第5章 半导体激光器(LD)：静态特性_蓝色(全)ppt课件

.,第4章半导体激光器:静态特性,.,1.引言；2.自发辐射与受激辐射；3.光学谐振腔；4.阈值特性；5.先进LD：电子特性的改进；6.先进LD：光学特性的改进。,.,I.引言LED是在显示、通信、照明等领域广泛使用的光源，其优点是结构简单、价格低廉、性能可靠。但LED作为通信用光源的话存在诸多缺陷：输出频谱（线宽）大；响应速度慢，调制带宽小；LED是非相干光源。LED的输出线宽大约比LD的输出线宽大2个数量级，而其带宽则比LD带宽小得多。无法用于高速、远距离通信，只能用于低速、短距离传输，例如局域网、接入网（ONU无色化）等。,.,LaserDiodee-h对在高质量的光学谐振腔中复合,LED发光特性,输出频谱宽,自发辐射，响应速度慢，带宽小,使用“光谐振腔”提高特定频率的辐射强度,利用受激辐射提高e-h对的复合率,改进措施,.,LD的主要优点：输出功率高（相对LED）；体积小；发光效率高；输出频谱窄；响应速度快，带宽大。激光器是利用受激辐射产生光子，其激励方式(能量注入方式)有：电流注入（利用PN结结构的载流子注入）；电子束注入；激光注入；碰撞电离。（？）,.,II.自发辐射与受激辐射自发辐射特点：自发辐射是随机过程；发出的光波是非相干光；光子能量大体相等，约等于材料带隙；相位与方向各不相同。受激辐射特点：发出的光是相干光；光子相位、方向与引起辐射的光子一致。,.,普通激光器工作过程：一般激光器的工作过程涉及到原子的能级跃迁。以二能级系统为例，其过程是：在外界能量注入条件下，原子中的外层电子吸收能量，跃迁到高能级。在高能级的原子态并不稳定，如果此时有光子从有源区穿过，则会激励此高能原子，使电子由高能级跃迁回低能级，同时放出一个光子，此光子与引起辐射的光子在频率、相位、方向上完全一致。半导体激光器工作过程：在半导体激光器中，有源区发光过程涉及到两种载流子。其过程是：正向偏置电压下，外界注入高能载流子，注入的电子能级位于导带，在导带底附近，注入的空穴能级位于价带，在价带顶部附近。在穿过有源区的光子激发下，导带电子落入价带，与价带空穴复合，产生光子，此光子与激发复合过程的光子在频率、相位、方向上亦完全一致。,.,能量吸收,自发辐射,受激辐射,1.三种过程,.,2.LD产生激光出射的过程：正向偏置下，首先由器件内部的有源区自发辐射产生光子，这些光子中的极少一部分会引起受激辐射，这些光子就是LD受激辐射发射激光的源头；LD工作在高电场条件，即外界激励很强，载流子浓度高，有源区达到粒子数分布反转；光谐振腔的存在，使其中一部分光子因满足谐振条件而迅速增强，逐渐在整个光波中占有绝对优势，最终克服器件损耗，形成稳定的激光输出。,.,3.粒子数分布反转在无外界注入条件下，绝大多数电子都位于低能级，粒子数分布反转是指由于能量注入，使得高能级上的电子数反而比低能级电子数更多，这是普通激光器的粒子数分布反转。对于半导体激光器，工作过程涉及到两种载流子，其粒子数分布反转是指在一定能量范围内，导带内的电子比价带内的电子还要多。在平衡状态下（无外界载流子注入），两种能级上的电子数目分别是：,.,在非平衡状态下（有载流子注入），导带能级和价带能级被电子占据的几率分别是：,.,假设引起LD受激辐射的光束强度为，则有源区的受激辐射率为：,吸收率为：,distributionofparticlesreversed,.,达到粒子数分布反转的必要条件是：高注入；高掺杂。,.,III.激光器结构：光学谐振腔F-P（Fabry-Perot）腔,限制层,限制层,粗糙面,激活层,输出光,左右两个侧面为平行的抛光面,.,F-P腔的主要构造：P-N结结构；与P-N结面垂直的两个镜面；电极及热沉。,2.常见光腔种类：F-P腔含周期光栅的分布反馈式光腔（DFB和DBR）含特殊反射器的表面发射腔,.,3.F-P腔的共振频率：包括F-P腔在内的所有光学谐振腔都是共振腔，满足共振条件的频率会由于干涉相长原理而加强，不满足共振条件的频率则会在两端面反射多次后逐渐减弱，最终，满足共振条件的频率在输出光谱中占绝对优势。根据相长干涉条件，光波从某点出发经过两个端面的反射，最后回到出发点时，其相位变化应该是的整数倍。由此推出满足谐振条件的光波长为：对应的共振频率为：,.,光腔的共振频率又称为光腔的纵模。由纵模的表达式，容易理解：光腔的纵模是周期性的，理论上，光腔中可允许存在无限多个纵模，并且纵模都是等间隔的。相邻纵模之间的频率间隔为：,.,4.光波限制因子其物理含义是指限制在有源区中的光波在整个光腔内的所有光波中所占的比例。,.,光波限制因子是衡量有源区对光波限制作用的强弱的参数，其大小与激光器的结构有关，不同的激光器其光波限制因子有很大差别。例如：体材料半导体激光器，如F-P腔LD，光波限制因子接近于100%；量子阱半导体激光器，由于有源层很薄，对光波的限制能力弱，其光波限制因子大约只有1%左右。,.,【例4.1】一个GaAs材料制作的F-P腔半导体激光器，其腔长为L=200um，GaAs材料的折射率为3.66。计算：（1）纵模之间的频率间隔；（2）纵模之间的能量间隔。,.,5.光吸收、损耗与增益（1）增益系数在激光器内部，同时存在光的吸收和光辐射过程，因此，光吸收和光增益是同时存在的，在不同条件下，增益的情况不同。1）在达到粒子数反转条件之前，材料内部的吸收过程要比光辐射过程更强烈，光的增益是负值，即此时材料对光表现为净吸收：,净吸收,光波在有源层的传播规律为：,.,2）达到粒子数反转条件之后，材料内部的受激辐射过程要比光吸收过程更强烈，光的增益是正值，即此时材料对光有放大作用：,增益系数：,.,小注入条件下，无法达到粒子数反转，有源区吸收程度大于受激辐射，增益为负值；随注入增加，达到粒子数反转条件，增益逐渐变为正值；除了有源区增益系数外，腔体总的增益系数为表征了腔体对光波的总的增益。,.,（2）光腔内部的主要损耗过程限制层及电极区对光子吸收所带来的损耗(如这些区域内的杂质等引起的光吸收)；光子由腔体内逸出所导致的损耗(部分光子其传输方向并不与出射面垂直，斜入射出腔体)；载流子对光子的吸收造成的损耗；出射面的光子出射损耗(对内部光波而言，输出的光波引起损耗)。,.,要形成稳定的激光输出，光波在腔体内部传输来回反射传输时，其强度至少要保持不减小，即光波在两个界面来回反射两次并回到其出发点时，其强度应保持不变，这就是激光输出的阈值条件：,考虑到多种损耗因素，可将所有损耗用表示，称为腔内损耗，则光波在腔体内传输时，其强度变换规律为：,.,假设垂直于光波出射方向的两个端面其折射率相同，即：,则激光器的阈值增益为：,要满足上述条件，则腔体增益为下式所示，称为“阈值增益”,其中，为腔体两端面的损耗。,.,【例4.2】GaAs制作的F-P腔LD，腔内损耗为，其端面损耗与腔内损耗相等，计算此F-P腔的长度。,解：本例中，腔内损耗与端面损耗相等，即：,由于GaAs与空气界面的反射率为0.33，可计算腔长：,.,IV.激光器在阈值附近特性及其输出特性：1.光子的速率方程当注入电流较小，激光器工作在阈值以下时，激光器内部的辐射以自发辐射为主，此时输出的光为荧光；注入电流较大，激光器工作在阈值以上时，激光器内部的受激辐射逐渐增强，最终开始发射激光。分析激光器内部的工作过程，可以从光子的速率方程入手：,光子密度的变化率(单位时间光子密度的变化量)=受激辐射率-腔体损耗+自发辐射中对激光输出有贡献的部分,.,式中的Sm是在单位横截面积上的m模式的光子数目，是在自发辐射所产生的所有光子中，属于m模式的光子所占的比例。这一数值在不同的激光器中往往差别很大。对于F-P腔半导体激光器来说，这一数值在10-510-4。,对于平行于出射端面的平面上的光子面密度，可以用关于光子面密度的速率方程：,注意此处与的不同之处。,.,(1)受激辐射产生率,受激辐射产生率表征的是光子面密度在单位时间内的增加值。在此表达式中，腔体增益表征的是光子面密度在单位传输单位距离后的增加值，而光速表征的是单位时间内光波在材料内的传播距离，因此腔体增益与光速的乘积就是光波在材料中传播单位时间后，所获得的增益。此增益乘以光子面密度，就是光子面密度在单位时间内的增加值。,.,(2)腔体损耗率,腔体损耗率表征的是在单位时间内，由于腔体的损耗特性而导致的光子面密度衰减值。与(1)表达式中各参数相似，腔体损耗表征的是光子面密度在单位传输单位距离后的衰减值，而光速表征的是单位时间内光波在材料内的传播距离，因此腔体损耗与光速的乘积就是光波在材料中传播单位时间后，被损耗的大小。此损耗值乘以光子面密度，就是光子面密度在单位时间内的衰减值。,RL=腔体损耗光速光子面密度,.,在上述表达式中，,.,(3)自发辐射产生率,光子面密度的连续性方程可写为：,.,2.载流子的速率方程,是分析半导体激光器工作过程的另一个工具。在不考虑非辐射复合过程的情况下，载流子面密度的速率方程为：,式中等号右边第1项：单位时间内由于电流注入而导致的载流子面密度增加值(只考虑辐射复合，因此此处电流是注入总电流中被辐射复合消耗的那一部分)；第2项：单位时间内由于自发辐射过程而导致的载流子面密度的减小值；第3项：各种模式的受激辐射所导致的载流子面密度减小值。自发辐射和各种模式的受激辐射，都会引起载流子密度下降，注意与光子连续性方程的区别。,.,在静态条件下(注入电流为直流电，不随时间变化),光子面密度与载流子面密度都不随时间变化，即:,由上述条件，可得光子面密度和注入电流面密度如下：,.,如果能够将光子面密度与注入电流面密度之间的函数关系找出来，就可以明确半导体激光器的输出与输入之间的关系。但是，虽然从其表达式来看，两者都是载流子面密度n2D和光子能量Em的函数，但是仍然无法写出光子面密度与注入电流面密度之间的函数解析式。因此，在研究半导体激光器的输出与输入之间的关系(P-I关系)的时候，往往借助计算机编程，利用迭代算法，逐步逼近二者关系的精确函数曲线。,.,利用牛顿法或者龙格-库塔迭代法等类似的数值分析手段计算LD的输入输出关系时，通常假设下列条件成立：在整个光腔长度方向上，光子面密度Sm和载流子面密度n2D为常数；在整个光腔内部空间内，折射率nr是常数；光波限制因子和自发辐射因子与注入电流的大小无关，即二者不受注入电流大小的影响；增益压缩效应忽略不计。,.,光子面密度表达式：,在阈值点上，激光器的腔体增益恰好抵消激光器的损耗，即存在下列关系：,故光子面密度的表达式可以改写为：,.,用Ep和分别表示增益谱峰值所对应的光子的能量和波长，此模式称为峰值模式。用Es和分别表示峰值模式附近的模式的光子能量和波长。则s模式的波长在腔体中的增益可以在峰值处进行展开，并只取前三项，由于在峰值处一阶导数为0，因而实际取前二项：,.,由展开公式可见，即使是离峰值模式最近的哪些模式，与峰值模式之间也存在增益上的差值。容易理解，离峰值模式越远的哪些模式，其增益就与峰值增益之间的差距会越大。因此，在注入电流不断增加的过程中，峰值模式的增益首先达到阈值条件，最终克服腔体损耗，形成激光出射。随着注入电流增加，峰值模式附近的有限几个模式也会满足条件，形成激光出射。而其他离峰值模式更远的模式，难以满足阈值条件，无法形成稳定的激光输出。最终输出的激光中，绝大多数的光子都属于峰值模式以及离峰值最近的有限的几个模式。这些模式的受激辐射过程消耗了大量载流子，使离峰值较远的模式更加不能满足阈值条件形成稳定激光输出。,.,.,图形分析：当注入电流小，腔体增益不满足增益阈值条件时，激光器处于发荧光阶段，没有稳定的激光输出。此时没有哪种模式能够占主导地位，各模式的强度差别不明显。当注入电流逐渐增加，腔体增益达到阈值条件时，此时开始输出激光，峰值模式及离峰值模式最近的几个模式在输出光波中所占比重越来越大。随着注入电流的增大，这几个模式会越来越强，其他模式被削弱，最终输出光谱中只包含了这几个模式。可见，提高注入水平，可以使光源的频谱压缩，线宽更窄。,.,.,图形分析：（1）上面三条曲线表示的是有源区载流子密度与注入电流之间的关系，他们的区别在于自发辐射因子的大小不同。一开始，电流密度随注入电流线性增加，最后达到饱和。自发辐射因子越大，说明自发辐射产生的光子中，对受激辐射有贡献的部分就越多，引起的受激辐射就越强烈，对载流子消耗也就越大，最终载流子密度达到饱和后的密度值也就越小；,电流注入增加，漏电流增大，且俄歇复合增强，辐射复合减弱，辐射复合寿命增加，载流子面密度最终趋于饱和。,.,（2）下面三条曲线表示的是注入电流密度与光子密度之间的关系。同样，自发辐射因子越大，自发辐射过程就会产生更多的对受激辐射有贡献的光子，同样注入条件下，受激辐射更加强烈，因此输出的光功率就越强。,.,.,图形分析：随注入电流增大，谐振腔的增益谱会向短波长方向移动，其主模波长亦随之向短波长方向移动，形成所谓“蓝移”。,.,阈值电流密度的计算,阈值增益,注入载流子密度阈值,阈值电流密度,.,3.静态输出特性（1）P-I特性,.,（2）LD输出曲线的“弯折”,.,图形分析：激光器不仅存在纵模特性，还存在横模特性，一个纵模可能对应多个横模输出特性。横模特性与激光器的横向尺寸，即其横截面的形状和大小有关系。横向宽度无限制的激光器称为“宽条”形激光器，对横模限制作用较弱，可能会有多个横模输出。随着注入电流增大，从低阶横模到高阶横模，依次满足阈值条件，形成激光出射，表现在输出曲线上就是存在多个输出“拐点”，即输出的“弯折”现象。对于在横向尺寸上有限制的激光器，由于其对横模限制作用较强，不会出现多个横模依次满足条件输出的现象，在整个输出曲线上只存在一次“弯折”。输出曲线上的“弯折”对于信号来讲是一种噪声，需尽量避免。,.,（3）半导体激光器的效率a）内量子效率定义为单位时间内激光器产生的光子数目与单位时间内注入的电子-空穴对数目的比值。,激光器的制作材料一般为高纯度的半导体材料，室温条件下俄歇复合并不严重，其内量子效率可以达到70%以上。,.,b）外量子效率定义为单位时间内从激光器辐射出的光子数目与单位时间内注入的电子-空穴对数目的比值。,.,c）微分量子效率外量子效率只能表示特定条件下器件的输出效率，具体数值随输入而变。要描述器件本身性能用微分量子效率更加合适。,d）功率转换效率表示将输入电功率转换为输出光功率的效率。,.,（4）激光模式a）横模激光器内部的光场在横向上的稳定的场分布。如果在平行于出射端面上放置一个成像面，则横模表现为在成像面上的光斑形状。横模主要受到光腔的横截面形状和横向尺寸的影响。横截面形状影响光斑形状，横向尺寸影响横模的数目。(m,n)b）纵模是指能够在光腔内通过光腔的正反馈而形成稳定振荡的模式，也就是那些能够形成正反馈的频率。综上，一个模式可以用三个参数表征：(m,n,q）,.,（5）温度特性a）温度对阈值的影响,温度升高时，需要更高的注入载流子浓度，才能满足粒子数分布反转的需要，激光器的注入电流密度阈值亦升高；温度升高，漏电流增大，需要更高的注入电流才能满足阈值条件；温度升高，俄歇效应更强烈，窄带隙材料尤其如此，因而需要更高注入电流才能满足阈值条件。,.,经验公式：温度对激光器增益阈值的影响可由经验公式表征：,.,b）温度对输出频谱的影响,温度升高，输出光的峰值波长会向长波长方向移动，即发生“红移”。,原因：,c）温度对器件效率的影响,.,【例4.3】工作于室温条件下的GaAs半导体激光器，其载流子密度阈值nth=1.321018cm-3，有源层厚度dlas=2.0um，载流子的辐射复合寿命为2.4ns。请计算其注入电流密度阈值Jth。,.,【例4.4】GaAs半导体激光器，光腔长度L=200um，光波出射面的发射率为R=0.33，腔体内部损耗请计算腔体内部的光子寿命。,激光器总损耗为：,.,V.先进激光器电子特性的改进,激光器设计的目标：低阈值电流；高输出功率；大调制带宽；窄输出频谱；其他特性(如满足特定使用需求所需波长：长波长、短波长等)。,.,激光器在两方面的改进,.,1.单异质结LD有源层的一侧为同质结，另外一侧为异质结。,.,单异质结LD特点：结构简单；注入电流密度较高，Jth=103A-104A/cm2，仅比同质结LD的阈值电流密度低1个数量级，因所需注入电流较高，器件发热非常明显，无法在室温条件下发出连续的光波，以脉冲形式发光；单异质结LD的两个限制层与中间的有源区之间形成了一种非对称光波导，对光子有一定的限制作用，使输出的光能更为集中；输出功率较高。,.,2.双异质结LD有源层的两侧均为异质结，一侧为同型异质结，另一侧为反型异质结。,.,阈值电流密度大为下降，Jth大约为102-103A/cm2；所需电流降低，器件发热小，可以在室温条件下连续发光；相对于有源层材料，有源区两侧的限制层带隙大，但折射率低，因而对载流子和光波都有限制作用。即：利用带隙差形成势垒，将载流子限制在有源区；而两个限制层又形成对称光波导，将光场亦限制在有源区；提高了注入效率，减小了漏电流。,.,.,3.量子阱LD有源层的两侧均为异质结，一侧为同型异质结，另一侧为反型异质结。(1)量子阱物理基础当有源层厚度可与电子的德布罗意波长相比较，甚至比后者更小时，有源层会出现明显的量子尺寸效应，造成能带分裂，形成一个个分离的子能带。此时有源层形成量子阱。,QuantumSizeEffect(量子尺寸效应),QuantumWell(量子阱),.,.,(2)量子阱中的电子态如图所示，量子阱中的电子，在z方向上不能自由运动，即在此方向上失去了自由度。但是电子在x方向和y方向上都是可以自由运动的。因而电子在三维空间中，失去了一个自由度，仅具备二维的自由度。导体内部的大量电子，可以看成是弥漫在半导体内部的、具备二维自由度的气体，称为二维电子气。这种状态的电子，在z方向上的能级是不连续的，但是在xoy平面内的能级是连续的。,.,讨论量子阱内部的电子态，可从薛定谔方程入手：,.,是电子在XY平面内的能量分量是电子在Z方向上的能量分量,.,式中，kx和ky分别是电子波的波矢量在X方向和Y方向上的投影，kt是电子波矢量在XY平面内的投影，即波矢量在XY平面内的分量。由于电子在X、Y方向上具有完全的自由度，因此这几个矢量分量可以取连续的值。kz是电子波矢量在Z方向上的分量。电子在Z方向上失去自由度，kz只能取分离的值，即EZ的取值受到限制。为分析简单起见，此处假设量子阱为一个无限深的势阱，电子波将会被完全局限在势阱内，不会发生泄漏，势阱边缘处电子波为0。可以通过解关于Z向分量的薛定谔方程，并利用两个边界条件，求出EZ的表达式。,.,.,电子的总能量是两个能量分量之和：,.,.,在第一子带：,.,.,(3)量子阱LD,1)带间辐射(跃迁),.,量子阱激光器与体材料激光器对比,输出功率高线宽小,在能级Ee1和Ehh1上，载流子密度很高,在导带底部EC和EV处，载流子密度较低,输出功率低线宽大,.,2)阱宽dW的选择,以上讨论的LD性质成立的条件,.,3)光波限制因子,为提高有源层载流子密度和器件注入效率，并增强光波限制因子，即提高对载流子和光子的限制作用，可采用梯度折射率的分离限制结构。,.,4)量子阱激光器的优点,波长可调,Ee1和Ehh1受dW影响，即使对于同种材料，通过结构设计改变dW的值，仍然可改变输出波长。,低阈值,温度系数高(对温度不敏感),.,4.应变量子阱LD无论是体材料激光器还是量子阱激光器，有源层与衬底之间都需要严格的晶格匹配；晶格失配度应小于1%，否则会在外延层与衬底间引入大量缺陷，影响器件性能；形成缺陷的根本原因是外延层与衬底间存在“应力”，使外延层发生刚性形变，破坏了有源层结构从而产生缺陷；合理利用这种应力，使界面处发生弹性形变而不是刚性形变，制作出应变量子阱器件。,.,.,利用不同的应变方式，可以改变LD出射光波的偏振性。利用压缩应变效应制作的应变量子阱激光器，出射光波为TE偏振，而利用拉伸应变效应制作的LD，出射光波为TM偏振。,.,5.量子线及量子点激光器,2D量子阱激光器N(E):step-updistribution(台阶状),1D量子线激光器N(E):sawtoothdistribution(锯齿状),0D量子点激光器N(E):-函数分布,3D体材料激光器N(E)(抛物线型),.,.,Sub-2D特性的LD,较低的电流注入即可获得较高增益,较好的偏振可调性,制作工艺极为复杂,难以获得较好的光波限制特性,Advantages,Challenges,.,6.改进结构：谐振腔的改进,(1)Fabry-Perot腔（F-P腔）的改进1）F-P腔的有关性质制作：垂直界面切开并形成解理面，两个解理面构成F-P腔典型参数：解理面反射率R=0.3-0.4；腔长L=150-1000um纵模频率间隔1011Hz,.,.,TEM00,TEM10,TEM20,TEM