半导体激光器

1、上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换12.2半导体激光器 2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 2.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构 2.2.3 半导体激光器特性半导体激光器特性 2.2.4 LD的应用的应用 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换22.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 (1) 粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益 (2) 提供光的反馈提供光的反馈 : 其中最简单的是法布其中最简单的是法布 里里珀罗腔珀罗腔 图图2.2.1-1

2、 激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔 注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换32.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达。为达到阈值增益所要求的注入电流称为到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流阈值电流。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输才能成为工作模式，即在该频率上形成

3、激光输出。出。 有有2个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模多纵模激光器激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为振，这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换42.2.2 半导体激光器的结构 2.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构 最简单的半导体激光器由一个薄有源层最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约（厚度约0.1m）、）、P型和型和N型限制层构

4、成，如型限制层构成，如图图2.2.2-1所示。所示。图图2.2.2-1 大面积半导体激光器大面积半导体激光器解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换52.2.2 半导体激光器的结构 这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为大面积激光器大面积激光器。为。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型增益导引型和和折射率导引型折射率导引型结构。结构。一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器 解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流解决

5、光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体条形半导体激光器激光器，其结构如图，其结构如图2.2.2-2所示。将一绝缘层介质所示。将一绝缘层介质(SiO2)淀积在淀积在P层上，中间敞开以注入电流。由于光层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为光器称为增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换6 图图2.2.2-2 增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器

6、 二、二、 折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器 通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题题P-InPInGaAsPN-InPN+-InP衬底P-InGaAsP绝缘介质2.2.2 半导体激光器的结构上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换7 这种激光器称为这种激光器称为折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器。 图图2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器P-InPInGaAsP有源层N

7、-InPN+-InP衬底接点SiO2SiO22.2.2 半导体激光器的结构上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换82.2.3 半导体激光器特性 2.2.3 半导体激光器特性半导体激光器特性 一、光谱特性一、光谱特性 图图2.2.3-1为为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824驱动电流增大 图图2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图双异质结激光器的光谱特性示意图 波长取决于激光器的光学腔长，称为激波长

8、取决于激光器的光学腔长，称为激光器的光器的纵模纵模上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换92.2.3 半导体激光器特性2 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为当驱动电流足够大时，多纵模变为单模，称为当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为纵模，称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布 近场近场是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布由于

9、激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为多横模多横模；在垂；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是向的场图总是单横模单横模。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换10图图2.2.3-2为典型为典型LD的远场辐射特性的远场辐射特性 图图2.2.3-2为典型为典型LD的远场辐射特性，图中与的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，分别为平行于结平

10、面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。整个光束的横截面呈椭圆形。 1.00.80.60.40.20 发射光功率P/mW 80 40 0 40 80 辐射角(度)相对光强 /2.2.3 半导体激光器特性2上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换11三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性 激光器的电激光器的电光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率 dhfeIPeIIhfPPd/)(/)(thth)(ththIIehfPPd2.2.3 半导体激光器特性2表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生表示，其定义为

11、在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数的光子数 2.2.3-1 由此得到由此得到 2.2.3-2 式中，式中，P和和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和和Ith分别为对应的阈值，分别为对应的阈值，hf与与e分别为光子能量与分别为光子能量与电子电荷。电子电荷。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换12 激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图曲线表示，图2.2.3-3为典型为典型LD的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的时，激光器发出的是自发辐射光，当是自发辐射

12、光，当 时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。 2.2.3 半导体激光器特性2thII thII543210 0 50 100 I /mA发射光功率P/mW图图2.2.3-3典型典型LD的光功率特性曲线的光功率特性曲线上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第二章 电光信息转换13 四、温度特性四、温度特性 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图效率随温度升高而减小。图2.2.3-4 给出了给出了LD的的P-I曲线随温曲线随温度变化的实例。度变化的实例。 图图2.2.3-4 LD的的P-I曲线随温度