半导体激光器课件3

半導體雷射器

1§2.2.1光學諧振腔與雷射器的閾值條件§2.2.1光學諧振腔與雷射器的閾值條件

雷射器穩定工作的必要條件:(1)粒子數反轉產生增益(2)提供光的回饋:其中最簡單的是法布裏——珀羅腔

圖2.2.1-1鐳射二極體的諧振腔

注入電流有源區解理面解理面L增益介質R1R2z=0z=L第二章電光資訊轉換2§2.2.1光學諧振腔與雷射器的閾值條件只有當增益等於或大於總損耗時，才能建立起穩定的振盪，這一增益稱為閾值增益。為達到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。一個縱模只有在其增益大於或等於損耗時，才能成為工作模式，即在該頻率上形成鐳射輸出。有2個以上縱模激振的雷射器，稱為多縱模雷射器。通過在光腔中加入色散元件或採用外腔回饋等方法，可以使雷射器只有一個模式激振，這樣的雷射器稱為單縱模雷射器。3§2.2.2半導體雷射器的結構

§2.2.2半導體雷射器的結構

最簡單的半導體雷射器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構成，如圖2.2.2-1所示。圖2.2.2-1大面積半導體雷射器解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm4§2.2.2半導體雷射器的結構這樣的雷射器面積大，稱為大面積雷射器。為解決側向輻射和光限制問題，實際的雷射器採用了增益導引型和折射率導引型結構。一、增益導引型半導體雷射器解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流限制在一個窄條裏，這樣的雷射器稱為條形半導體雷射器，其結構如圖2.2.2-2所示。將一絕緣層介質(SiO2)澱積在P層上，中間敞開以注入電流。由於光限制是借助中間條形區的增益來實現的，這樣的雷射器稱為增益導引型半導體雷射器。5

圖2.2.2-2增益導引型半導體雷射器

二、折射率導引型半導體雷射器

通過在側向採用類似異質結的設計而形成的波導，引入折射率差，也可以解決在側向的光限制問題，P-InPInGaAsPN-InPN+-InP襯底P-InGaAsP絕緣介質§2.2.2半導體雷射器的結構6

這種雷射器稱為折射率導引型半導體雷射器。

圖2.2.2-3折射率導引型半導體雷射器P-InPInGaAsP有源層N-InPN+-InP襯底接點SiO2SiO2§2.2.2半導體雷射器的結構7§2.2.3半導體雷射器特性

§2.2.3半導體雷射器特性

一、光譜特性

圖2.2.3-1為GaAIAs雙異質結雷射器的光譜特性。832830828826824832830828826824832830828826824驅動電流增大→→圖2.2.3-1GaAIAs雙異質結雷射器的光譜特性示意圖

波長取決於雷射器的光學腔長，稱為雷射器的縱模8§2.2.3半導體雷射器特性2當驅動電流足夠大時，多縱模變為單縱模，稱為當驅動電流足夠大時，多縱模變為單縱模，稱為靜態單縱模雷射器。二、雷射光束的空間分佈

近場是指雷射器反射鏡面上的光強分佈，遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分佈。由於鐳射腔為矩形光波導結構，因此近場分佈表徵其橫模特性，在平行於結平面的方向，光強呈現週期性的空間分佈，稱為多橫模；在垂直於結平面的方向，由於諧振腔很薄，這個方向的場圖總是單橫模。9圖2.2.3-2為典型LD的遠場輻射特性

圖2.2.3-2為典型LD的遠場輻射特性，圖中與分別為平行於結平面和垂直於結平面方向的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。

1.00.80.60.40.20發射光功率P/mW

804004080

輻射角θ(度)相對光強

§2.2.3半導體雷射器特性210三、轉換效率與輸出光功率特性

雷射器的電——光轉換效率用外微分量子效率

§2.2.3半導體雷射器特性2表示，其定義為在閾值電流以上，每對複合載流子產生的光子數

2.2.3-1

由此得到

2.2.3-2

式中，P和I分別為雷射器的輸出光功率與驅動電流，Pth和Ith分別為對應的閾值，hf與e分別為光子能量與電子電荷。11

雷射器的輸出光功率通常用P-I曲線表示，圖2.2.3-3為典型LD的光功率特性曲線。當時，雷射器發出的是自發輻射光，當時，發出的是受激輻射光，光功率隨驅動電流的增加而增加。§2.2.3半導體雷射器特性2543210

050100I/mA發射光功率P/mW圖2.2.3-3典型LD的光功率特性曲線12

四、溫度特性

溫度變化將改變雷射器的輸出光功率，有兩個原因：一是雷射器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。圖2.2.3-4給出了LD的P-I曲線隨溫度變化的實例。

圖2.2.3-4LD的P-I曲線隨溫度的變化

§2.2.3半導體雷射器特性2543210050100I/mA發射光功率P/mW22℃