激光原理与技术 （原理、技术、应用全套教案）第八章.doc

激光原理与技术 第八章第八章 半导体激光器第一节 半导体中光增益 能带结构：价带，禁带，导带 直接带隙、间接带隙 平衡态时，电子位于价带 非平衡态时，部分电子有可能位于导带，电子由导带向价带跃迁时，产生光子辐射。 实现非平衡状态的方法：激励（大电流注入到特定的半导体结构中）第二节 半导体激光器的典型结构一、 常用材料体系1短距离光通信和固体激光器泵浦源, GaAs和Ga1-xAlxAs:850nm 2长程光通信光源，InP和Ga1-xInxAs1-yPy：1300,1480, 1550nm3光存储 1）Ga1-xAlxAs/GaAs:780nm 2）In0.5(Ga1-xAlx)0.5P:630nm-680n；3）GaN和In1-xGaxAl1-yNy:350nm-530nm二、典型结构三、 x方向的光约束和载流子约束 1）双异质结的折射率分布 2）大光腔结构 3）分别约束异质结构四、 y方向的光约束和载流子约束 1)强折射率波导2）弱折射率波导3）增益波导第三节 半导体激光器的主要性能 半导体激光器有关特性参数可以分为以下几类： (1)电学参数：阈值电流、最大工作电流、电压降、背光电流、串联电阻； (2)空间光学参数：近场、远场光强分布、发散角 (3)光谱特性：线宽、中心波长、边模抑制比； (4)光学参数：输出光功率、消光比； (5)动态特性：噪声、调制间畸变、上升和下降时间、啁啾。一、半导体激光器的阈值特性阈值是所有激光器的属性。标志着激光器的增益与损耗(包括内部损耗和输出损耗)的平衡点。半导体激光器是直接注入电流的电子一光子转换器件，因此阈值常用电流密度或电流来表示。1.器件结构的影响 异质结、双异质结、量子阱材料结构2.材料的影响 直接带隙、材料生长工艺3.温度的影响 半导体的特性对温度是很灵敏的，温度的变化对半导体激光器的阈值产生明显的影响。温度升高，半导体激光器的阈值电流密度或阈值电流升高，增大的幅度随不同激光器的材料体系和器件结构而异。二、阈值电流的测定方法1 直线拟合法 半导体激光器功率一电流(P一I)曲线在阈值以上的直线部分延长与电流坐标轴相交点对应的电流值即定为Ith.该方法简单且常用，但不精确，只适合于对Ith粗略估计。2 两段直线拟合法 将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为Ith,该方法的优点是较简单，考虑了自发发射对阂值的影响。这对一般只有电流表和光功率计的用户来说可能是最好的方法，但对那些阈值很低或阈值前的区域有非线性的情况，这种方法的精确性仍然是有限的。3 一次微分法 对半导体激光器的P一I曲线作一阶导数处理。取阈值以上从最小至最大值这段直线的平分点对应的电流为Ith。能较精确地测量阈值,当噪声严重时，测得的阈值不稳定。4二次微分法在阈值附近，P一I曲线有大的曲率，该方法是搜索出最大曲率的点所对应的电流为阈值。优点是能精确地跟踪阈值附近P一I曲线的弯曲部分，且不受P一I曲线形状的影响，能精确地确定Ith；其缺点是同样易受噪声的影响。三、半导体激光器的效率功率效率表征加于激光器上的电能(或电功率)转换为输出的激光能量(或光功率)的效率，定义为 外微分量子效率定义为输出光子数随注入的电子数增加的比率，有基于在激光器阈值以上的P-I曲线几乎是直线；同时在Ith对应的输出功率严，Pth很小，可忽赂不计，也不去涉及光子数与电子数，而用一些可测量(激光器输出功率Pex：和注入电流I)来表示斜率效率S(dPdI)在实际测量中，S由下式得出四、半导体激光器的空间模式 半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。前者描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。由于有源层厚度很薄(约为0.15m)，都能保证在单横模工作；而在侧向，其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为