半导体激光器的主要性能

1、关于半导体激光器的主要性能现在学习的是第一页，共35页4.5 4.5 半导体激光器的主要性能半导体激光器的主要性能1 1、阈值特性、阈值特性2 2、效率、效率3 3、空间模式、空间模式4 4、纵模、纵模5 5、线宽、线宽6 6、 动态特性动态特性7 7、 热特性热特性8 8、 可靠性可靠性现在学习的是第二页，共35页4.5.1 4.5.1 阈值特性阈值特性阈值是所有激光器的属性，标志着增益和损耗的平衡点。阈值是所有激光器的属性，标志着增益和损耗的平衡点。阈值常用电流密度阈值常用电流密度Jth或者电流或者电流Ith表示。表示。 影响激光器阈值特性的主要因素：影响激光器阈值特性的主要因素： 1）器

2、件结构）器件结构 2）有源区材料）有源区材料 3）器件工作温度）器件工作温度1）器件结构的影响）器件结构的影响 不同的器件结构阈值电流有很大不同。不同的器件结构阈值电流有很大不同。 有源区的材料必须有源区的材料必须选用直接带隙材料选用直接带隙材料，材料的组分材料的组分变化将会引起直接变化将会引起直接带隙和间接带隙跃迁的比率发生变化，从而改变辐射频率的波长。故：带隙和间接带隙跃迁的比率发生变化，从而改变辐射频率的波长。故：可通过薄膜生长工艺获得不同的有源材料。可通过薄膜生长工艺获得不同的有源材料。2）有源层材料的影响）有源层材料的影响现在学习的是第三页，共35页3 3）温度的影响）温度的影响温度

3、变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅温度变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅度因材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：度因材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：Jth(T)= Jth (Tr) exp( (T-Tt) / T0 )Jth(T)、Jth (Tr) 分别为在某一温度分别为在某一温度T和室温和室温Tr 下所测得阈值电流密度，下所测得阈值电流密度， T0 是一个由实验拟合的参数，称为是一个由实验拟合的参数，称为特征温度特征温度。且：当且：当To 时，阈值电流将不随温度变化，故提高时，阈值电流将不随温度变化，故提高To是一个重要研是一个

4、重要研究内容。究内容。阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素：阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素：1）增益系数；）增益系数；2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子吸）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子吸 收引起的内部损耗；收引起的内部损耗；3）热载流子的漏泄。）热载流子的漏泄。现在学习的是第四页，共35页阈值电流的测定？阈值电流的测定？测定方法有四种：测定方法有四种：1）直线拟合法）直线拟合法2）两段直线拟合法）两段直线拟合法3）一次微分法）一次微分法4）二次微分法）二次微分法现在学习的是第五页，共35页描述激光器电子描述激光器电子-光子转换

5、的效率，即电能转变为光能的效率。光子转换的效率，即电能转变为光能的效率。分别用分别用功率效率功率效率和和外微分量子效率外微分量子效率描述。描述。1）功率效率）功率效率4.5.2 4.5.2 半导体激光器的效率半导体激光器的效率现在学习的是第六页，共35页现在学习的是第七页，共35页现在学习的是第八页，共35页2）外微分量子效率）外微分量子效率而其中的而其中的 定义为斜率效率：定义为斜率效率：现在学习的是第九页，共35页4.5.3 4.5.3 半导体激光器的空间模式半导体激光器的空间模式分为分为空间模空间模和和纵模（轴模），空间模纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某是描述围绕着输出

6、光束轴线附近某处的光强分布（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有处的光强分布（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有横模横模与与侧模侧模之分（如下图所示）。之分（如下图所示）。纵模纵模则是一种频谱，表示所发射的光则是一种频谱，表示所发射的光束功率在不同频率（波长）分量上的分布。束功率在不同频率（波长）分量上的分布。现在学习的是第十页，共35页现在学习的是第十一页，共35页1）半导体激光器的光束发散角）半导体激光器的光束发散角现在学习的是第十二页，共35页现在学习的是第十三页，共35页解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直。解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直。现在学

7、习的是第十四页，共35页2）半导体激光器的像散）半导体激光器的像散现在学习的是第十五页，共35页4.5.4 4.5.4 半导体激光器的纵模半导体激光器的纵模1）产生原因：）产生原因： 注注： 入入= 1.24 / Eg (2.1.1); 2nL = m入入 （1.4.8）现在学习的是第十六页，共35页2 2）纵模模谱）纵模模谱现在学习的是第十七页，共35页3 3）影响纵模谱的因素）影响纵模谱的因素现在学习的是第十八页，共35页可见：电流增加，激光能量向主模转移，峰值波长发生可见：电流增加，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移红移。现在学习的是第十九页，共35页现在学习的是第二十页，共35页有源

8、层的禁带宽度有源层的禁带宽度Eg随着温度增加而变窄，辐射波长发生红移。故：随着温度增加而变窄，辐射波长发生红移。故：若选频则控制温度，若稳定功率输出，则选择恒温控制。若选频则控制温度，若稳定功率输出，则选择恒温控制。现在学习的是第二十一页，共35页4 4）激光器的单纵模工作条件）激光器的单纵模工作条件P Po/P/P1sat = 10 log( P = 10 log( Po/P/P11 )1 ) 可以得出，激光器单纵模工作时应使可以得出，激光器单纵模工作时应使PoPo超过超过P P1sat1sat至少至少12.8dB12.8dB，此即为均，此即为均匀加宽激光器中达到单纵模工作所需输出功率的下限

9、。匀加宽激光器中达到单纵模工作所需输出功率的下限。现在学习的是第二十二页，共35页现在学习的是第二十三页，共35页4.5.5 4.5.5 半导体激光器的线宽半导体激光器的线宽定义：表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处定义：表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm60nm左右，在阈值以上的谱线左右，在阈值以上的谱线宽度大约在宽度大约在2-3nm2-3nm或更小。或更小。半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很多，主要原因如下：半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很

10、多，主要原因如下：1 1）LDLD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q Q值低；值低；2 2）有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化，增加了激光输出相）有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化，增加了激光输出相 位的随机起伏（或相位噪声）。位的随机起伏（或相位噪声）。 下面曲线给出了下面曲线给出了LDLD线宽与线宽与1/P1/P之间的关系、和温度对线宽的影响。之间的关系、和温度对线宽的影响。现在学习的是第二十四页，共35页现在学习的是第二十五页，共35页4.5.6 4.5.6 半导体激光器的动态特性半导体激光器的动态特性现在学习的是第二十六页，共35页现

11、在学习的是第二十七页，共35页现在学习的是第二十八页，共35页现在学习的是第二十九页，共35页现在学习的是第三十页，共35页 的电阻的电阻 1欧），欧），L1为引线电感（为引线电感（1-2nH），），Cs为旁路电容（为旁路电容（0.3-1pF）。）。选择并控制选择并控制Cs和和L1可明显抑制类谐振现象。可明显抑制类谐振现象。现在学习的是第三十一页，共35页4.5.7 4.5.7 半导体激光器的热特性半导体激光器的热特性引发机制：引发机制：在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分

12、量子效率只能达到流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到20%-30%，意味着，意味着相当部分注入的电功率转换成了热量，引起激光器的温升。结果导致使相当部分注入的电功率转换成了热量，引起激光器的温升。结果导致使LD的阈值电流增大、发射波长红移、模式不稳定、增加内部缺陷、并严的阈值电流增大、发射波长红移、模式不稳定、增加内部缺陷、并严重影响器件的寿命。重影响器件的寿命。解决办法：解决办法：1）加风扇或者冷水循环降温；）加风扇或者冷水循环降温；2）使用帕尔贴半导体制冷器。）使用帕尔贴半导体制冷器。（通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现（通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现LD的温度稳定，见下图）的温度稳定，见下图）现在学习的是第三十二页，共35页3.8 3.8 半导体激光器的可靠性半导体激光器的可靠性现在学习的是第三十三页，共35页 二、可靠性试验二、可靠性试验为保证为保证LD在应用中能有较长的工作寿命，生产厂家必须按照规在应