构示惹图 在应变量子阱激光器中，势阱区中存在较大的应变，当量子阱结构的应变层 总厚度大于临界厚度，激光器的有源层仍会产生大量失配位错，使激光器性能恶 化，尤其是温度特性将受到很大的影响。为解决上述问题，采用应变补偿的方法 在势垒中引入适当反方向应变使量子阱有源层的总应变量趋近于零，从而使量子 阱的数目和材料生长的临界厚度增加，进一步改善器件性能，特别是温度性能。 1 4 半导体激光器的主要性能 与其它激光器相比，半导体激光器有更多的性能参数。在诸多的参数中，根 据激光器制造者及用户不同的应用目的及侧重点，可以将半导体激光器的相关参 数粗略的分为如下几类【l7 j ： ( 1 ) 电学参数：阈值电流、电压降、最大工作电流、背光电流、串联电阻； ( 2 ) 光学参数：消光比、输出光功率； ( 3 ) 空间光学参数：发散角、远场光强度分布、近场光强度分布； ( 4 ) 动态特性：啁啾、噪声、上升及下降时间、调制间畸变。 ( 5 ) 光谱特性：中心波长、线宽、边模抑制比； 根据人们普遍关心的性能和参数，本节对这些主要的性能参数进行了分析。 1 4 1 半导体激光器的阈值特性 阂值表示激光器增益与损耗( 包括输出损耗与内部损耗) 相平衡的点，超过 阈值以后激光器开始出现净增益。除了氮分子激光器因超辐射性质及微腔垂直腔 表面发射半导体激光器( v c s e l ) 无明显阈值以外，几乎所有的激光器都具有阈值特 性。由于半导体激光器为电流直接注入电子、光子转换器件，所以其阈值通常采 用电流或者电流密度表示。其中电流可以直接测量，而电流密度被用来比较不同 结构的激光器的性能。下面分析了半导体激光器的阈值特性及影响因素。 一、器件结构的影响 6 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 半导体激光器的结构从同质结到单异质结再到双异质结；由块状有源层到超 薄有源层量子阱结构，每次激光器结构的改进都是为了加强对光子及载流子的限 制从而都使激光器的阈值电流及阈值电流密度大幅减小。可见激光器的结构成了 影响阈值的首要因素。 二、温度的影响 半导体材料具有较高的温度敏感性，温度的变化将直接影响半导体激光器的 阈值特性。实验及理论研究表明：温度升高，其阈值电流及阈值电流密度也随之 升高，且升高的程度与激光器材料及器件的结构相关。温度对激光器阈值影响的 原因主要有： ( 1 ) 载流子统计分布与温度密切相关，这将直接影响激光器的增益系数； ( 2 ) 激光腔内载流子的俄歇复合、自由载流子因吸收而引起内部损耗都与温度 相关。 三、材料的影响 半导体激光器有源层的材料为直接带隙跃迁材料，但是，因材料组分变化将 引起的间接带隙跃迁与直接带隙跃迁比率的变化。从而将对激光器的阈值特性产 生一定的影响。 1 4 2 半导体激光器的效率 半导体激光器作为一种高效电子一光子转换的器件。描述其电能转换为光能 效率的定义有许多种，下面讨论几种常用的电光转换效率的定义，并讨论了影响 其效率的各种因素。 一、斜率效率 斜率效率等于输出光子数与注入电子数增加的比率，由于 而y 忍p 圪，所以= 雾警专筹专 当超过阈值时激光器的p i 曲线可认为是直线，并且与阈值相应的输出功率非 常小，可以忽略，所以可以用一些能够测量的物理量来表示斜率效率：叩，( = d p d i ) 打： 墨 ” ( ，一厶) 圪 最一丘 r l ，= _ 在实际的测量中，仇可表示为： 。z 一1 t 其中，鼻表示1 0 额定光功率，与之对应的电流用i l 表示，最表示9 0 额定光功 率，与之对应的电流用1 2 表示。 7 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 二、功率效率 定义为激光器的输入电功率与其输出的能量的比，表示为： 矽p 2垦：堂堂矍塑堂堂垫奎 v + 1 2 激光器消耗的电功率 其中，e ，表示激光器输出功率，y 表示激光器的正向电压降，表示激光器的内 阻，l 表示泵浦电流。 1 4 3 半导体激光器的空间模式 半导体激光器输出有两种模式：横模与纵模。其中横模表示光束沿轴线的光 强分布，又称为远场分布。纵模表示激光器发出的光功率在不同频率之间的分布。 它们都可能是单模也可能是多模输出。 1 4 4 半导体激光器的线宽 半导体激光器的时间相干性通常用光谱线宽来度量，定义为光谱半峰全宽 ( f w h m ) 用从或v 表示。阈值以下谱线宽度在6 0 n m 左右，高于阈值其宽度只 有2 3 n m 或者更小。随着高速光纤通信的发展，对激光器时间相干性的要求越来 越高，此时需要用2 0 d b 的线宽来衡量激光器的抗光纤色散能力。与其它类型的激 光器相比半导体激光器具有较宽的线宽，其原因：l 、有源层载流子密度变化导致 激光输出中相位噪声的增加；2 、半导体激光器较低的q 因子。 1 4 5 半导体激光器的动态特性 半导体激光器较其它激光器的最重要特点之一在于它能被交变信号直接调制， 这在信息技术中颇具重要意义。目前的光纤通信系统中，质量好的半导体激光器 能完成2 0 g b s 信号的直接调制。在调制过程中要求半导体激光器不产生调制畸变， 即对数字信息不产生大的误码，而对图像信息不造成所不允许的失真；不因直接 调制使光谱线宽明显加宽；不产生自脉冲和其它一些因调制而出现的有害效应。 然而与工作在直流状况的半导体激光器不同，在直接高速调制情况下会出现一些 有害的效应，而成为限制半导体激光器调制带宽能力的主要因素。 一、张弛振荡与类谐振现象 数字信息( 以“o ”或“l ”编码) 直接调制的半导体激光器，如电流突然上升到高 电平( 相应于“l ”码) ，则在电流脉冲前沿与被其激励的光之间会有一时延，同时所 产生的光需经一个张弛过程才能达到稳态，这类似于电学中开关突然开启或关闭 时出现的过渡过程。 另一方面，类似于谐振子在电场作用下出现的受迫振荡，加于半导体激光器 上的调制电流也会引起类似的谐振现象，即调制频率达到某一值时出现谐振峰。 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 这使调制频率的提高受到限制。 张弛振荡与类谐振现象虽有不同的物理机制，但几乎有和共振频率相同的振 荡频率。为了抑制张弛振荡和类谐振现象。已实践过某些方法： ( 1 ) 外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。但这种注入锁定方式须使注入光的波长与被注入激光器的主模波 长一致，技术难度大。 ( 2 ) 自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将l d 输出的部分以张弛振荡 周期的o 2 0 3 倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用外部 l c r 滤波电路来分流高频分量以防其注入有源区而能抑制类谐振现象。 ( 3 ) 窄条半导体激光器。减窄条宽能减少载流子扩散的影响，稳定横模，也能 抑制张弛振荡和类谐振现象。 二、啁啾限制 不论是单纵模还是多模激光器，也不论是g a a l a s 还是i n g a a s p 半导体激光 器，在对其进行高速直接调制时会出现时间平均的光谱线宽加宽、自脉冲或增益 开关高速脉冲，从而构成退化系统性能的所谓“啁啾限制”。激射波长啁啾是由于在 瞬态过程的阻尼张弛振荡期间，由载流子密度起伏所产生的折射率调制，它使光 脉冲的前沿和后沿相对中心波长发生漂移。对高速直接调制的半导体激光器，啁 啾是难以避免的，可引起十分之几纳米的线宽加宽。由于光纤的色散，单模光纤 通信系统将为啁啾付出所不希望的功率代价。 1 5 半导体激光器的应用 半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，其种类己超过3 0 0 余种， 已成为当今光电子科学的核心技术。其应用领域己覆盖了整个光电子学，包括在 激光通信、激光制导跟踪、激光雷达、检测仪器、光传感、激光打印、条形码扫 描、激光测距、引燃引爆、光盘、自动控制、集成光学等领域的应用，其市场前 景广阔。现将半导体激光器在各个领域中的应用简单介绍如下。 1 5 1 半导体激光器在光通信中的应用 空间通信、海底通信、各单位内部的通信等等都与光通信技术密切相关。人 类铺设的第一条海底光纤通信系统就采用的是工作波长为1 3l am 的f - p 激光器及 单模光纤，全长6 7 0 0 k m ，中继间隔7 0 k m 。速率2 8 0 d b s 的两对工作光纤可同时实 现3 7 8 0 0 路的通话，把美国、英国、法国联系在一起。下一步准备用工作波长为 1 5l am 的分布反馈半导体激光器及单模光纤建设的第二代大西洋海底光纤通信系 统，同样采用两对工作光纤，每对的传输速率达到5 6 0 i v l b s ，中继变得更长为1 0 0 k m 。与中继间隔9 0 k m ，可同时实现4 8 路通话的第一条大西洋海底同轴电缆通信系 9 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 统相比，代号为t a t - 7 的大西洋海底同轴电缆通信系统，中继9 k m ，可同时实现 4 0 0 0 路的同时通话，这充分体现了光纤通信系统的优势。此后，该系统被广泛建 立各大洋海底，如：建立在太平洋海底的连接日本与美国的代号为t p c 一3 光纤通 信系统，代号为h a w 一4 连接美国与夏威夷、关岛的光纤通信系统。这些建立在海 底的光纤通信系统与陆地光纤通信系统将把整个世界联系在一起。而在这些光纤 通信系统中半导体激光器起了至关重要的作用，通过半导体激光器的电光转换作 用将表示图像、声音信息的电信号转换成光信号并耦合进光纤中。另外相干光通 信技术也成为了研究的热点，目前，在英国已有一条相干光通信线路通过了测试， 其传输速率可达到5 6 5 m b s ，而中继为1 7 0 k m ，在海底中继可以变得更长，预计可 以达到2 5 0 k m 。这较前面的通信系统具有明显的优势。但这一技术将对激光器提出 更高的要求，要求发射端激光器能输出高质量单频、窄线宽的激光，同时要求接 收端激光器也为单频、窄线宽并且连续可调。为了补偿由于光学元件引起的光损 耗，在发射端还加入一个光放大器。在其它的光纤通信系统中半导体激光器起的 作用大同小异，不过不同的系统对激光器的性能要求各不相同，如t a t - 8 这样的 海底光纤通信系统要求激光器具有较高的寿命；而相干光通信则要求激光器单频、 窄线宽工作。 1 ，5 2 半导体激光器在光存储系统中的应用 自1 9 6 2 年第一台半导体激光器诞生以来，经过4 0 多年的研究、开拓，半导 体激光器被广泛应用在通信互联、精密测量、距离制导、存储显示及信息处理等 诸多领域中。然而在半导体激光器的世界市场中销售量最多、销售额最大的当属 用于光存储的红光及红外半导体激光器。 光存储技术就是利用激光高度的相干性及高度的单色性，将需存储的信息通 过调制的激光束聚焦到记录物质上，使存储物的光照区发生物理化学变化，实现 光学存储。其存储能力较强，一张普通的光盘可以存储超过7 2 卷的“中国大百科 全书”。近年来以d v d 为代表的新一代光学存储技术正在迅速的发展。如果采用 更短波长的激光器，可实现多维、多层、多值及可擦除的光存储。在目前世界半 导体激光器市场上，用于d v d 的红光激光器的销量大，并且以每年2 位数增长， 这使得世晃大多数发达国家投入巨资研发更高性能的红光半导体激光器。通过改 善激光器的材料生长、制造及封装工艺等环节，使激光器的性能不断优化，包括： 输出功率不断增大，输出光斑不断减小，寿命增长，温度特性不断改善，相对强 度噪声减小，调制速率不断提高。 为了满足光刻腐蚀，通过衬底选择，有源层量子阱结构设计，提高参杂浓度 改善半导体激光器的性能；通过减少载流子局限、窗口效应及改善腔面镀膜减少 1 0 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 能量损耗，使激光器的输出功率提高。采用多波长激光器可以增加光存储密度， 并且可以用于c d d v d 兼容。 据报道，索尼公司已开发了单片型双波长激光器，可用于刻记录型d v d 光盘。 最近又推出了适合高清晰度d v d 刻录的三波长激光器。可见半导体激光器在光存 储的应用具有较广阔的前景。 1 5 3 半导体激光器在医学领域的应用 半导体激光器因其工作波长范围宽，波长可选择，其在临床应用中己覆盖了 其它激光器在该领域中的应用范围，包括光谱技术、临床标本及组织的检测与诊 断、干涉技术及临床治疗。 1 、在医学中的监测与诊断 i 激光全息摄影 半导体激光器为细胞分析提供了最先进的仪器，为激光医疗器件的小型化拓 宽了道路。 激光全息技术就是利用干涉原理记录物体的光波信息，被摄物体在激光辐照 下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束 叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从 而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条 纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；其 第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成像过程：全息图犹如一个复杂 的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给 出两个像，即原始像( 又称初始像) 和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实 的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每 一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个 不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。激光全息图常用在牙科、眼科及 乳腺癌、膀胱癌等的诊断中。 要得到质量高的全息图，对激光器的相干性要求很高。虽然与氦氖激光器、 红宝石激光器相比半导体激光器的相干性相对较差，光斑分布很不均匀，在调节 光路的时候也较为麻烦，但是通过应用多模光纤术这些问题可以得到很好的解决， 从而克服了半导体激光器在全息摄影上的缺陷与不足。 i i 激光共聚焦扫描显微镜 激光扫描显微镜是激光技术在医学领域的又一重要应用。它分为单光子激光 扫描显微镜与多光子激光扫描显微镜，前者是分析细胞学的研究工具，具有成像 清晰、客观精确的特点。而后者在三维分辨率、背光灯、信噪比等方面具有广泛 两南大学