半导体光源特性测量

1、上世纪六十年代初开始将半导体材料作为激光媒质，伯纳德（Bernard ）和杜拉福格（ Duraffourg ）提出在半导体中实现受激辐射的必要条件：对应于非平衡电子，空穴浓度的准费米能级差必须大于受激发射能量。由此，半导体激光器开始了从同质结到异质结的快速发展过程，单异质结最初由美国的克罗默（ Kroemer ）和前苏联的阿尔费洛夫于1963 年提出，其实质是把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，从窄带隙半导体中产生高效率复合和辐射，这个设想很大程度上取决于异质结材料的生长工艺， 1967 年 IBM 公司的伍德尔（ Woodall ）用液相外延方法（LPE ）在 GaAs 上生长

2、出 AlGaAs ，两三年后，贝尔实验室的潘尼希（Panish）等人研制成功 AlGaAs/GaAs 单异质结半导体激光器。虽然单异质结能够利用其势垒将注入电子限制在GaAs P-N 结的 P 区内使室温阈值电流密度降到10 3 A / cm 2 水平，但真正的突破是双异质结（DH ）的发明：把p-GaAs 半导体夹在N-Al xGa1-xAs 层和P-Al xGa1-x As 层之间，两个异质结势垒能有效地将载流子和光场限制在p-GaAs 薄层有源层内，使室温阈值电流密度减小了一个数量级。这项重要的发明由阿尔费洛夫，Hayashi，潘尼希等人共同完成。整个七十年代的工作重点是提高半导体激光器

3、的各项基本参数要求：低的阈值电流密度； 室温工作；连续大功率输出；长寿命；含盖可见光与近红外的多种单频激光器；窄线宽；波长可调谐激光器等。八十年代以来，随着分子束外延（MBE ），金属有机化学气相沉积（MOCVD ）和化学束外延（ CBE ）技术取得重大突破，诞生了诸如量子阱激光器（MQW ），应变量子阱激光器（ SL-MQW ），垂直腔面发射激光器及高功率激光器阵列等所谓“能带工程”的产物半导体激光器的最重要应用是光纤通信：比如将1.55 m，窄线宽的分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD ）用于光纤通信，单信道码率可达10Gb/s，为适应更高码率的波分复用（WDM ）和时分复用（TWM

4、）等光纤信号传输技术，发展了量子阱有源，多段结构的可调谐DFB-LD 或 DBR-LD （分布布拉格反射激光器） ，由于其线宽窄，微分增益系数大，有利于降低调制啁啾引起的展宽，这样即有助于提高信道码率；半导体激光器另一项重要应用在光盘技术领域，光盘技术是门综合技术，融会了计算机，激光与数字通信技术，半导体激光器用于光盘写入时，关键技术有光斑聚焦和光束圆化，强度和波长涨落以及光反馈影响方面的控制等。半导体激光器原理1 半导体异质结能带结构和粒子数反转分布条件半导体异质结是指由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面（过度区），不同物理参数可以是禁带宽度（E g ），功函数（），电子亲和

5、势（）介电常数（），对它们进行适当选择就可以获得诸如高注入比，超注入效应，对载流子和光场的限制作用，“窗口效应”等。对于直接带隙半导体，在热平衡状态下，电子基本上处于价带中（如图），半导体介质对光辐射只有吸收而没有放大作用，但当电流注入结区时，热平衡状态被破坏（如图），电子处于导带中能量为E 的状态的几率 f c (E) 为f c11e( E E FC ) / KT电子处于阶带中能量为E 的状态的几率f (E) 为f v1(E EFV )/KT1eEFC 和 EFV 是导带和价带的准费米能级，为了在结区中心有源区内得到受激辐射，要求fcfv ，即要求伯纳德 -杜拉福格条件成立E FCEFV E

6、2 E1 h该式表明，半导体中产生受激发射的必要条件是非平衡电子和空穴的准费米能级之差应大于受激辐射的光子能量，也就是说，无任用光照还是电流激励，在激射发生之前，导带和价带的准费米能级之差应大于带隙 E g ，在这个条件下可形成集居数反转密度同时可得到净的总受激跃迁增益系数。EFCEFVh只是提出了产生激光的前提条件，要实际获得相干受激辐射，必须将增益介质置于光学谐振腔内，实现光放大，一般利用半导体材料的两个解理面（比如110 晶面）构成部分反射（通过蒸镀抗反射或增透薄膜）的 F-P 腔，理论上沿 z 方向形成纵模分布。另外， DFB-LD （分布反馈半导体激光器）或 DBR-LD （分布布拉

7、格反射半导体激光器）则是由内含布拉格光栅来实现选择性反馈。2. 半导体介质光波导典型的 F-P腔条形结构双异质结 Al y Ga1y As/ GaAs可见光半导体激光器（中心波长780nm ）的典型结构如图，其中Al y Ga1 y As 是有源区，它在x 方向上的厚度为 0.10.2 m。有源区被两层相反掺杂的 Al xGa1 x As 包围层所夹持。受激辐射的产生与放大就是在有源区中进行的。异质结半导体二极管激光器中的二维光场约束（以及载流子约束）在x 方向（横向）通常是通过折射率的阶跃变化来实现的，一般有DH （双异质结）， LOC （大光腔）和SCH （分别限制异质结）三种，而在 y

8、方向（侧向）则既可以通过折射率的阶跃变化（强折射率波导，实折射率差大于0.01），也可以通过折射率的逐渐变化（弱折射率波导，实折射率差介于0.005 和 0.01 之间）实现，或通过增益的适当空间分布来实现，就如氧化物限制条形方式使得在有源层中沿y 方向形成一定的载流子浓度分布。上述两种光场约束方法分别称为折射率波导和增益波导，用电磁理论可以证明由增益所形成的波导作用将产生沿 y 方向的高斯光场分布，不过要想获得模式稳定的激光振荡，一般要用实折射率导波机制。条形半导体激光器当满足横向尺寸（布可分为 TE 模和 TM 模（即只考虑沿导条件下实现基模运转（只有零阶横模）y 方向） Wd 时视做三层

9、介质平板波导，在x 方向的场分z 方向传播的光波模） ，应当指出，零阶横模始终存在，但要在弱，有源层厚度可能达微米量级。半导体激光器的主要特性1） 阈值电流密度光波模的起振条件为该模式的光波在半导体激光器内沿z 向往返一周获得的增益大于该模式经受的损耗，模式的增益等于模式的损耗称为模式振荡的阈值条件。 由于有源层载流子密度与增益系数成正比，因此光波模的阈值振荡条件是否满足取决于注入载流子密度，有源层厚度以及光约束因子等因素，在稳态振荡时，载流子注入有源层的速率应与有源层内载流子的复合速率相等，即J thSdeJth 为使光波模振荡的阈值注入电流密度；S 为注入载流子密度；1 /为单位时间内载流

10、子的复合几率。2） 半导体激光器的输出功率受激辐射的光功率为PII thi heI 为二极管激光器的注入电流，i 是有源区内载流子复合而发射辐射的几率，称为内量子效率。考虑到有源层的增益和损耗，通过有源层两端输出的光功率为Poutln 1rII thi hLln r1er 是 z 方向间隔为 L 的两端面的能量反射率，是有源层的损耗系数，由此可见，只有超过阈值电流I th的那部分注入电流才能产生激光输出，根据图所示宽接触激光器的典型电光特性，可以计算外微分量子效率( PPth ) / hd( II th ) / e3） 半导体激光器的远场特性对于三层对称平板介质波导结构，垂直于结平面的发散角近

11、似等于2.3 10 2 (n12n22 ) d04） 光谱特性当驱动电流密度增加时，激光器有源区的粒子数反转增强，具有高Q 值的模的功率增加，这些模的频率接近于增益谱特性的峰值附近，使谱宽变窄，Q 值上升，光功率集中到几个占优势的纵模。实际上，典型的 DH 结型半导体激光器的光谱一般较宽，这是因为空间烧孔效应的存在使得在时域分割的各个瞬间多个单模竞争出现，在一个长的时间段内平均谱特性呈现多模特性。F-P 腔半导体激光器在直接调制工作状态下都将发生谱线展宽，展宽的原因很多，一般为洛仑兹型。5） 调制特性半导体激光器是电子和光子间直接进行能量转换的器件，因此具有直接信号调制的能力，高速调制要求激光

12、器有很高的动态性能，表现为窄的光谱线宽不应调制而展宽；保持动态单纵模工作；对输出信号不产生调制畸变；发光与电流输出之间的延迟要小；不产生自持脉冲等。半导体激光器的调制方式有强度（幅度）调制（ IM ），频率调制（ FM）和相位调制（ PM）；按信号类型分有模拟信号调制和脉码（数字）信号调制，按信号强弱有小信号调制和大信号调制。调制特性与器件结构有密切的关系，由于在半导体激光器中载流子和光子场之间存在强耦合，强度调制会同时造成频率或相位的调制，原因在于有源区内载流子浓度的变化会引起光增益的变化使有效折射率发生变化，这种调制的相关性导致谱线的动态展宽即频率漂移，这种频移现象叫做频率啁啾（ Chir

13、p ），它是高速光纤通信的制约因素，但却在相干光通信系统中得到应用。实验内容1 条形半导体激光器电光特性的测量测量室温下条形半导体激光器的注入电流与输出光强之间的关系（ I-P 曲线），确定激光器的阈值电流大小和外微分量子效率。2 光谱特性的测量以光栅光谱仪作为分光仪器测量半导体激光器的光谱（P 曲线），要求激光器分别工作在低于阈值电流和高于阈值电流两种状态，确定两种光谱的中心波长和半高宽，试比较这两种光谱和展宽类型。3 调制特性的测量（可选设计性实验）应用干涉方法测量半导体激光器在以正弦信号做强度直接调制时的输出光频的变化即频率漂移或频率啁啾。将调制激光引入 Michelson 干涉仪，从强

14、度调制和频率调制双重假设出发导出光强干涉方程，通过测量干涉项的相位噪声确定频率漂移值。最大频率漂移（它是正弦调制信号频率的隐函数）c(dI T2dI 1) 8 I 0 l其中， dI T 是干涉信号在 90 相位（ quadrature）处的峰 -峰值（ pp 值），另外分别测定二路光各自在某频率点的峰 -峰值， 2dI1 用它们的和值代入， I 0 则以二路光各自的均值（直流分量）的平均值代入，l 是光程差。 90 相位波形是取波形最大均值与最小均值的平均值时的波形。实验仪器1. 半导体激光器装置2. 半导体激光器驱动电源3. 1830-C 光功率计及光电探头4. 光栅单色仪预习与思考1 测量电光特性时，单色仪输出光波长偏离激光器中心波长将有什么不同？如果事先不知道激光器中心波长又该如何去做？2 有什么办法可以提高激光器的外微分量子效率。3 根据所得光谱数据如何判断其展