




已阅读5页,还剩50页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
激光原理与技术 党学明仪器科学与光电工程学院合肥工业大学 1 综述 优点 体积小 寿命长 并可采用简单的注入电流的方式来泵浦 工作电压和电流与集成电路兼容 因而可与之单片集成 可用高达Ghz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出 半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器 在激光通信 光存储 光陀螺 激光打印 测距以及光雷达等方而已经获得了广泛的应用 2 综述 其中泵浦方式有三种 电注人式 光泵式和高能电子束激励式半导体二极管激光器的光学谐振腔是介质波导腔 其振荡模式是介质波导模 原则上应用边界条件求解介质波导中的麦克斯韦方程组可解求得这些模式本章将首先引入晶体中的能带概念 随后描述半导体中的电子状态 接下来的几节循序渐进地阐述半导体激光器的工作原理及其发展 最后介绍半导体激光一些重要的应用 3 第四章半导体激光器 第一节半导体的能带结构和电子状态 主要内容 4 第四章半导体激光器 第五节半导体激光的波长与线宽 主要内容 5 第一节半导体的能带结构和电子状态 一 能带概念 量子力学计算表明 固体中若有N个原子 由于各原子间的相互作用 对应于原来孤立原子的每一个能级 变成了N条靠得很近的能级 称为能带 由于N值通常很大 如 1023 cm 3左右 分裂出的能级十分密集 形成一个能量上准连续的能带 称为允许能带 而由原子不同能级分裂成的允许能带之间则是禁戒能带 简称禁带 6 第一节半导体的能带结构和电子状态 能带的宽度记作 E 数量级为 E eV 若N 1023 则能带中两能级的间距约10 23eV能带的特点 1 越是外层电子 能带越宽 E越大 2 点阵间距越小 能带越宽 E越大 3 两个能带有可能重叠 7 第一节半导体的能带结构和电子状态 固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上 电子的填充原则 服从泡利不相容原理 服从能量最小原理设孤立原子的一个能级Enl 它最多能容纳2 2l 1 个电子 这一能级分裂成由N条能级组成的能带后 能带最多能容纳 2l 1 个电子 8 1 满带 排满电子 价带 2 价带 价电子能级分离后形成的能带 能带中一部分能级排满电子 3 导带 未排满电子的价带 3 空带 未排电子 空带也是导带4 禁带 不能排电子 9 第一节半导体的能带结构和电子状态 半导体材料Si和Ge为例 每个原子有4个价电子 在原子状态中s态和p态各2个 由轨道杂化重新组合的两个能带中各含 各状态 较低的一个正好容纳 个价电子 所有的电子排满了s轨道 只有当能带被电子部分填充时 外电场才能使电子的运动状态发生改变而产生导电性 这些材料低温下不导电 在温度较高时 部分电子从价带激发到导带 表现出导电性 Eg 10 第一节半导体的能带结构和电子状态 二 半导体中的电子状态用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定鄂方程实现的 然而 由于固体中所含原子数量极大 对每个电子求解薛定鄂方程是根本不可能 只能采取某种近似的方法 其相应的能量本征值为V所有其他电子对某一电子的相互作用视为叠加在原子实周期势场上的等效平均场 并用V r 表示 势场的周期为晶格常数a k为波数 me为电子质量则动能 11 第一节半导体的能带结构和电子状态 在k足够小的范围内 可将Ek展开为Maclaurin 麦克劳林 级数 且只保留前两项 得到其中 meff称为电子的有效质量 与me不同 meff既可以取正值 也可以取负值 在k 0附近 E k 仍按抛物线规律随k变化 抛物线的开口方向由meff的符号决定 当 eff 时 开口向上 相应的能带称为导带当 eff 时 开口向下 相应的能带称为价带 12 第一节半导体的能带结构和电子状态 导带底和价带顶对应着相同k值 即k 0点 导带底和价带顶的能量间距称为禁带宽度禁带宽度用Eg表示 导带和价带的极值位于k空间同一点 但一般不要求是k 0点 的半导体称为直接禁带半导体另有一类在电子学中非常重要的半导体材料 如Si和Ge等 导带底和价带顶不在k空间同一点 称为间接禁带半导体 13 第二节激发与复合辐射 一 直接跃迁和半导体激光材料半导体中的电子可以在不同状态之间跃迁并引起光的吸收或发射 纯净半导体 则自由载流子和杂质原子都很少 与之相应的吸收过程很微弱 主要的吸收由价带向导带的跃迁引起 并称为基态吸收或本征吸收 常用 0表示本征吸收系数 能引起本征吸收的光子能量必须大于某一阈值 该阈值大体等于禁带宽度Eg 本征吸收在阈值附近的吸收谱称为吸收边 与吸收过程对应的是发射 在发射过程中 电子从导带跃迁到价带 并与那里的空穴进行复合 同时发射一个光子 因而称之为复合辐射 14 第二节激发与复合辐射 电子在跃迁过程中必须满足动量守恒 在光跃迁中hk hk hkpt式中 k和k 分别为电子初态和末态波矢 kpt为光子波矢 通常kpt比k小4个量级左右 因此 可以认为纯光跃迁过程满足选择定则hk hk电子的跃迁发生在k空间同一点 并称之为竖直跃迁或直接跃迁在直接跃迁中 辐射光子满足 15 第二节激发与复合辐射 如果跃迁发生在波矢相差较大的两态之间 则表明有声子参加过程动量守恒有hk hk hkpn式中 kpn为声子波矢 kpn一般比k小1个量级左右 初态与末态相应于k空间不同点的电子跃迁称为非竖直跃迁或间接跃迁 在这种跃迁中 发射或吸收一个光子的同时 必须伴随发射或吸收一个适当波数的声子 以满足动量守恒 因而属于二级过程 其几率比属于一级过程的纯光跃迁小得多 故不适合用于激光发射 16 第二节激发与复合辐射 直接禁带能带结构的半导体 并简称之为直接禁带材料 在直接禁带半导体中 电子有效质量较小 并随禁带宽度的增加而增加 禁带宽度则大体随平均原子序数的减小而增加 半导体激光材料 族半导体一类以GaAs和AlxGa1 xAs x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数 为基础 发射波长取决于x值及掺杂情况 在0 85 m左右 主要用于短距离光纤通信和固体激光泵浦 另一类以InP和InxGa1 xPyAs1 y为基础 由x和y决定的波长范围一般为0 92 1 65 m最常见的有1 3 m 1 48 m和1 55 m 其中 1 55 m的辐射在光纤中传输时损耗可小至0 15dB km 这使长距离光纤通信成为可能 17 第二节激发与复合辐射 价化合物 典型的如ZnSe 低温工作可得到0 46 0 53 m的辐射 室温输出0 50 0 51 m GaN可望得到蓝光和紫外半导体激光器 在长波段 以GaSb和GaInAsSb AlGaAsSb为工作物质的激光器可在30 下连续工作输出2 2 m的辐射 而基于价带内不同能量位置的跃迁 可望获得50 250 m连续可调的输出 18 第二节激发与复合辐射 二 态密度和电子的激发服从pollay不相容原理的电子服从费米统计规律 对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率f E 服从费米分布 被空穴占有几率其中 EF称为Fermi能级 在Fermi能级之上 离Fermi能级越远 被电子占据的几率越小 被空穴占据的几率越大 在Fermi能级之下 情况恰好相反 离Fermi能级越远 被电子占据的几率越大 被空穴占据的几率越小 19 第二节激发与复合辐射 在未掺杂的本征半导体中 Fermi能级处于价带之上 导带之下的禁带内 即有 导带能级被电子占据的几率为被空穴占据的几率为 当T 0K时 ce E 0 ch E 1价带能级被电子占据的几率为被空穴占据的几率为 当T 0K时 ve E 1 vh E 0 20 第二节激发与复合辐射 导带宽度一般为若干电子伏 能带的宽度记作 E 数量级为 E eV 其中 电子主要分布在相当于平均动能kT的范围k 1 38 10 23 1 6 10 19 0 86 10 4eV K 1 室温300K k 0 026eV 因此 费米分布可简化为波尔兹曼分布 导带 21 第二节激发与复合辐射 导带中只有很少量电子 且服从Boltzman分布定律 集中在相对靠近EF的导带底部 价带基本被电子占满 只有少量空穴 且按照Boltz man分布律集中在相对靠近EF的价带顶部 价带 22 第二节激发与复合辐射 在平衡状态下 本征半导体材料中的电子基本处于价带 导带中只有很少电子 且主要集中在导带底部 当材料受到某种激发时 价带中的部分电子跃迁到导带 并在价带中形成与激发电子等量的空穴 导带中的电子可以自发地 或受激地向下跃迁回到价带 与那里的空穴复合 导致复合发光 可见半导体材料中的导带和价带分别相应于二能级原子系统中的激光上 下能级 23 第二节激发与复合辐射 三 非本征半导体材料 pn结半导体知识 本征半导体是指纯净的半导体本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间 其导电性是由于自由电子从价带跃迁到导带上 形成自由电子及空穴造成的1 电子导电 半导体的载流子是电子2 空穴导电 半导体的载流子是空穴掺杂杂质原子比材料原子多一个或少一个电子 则在能带结构中 通常使带隙中接近带边处产生附加能级 在多一个电子的情况下 附加能级接近导带 杂质能级上的电子室温下很容易进入导带 使导带中产生大量过剩电子 这种材料称为n型材料 而杂质称为施主 24 第二节激发与复合辐射 若掺杂原子比材料原子少一个电子 则附加能级接近价带 其上的空穴很容易进入价带 使价带中出现大量过剩空穴 这种材料称为p型材料 而杂质称为受主 掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流子 P掺杂三价元素 杂质 载流子主要是空穴 而杂质称为受主N掺杂5价元素 杂质 载流子主要是电子 而杂质称为施主p型材料和n型材料接触时形成pn结 25 第二节激发与复合辐射 1 当两种材料未接触时n型材料导带中有过剩电子 相当于EF上移 p型材料价带中有过剩空穴 相当于EF下移 这时不同区域有各自的Femi能级两种材料实际为同一种基质中分别掺以施主或受主杂质 则形成的pn结称为同质结 如果两种材料的基质不同 则得到异质结 26 第二节激发与复合辐射 2 当两种材料接触时 过剩电子和空穴分别由n区和p区向对方扩散 在结区边缘建立空间电荷 两区的EF逐渐接近 直到平衡时两者相等 此时空间电荷形成电压V0 从n型区指向p型区 相当一个高势垒 从而阻止扩散继续进行 在没有外电场的情况下 上述过程很快结束 扩散电流停止 27 2019 12 27 28 第二节激发与复合辐射 3 加正向偏压正极接p型材料 则能量势垒明显降低 电流得以维持 大量多数载流子向相邻区域运动 即n型材料中的电子流入p型区 使p型区中的电子增加 p型区中的空穴流入n型区 使那里的空穴增加 电子在向p区扩散过程中逐渐减少 而这种减少正是与那里的空穴发生复合较好的结果 即在这个过程中辐射光子数增加 因而称这一区域为有源区 其厚度与载流子的扩散长度具有相同数量级 对早期同质结半导体激光材料 大致在2 4 m范围 29 第三节激光振荡条件 而受激吸收过程对入射光的增益G2则为负 衰减 且与导带被空穴占据的几率及价带被电子占据的几率成正比 即G2 0 h PchPve受激辐射 受激发射过程对入射光的增益G1为正 且与导带被电子占据的几率及价带被空穴占据的几率成正比 即G1 0 h PcePvh 一 半导体中的光增益如前所述 半导体材料的导带和价带相应于二能级原子系统的上 下激光能级 因此 适当波长的光与材料发生作用时 也有受激吸收和受激发射两种过程同时发生 受激吸收 30 第三节激光振荡条件 其中 0为导带能级全部被电子占据 Pce 1 价带能级全部被空穴占据 Pvh 1 时的增益 或者说是导带能级全部被空穴占据 Pch 1 价带能级全部被电子占据 Pve 1 时的本征吸收 注意到Pce Pch 1 Pve Pvh 1易得受激发射和受激吸收对光作用的总效果为 而有净增益的条件为Pce Pve 0 31 第三节激光振荡条件 即导带能级被电子占据的几率大于价带能级被占据的几率 但由前面的讨论可知 本征半导体平衡状态下电子几乎全部处于价带 导带基本全空 因而 满足式Pce Pve 0的分布属于反转分布状态 和二能级原子系统的反转分布条件Nu Nlgu gl相对应 在受激吸收过程中 价带中能量为Ev E h 的电子只能吸收1个能量为h 的光子跃迁到导带中Ec E的未被电子占据的空能级上 而在受激发射过程中 Ec E上的电子也只能跃迁到价带中Ev E h 且未被电子占据的能级上 同时辐射1个能量为h 的光子 32 第三节激光振荡条件 可见在非平衡态下 准Fermi能级不再位于禁带区 而是分别进入导带与价带内 而为使pn结实现粒子数反转分布 需满足两个条件 掺杂浓度足够高 使准Fermi能级分别进入导带和价带 正向偏压V足够高 使eV Eg 从而EcF EvF eV h 33 第三节激光振荡条件 二 损耗和阈值振荡条件半导体二极管激光器也包含一个光学谐振腔和有源介质 当光在腔中传播时 除上小节所描述的增益外 还会经历各种损耗 只有当增益大于所要克服的损耗时 光才能被放大或维持振荡 损耗用 i cm 1 概括 主要包括衍射 自由载流子等引起的非本征吸收及各种损耗 此外 还有端面反射R1 R2所引起的损耗 34 第三节激光振荡条件 对长度为L的腔 初始强度为I0的光在腔内一次往返后变为可得阈值增益为 i主要由自由载流子的吸收引起 其大小正比于载流子浓度n 室温下 对GaAs材料 有经验公式 i 0 5 10 17n cm 1 其中 n包括本底载流子浓度n0和阈值条件下注入载流子浓度nth 单位cm 3 典型值 当n 2 1018cm 3时 i 10 1cm 1 35 第三节激光振荡条件 在实际情况下 光场不可能完全被约束在有源区 但是只有在有源区中传播的光才能获得增益 在有源区外传播的光得不到增益 却要经受由吸收和反射引起的传播损耗 而振荡条件下这些损耗也必须由有源区的增益来补偿 如果引入光限制因子 表示有源区能量和有源区及无源区总能量之比 并设无源区的吸收系数和端面反射率分别为 i和R 1 R 2 则上式将被更普适的关系 或者 分别表示有源区内的总损耗因子和有源区外的总损耗因子 36 第三节激光振荡条件 当光限制作用很强 以至 1时 0 随着光限制减弱 减小 的作用越来越明显 通常可设R 1 R1 R 2 R2 若进一步假定 i i 则为 在半导体激光器中 小信号增益系数一般在5000 10000m 1之间 因而 单次通过便足以克服增益介质内的固有分布损耗 式中 d为电流方向有源区厚度 为辐射复合速率与总复合速率之比 称为内量子效率 而 和j0是随温度变化的两个参量 37 第三节激光振荡条件 只有当增益等于或大于总损耗时 才能建立起稳定的振荡 这一增益称为阈值增益 为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时 才能成为工作模式 即在该频率上形成激光输出 有2个以上纵模激振的激光器 称为多纵模激光器 通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法 可以使激光器只有一个模式激振 这样的激光器称为单纵模激光器 38 第四节异质结半导体激光器 同质结图 a 为基本的p n结激光 称为激光 GaAs 沿着垂直于 110 轴的方向劈成一对平行面 外加适当的偏压条件时 激光就能从这些平面发射出来 图中仅示出前半面的发射 二极管的另外两侧则加以粗糙化处 以消除激光从这两侧射出的机会 这种结构称法布里 波罗腔 其典型的腔长度L约300 m 法布里 波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中 39 第四节异质结半导体激光器 特点 为产生明显的复合辐射所要求的电流密度很高 容易导致材料损伤 由载流子向相邻材料渗透距离决定的电流方向结区厚度达数微米 为能提供足够激励会产生多余而有害的热量 同质结激光器只能在非常低的温度下工作 目前己很少用 美国的H Kroemer和前苏联的Zn I Alferov等早在1963年就提出了异质结二极管激光器的设想 I Hayashi等人于1970年首次实现了GaAs A1GaA 异质结激光器室温下的连续工作 40 第四节异质结半导体激光器 2 异质结1 单异质结研究发现同质结复合发射大部分发生在P区增加电子势垒 压缩电子在结区 降低阀值电流 41 第四节异质结半导体激光器 2 双异质结 42 第四节异质结半导体激光器 双异质结 DH LD由三层不同类型的半导体材料构成 不同材料发不同的波长 结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层 两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层 三层半导体置于基片上 前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔 光从有源层沿垂直于PN结的方向射出 43 第四节异质结半导体激光器 这样的激光器面积大 称为大面积激光器 为解决侧向辐射和光限制问题 实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构 一 增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里 这样的激光器称为条形半导体激光器 其结构如图所示 将一绝缘层介质 SiO2 淀积在P层上 中间敞开以注入电流 由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的 这样的激光器称为增益导引型半导体激光器 44 第四节异质结半导体激光器 二 折射率导引型半导体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导 引入折射率差 也可以解决在侧向的光限制问题 这种激光器称为折射率导引型半导体激光器 45 第五节半导体激光的波长与线宽 一 域值电流密度 激光工作中最重要的参数之一是域值电流密度Jth 亦即产生激光所需的最小电流密 下图比较同质结激光与DH激光的域值电流密度Jth与工作温度的关系 值得注意的是 当温度增加时 DH激光增加的速率远低于同质结激光增加的速率 由于DH激光在300K具有低值 所以DH激光可以在室温下连续工作 这样的特性增加了半导体激光的应用范围 尤其是在光纤通信系统中 46 第五节半导体激光的波长与线宽 二 光谱特性图为GaAlAs双异质结激光器的光谱特性 波长取决于激光器的光学腔长 称为激光器的纵模 47 第五节半导体激光的波长与线宽 当驱动电流足够大时 多纵模变为单纵模 称为当驱动电流足够大时 多纵模变为单纵模 称为静态单纵模激光器 三 激光束的空间分布近场是指激光器反射镜面上的光强分布 远
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 2024-2025学年河南省郑州市八十八中八年级(下)期中数学试卷(含答案)
- 养殖小区出租合同范本
- 房东日常收租合同范本
- 公共平台转让合同范本
- 夫妻买房的合同范本
- 空房公寓出租合同范本
- 自家车队维修合同范本
- 车位分期还款合同范本
- 定制制服服装合同范本
- 农业种植西红柿合同范本
- 艺术课程标准(2022年版)
- 集团公司校园招聘计划实施方案
- 癫痫所致精神障碍
- 卫生部手术分级目录(2023年1月份修订)
- 电荷及其守恒定律、库仑定律巩固练习
- YY 0666-2008针尖锋利度和强度试验方法
- 小沈阳《四大才子》欢乐喜剧人台词
- 全套课件-水利工程管理信息技术
- 缝纫机线迹图示教学课件
- 2022年衡阳市南岳区社区工作者招聘笔试题库及答案解析
- 阀门解体检修及研磨(课堂PPT)
评论
0/150
提交评论