光纤通信原理008

1、第八讲,半导体激光器（一）,1,主要内容,?,半导体激光器的工作原理,?,半导体激光器的基本结构,2,半导体激光器工作原理,注入电流，实现粒子数反转分布，,产生受激辐射，并利用光学谐振腔,的正反馈实现光放大而产生激光。,半导体激光器是向半导体,PN,结,3,半导体激光器工作原理,?,光与物质相互作用的三种基本方式,?,粒子数反转分布,?,激光振荡和光学谐振腔,4,光与物质相互作用的三种基本方式,?,自发辐射,无外界激励而高能级电子,自发跃迁到低能级，同时释放出光子。,?,受激辐射,高能级电子受到外来光作,用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光,子，且产生的新光子与外来激励光子同,频同方向，为相干光

2、。,?,受激吸收,低能级电子在外来光作用,下吸收光能量而跃迁到高能级。,5,E2,初态,hf,12,E1,hf,12,E2,E1,(a),受激吸收,终态,hf,12,(b),自发辐射,hf,12,(c),受激辐射,能级与电子跃迁示意图,6,粒子数反转分布,设在单位物质中低能级电子数和高能,级电子数分别为,N,1,和,N,2,物质在正常状态下,N,1,N,2,，受激吸收与受激辐射的速率分别,比例于,N,1,和,N,2,且比例系数相等，此时光通,过该物质时，光强会衰减，物质为吸收,物质。若,N,2,N,1,，受激吸收小于受激辐射，,光通过该物质时，光强会放大，该物质,成为激活物质。,N,2,N,1

3、,的分布与正常状态,相反，故称为粒子数反转分布。,7,半导体的能带和电子分布,能量,价带,E,e,E,g,E,f,/2,E,f,/2,E,f,E,g,E,v,价带,(a),本征半导体,空穴,(b)N,型半导体,电子,8,E,e,E,f,E,g,E,v,(c)P,型半导体,E,f,E,e,E,v,?,?,?,?,?,KT,?,费米能级,用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在,费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中，,E,f,增大；在,P,型半导体中,E,f,减小。,?,E,f,位于禁带中央；,N,型半导体中,能带,电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。,价带,能量低的能带。

4、,导带,能量高的能带。,禁带,Eg,导带底的能量,Ee,和价带顶能量,Ev,间的能量差,在热平衡状态下，能量为,E,的能级被电子占据的概率为费米分布,1,P,(,E,),?,E,?,E,1,?,exp,f,9,P,区,PN,结空,间电,场区,N,区,+ + + + + +,E,e,P,能量,P,区,E,e,N,E,f,N,区,E,V,N,E,V,P,E,e,P,E,f,P,E,V,P,hf,E,e,N,E,f,N,hf,E,V,N,PN,结的能带和电子分布,10,PN,结界面上由于多数载流子扩散运动,形成内部空间电场区，该电场导致载流,子的漂移运动，无外加电压时，两种运,动处于平衡状态，能带发

5、生倾斜。当外,加正向电压时，内部电场被削弱，扩散,运动加强，能带倾斜减小，在,PN,结形成,一个增益区（粒子数反转分布区）可产,生自发辐射。,11,光学谐振腔,光学谐振腔,由两个反射率分别为,R1,和,R2,的,平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分,布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反,射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴,线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次,反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大,幅度提高。,12,激光振荡,?,激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方,向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激,光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳,定

6、的激光振荡，阈值条件为：,ln(,1,),R,1,R,2,?,t,h,?,?,?,2,L,?,t,h,?,是,阈值增益系数；,?,是谐振腔内激活物质的损耗系数；,?,?,L,为谐振腔长度,?,激光振荡的相位条件为：,?,或,2,nL,?,L,?,q,L,?,2,n,?,13,半导体激光器的基本结构,?,同质结,?,单异质结（,LH,）,?,双异质结（,DH,）,14,双异质结（,DH)LD,的结构,金属接触,限制层,Ga,y,Al,1-y,As,有源层,GaAs,限制层,Ga,X,Al,1-X,As,GaAs,衬底,光辐射,15,(a),+,P Ga,y,Al,1-y,As,P GaAs,N Ga,X,Al,1-X,As,电子,复合,(b),E,能,量,空穴,异质势垒,(c),N,折,射,率,5%,(d),P,光,功,率,双异质结（,DH)LD,的工作原理示意图,16,双异质结（,DH)LD,的工作原理,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