第五章半导体激光器原理介绍.ppt

1、第五章 半导体激光器原理,深圳大学 光电工程学院,目录,5.1 半导体中的光发射 5.1.1 光的吸收与发射 5.1.2 半导体的光发射 5.2 半导体激光器原理与结构 5.3 半导体激光器的特性 5.4 光源与光纤的耦合,5.1 半导体中的光发射,原子：,材料基本性质：由最外层电子决定,原子壳层结构：,原子是由原子核和核外电子构成 ,原子核由正电的质子和中子构成；电子带负电，质量为9.1091x10-28克,基态：,在没有外加激发条件下最外层电子处于原子的能量最低状态,激发态：,在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态,光子与物质（电子）的相互作用,5.1.1 光的吸收与发射 普朗克定

2、律：电子在两个能级之间的跃迁是能量为hf=E2-E1的光子被吸收和发射的过程,图3.1.1,基态,激发态,(a)、光的受激吸收,3-1-1,-受激吸收几率【1/s】,3-1-2,-入射光波的能量密度【W/m3Hz】,-爱因斯坦受激吸收系数,3-1-3,普朗克公式：,推导思路：利用光波在光学腔内稳定振荡的驻波条件- 每个波矢k（E）决定了光子的两个状态（TE、TM），求出 单位体积与单位波矢间隔的光子状态数，在乘上每个状态被 光子占据的几率（玻色-爱因斯坦分布）就可得到公式3-1-3,入射光波的能量密度,入射光波的波长,(b)、光的自发发射,3-1-4,-爱因斯坦自发发射系数【1/s】，表示每个

3、原子单位时间内从上能级跃迁到下能级的自发发射几率,-E2的自发发射寿命。意义？,上能级处的原子数目减少到初始值的1/e所需要的时间 完全由原子系统决定 与入射信号无关的随机发射非相干光,(c)、光的受激发射,3-1-6,3-1-7,-受激发射几率,-爱因斯坦受激发射系数, 由原子系统与入射光信号决定 与入射光同态-相干光,(d)、爱因斯坦关系,热平衡时上下能级处的原子数目一定- 单位时间因受激吸收而在E2能级增加的原子数=因受激发射和自发发射而在E2能级减少的原子数,3-1-8,热平衡下在能级Ei处的原子数服从波尔兹曼分布,求出,3-1-9,得：,3-1-13,两能级兼并度相同g1=g2，受激

4、发射几率B21=受激吸收几率B12,比较普朗克公式,3-1-12,自发发射几率A21比上受激发射几率B21为常数,结论1：热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射，除非必须满足 N2 N1-粒子数反转,3-1-14,3-1-15,结论2：可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强的输入光场f,书中例题3.1.1（p82），白炽灯发出光的成分,普通光源热平衡下 发的光是自发发射,产生受激发射(激光）的基本条件,5.1.2 半导体中的光发射,1、pn结及电致发光 能带 费米能级及载流子分布的规律 掺杂 能带图及pn结的电流电压特性 载流子的复合与发光,半导体？, 导电特性介于导体与绝缘体之间

5、, 一种晶体, 基态及激发态的表述、 分布规律？, 如何实现粒子数反转？,pn结能带图与单向导电特性,正向特性,反向特性,势垒高度,正向偏置V,反向偏置,V-I曲线,正向扩散电流,反向漏电流,VD,pn0,np0,载流子的复合与发光,扩散长度L与复合 辐射复合 发光区（有源区） 非辐射复合,正向偏置下载流子的电注入与发光过程,发光区,复合：电子由导带跃迁至价带 空穴并释放相应能量的过程,辐射复合：电子由导带跃迁至价带 空穴并释放相应能量光子的过程,非辐射复合：电子由导带跃迁至价带 空穴并释放相应能量声子的过程,热,发光,空间电荷区,电注入发光！,同质结发光的缺点：,发光范围宽、效率低,2. 无

6、波导效应、传光范围宽,3. 光子再吸收效应,np,pn,载流子（过剩EHP）的复合,复合 外加电压引起pn结的载流子注入，产生“过剩载流子-过剩的电子空穴对”，处于“高能态”的它们必须以某种能量交换的方式恢复到稳定的“低能态”，把“高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(EA)、同时释放能量的过程叫做复合； 辐射复合 “高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(EA) 、同时释放能量等于其高低能量差的光子 非辐射复合 不伴随光辐射的复合过程,复合模型,光子 用量子力学描述的能量为hv（v为光波频率）的不带电粒子 声子 用量子力学描述的能量为hvk（vk为声

7、波频率）的不带电粒子， hvk0.06eV，晶格的振动-热 激子 在某种能量作用下使得原子处于激发态，其电子能级处于Ec以下附近（空穴能级处于Ev以上附近）（电子的波函数在禁带两端有拖尾-类似光波导的能量分布） 复合模型：“碰撞”, 电子和空穴的辐射复合,本征辐射跃迁与涉及杂质能级的辐射复合 本证辐射跃迁-帯间跃迁 、自由激子湮灭、能带势能起伏处的激子复合,涉及杂质能级的辐射复合,低温、低过剩载流子密度,直接带隙半导体中的辐射复合跃迁 间接带隙半导体中的辐射复合跃迁,复合跃迁过程遵循：能量守恒、动量守恒（对能带结构提出要求），对间接带隙材料的跃迁复合是三粒子过程，效率很低；例外：海森堡不确定性

8、h k x C ，掺N、O的GaP，i16%,导带电子被杂质能级 俘获形成束缚态激子， x范围内动量守恒 定律可能被破坏, 非辐射复合,阶段性放出声子的复合 完全把电子从导带跃迁到价带的能量转换到声子（需要20个声子）概率太小，通过一个或少数几个声子过程转移到杂质能级的概率更大,俄歇复合 电子间碰撞，跃迁至更高能态，回落时以声子形式,表面复合 表面缺陷更多，周期性势场 也破坏，深杂质能级多 -覆盖介质膜, 过剩载流子的复合时间e-复合率,由图可知p区瞬态载流子分布 少子(平衡态电子+注入产生的过剩电子）： 多子(平衡态电子+注入产生的过剩空穴）：,单位时间注入的载流子正比于该时间的瞬态载流子量

9、,弱注入,强注入,辐射复合率Rr与辐射复合寿命r,定义： 单位时间发生辐射复合的载流子数为辐射复合率,弱注入,强注入,非辐射复合率Rnr与非辐射复合寿命nr,定义： 单位时间发生非辐射复合的载流子数为辐射复合率, 载流子总复合率R和总寿命,总复合率R,总寿命,讨论内量子效率i,内量子效率 =每秒产生的光子数/每秒注入有源区的载流子数 =每秒辐射复合的载流子数/每秒注入有源区的载流子数 直接带隙半导体材料的内量子效率i,间接带隙半导体材料的内量子效率i,5.2 半导体激光器原理与结构,5.2.1 半导体激光器工作原理, 半导体激光器也叫激光二极管(Laser Diode，LD) 基本结构：激励源

10、、工作（增益）物质及谐振腔 激光振荡基本条件：粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件,FP-LD结构图,法布里-波罗半导体激光器（FP-LD）!,1、粒子数反转的实现重掺杂与大的电流注入,图3.3.1 (a)绝对零度时本征半导体平衡状态电子发布 (b)高载流子注入下电子的能量与状态分布,图3.3.2 重掺杂 pn 结 ( a)无偏压； (b)正向偏置下有源区的形成 正向电流越大扩散进入p区的电子越多，光增益越大,受激发射必要条件 （粒子数反转条件）,电注入发光：通过给pn结加正向偏压实现粒子数反转,N2N1,2、FP腔与光反馈-纵向模式(纵模）,图3.3.3 激光器中的光反馈及 FP

11、腔,纵向模式振荡条件-腔内形成驻波,3.3.9,n1,m纵向模式数,某一族波长光波的能量空间分布,纵模：满足驻波条件的一族波长的光能量在FP腔轴向的空间分布，模式数m,驻波条件-腔长为半波长的整数倍,n1,E(z),m=0,m=2, 纵模的模式间隔 相邻模式的间隔,3.3.10, 纵模的谐振频率间隔,3.3.11,例子(p95)：Al0.03Ga0.97As/GaAs LD，工作波长850nm， n1=3.57，L=300m，则m=2520，模式间隔=0.337nm, 精细度F每个模式半宽f1/2,R增加，F变大，R=0.97时F=100；自然解理的GaAs的R0.32，则F2.5；f1/2越

12、宽，光谱纯度越差,3.3.13,FP腔特性,850.337,850nm,849.663,3、激光振荡的阈值条件,有源区的损耗 自由载流子吸收、缺陷散射，用i表示1/cm 端面透射对光信号的损失，用m表示1/cm 有源区的增益g 载流子注入有源区使得受激发生增强的状态，用g表示1/cm 腔内光功率随距离Z的变化,3.3.14,为光约束因子=有源层内光功率/芯片总光功率 相当于光纤的波导效率,正向偏压下DH的载流子注入,g,i,Z,激光在腔内往返一周,3.3.15,激光激射的阈值（起始）条件,3.3.16,阈值增益系数为,3.3.17,4、激光振荡模式,半导体材料的增益性质,粒子数反转产生增益，输

13、入电流越大，增益越高； 粒子数反转不在单能级间，而是能带间，故有增益谱线宽度； 同样注入条件下，量子阱材料的增益比体材料高，增益线宽更窄,是均方根增益谱宽， 0叫中心波长,3.3.18,0,I1,I3,I2,FP-LD纵模选模机理及光谱曲线,FP-LD是多模半导体激光器！光谱半宽大！,光源多纵模对光纤通信系统的影响？,FP腔：纵模选模+增益,如何获得单纵模工作？,FP-LD工作原理,n1,5.2.2 半导体激光器结构与发散角-有源波导中的光波场,图3-3-10 条形FP-LD结构及发射光束,LD的有源层截面垂直于结平面方向很薄（约0.1-0.2m），而平行于结平面方向则要宽得多(对于BH-LD

14、约2-3m)；因此相应的远场光斑呈现椭圆形,/10-30， 30-50,FP-LD管芯,250m,350m,5.3 半导体激光器的工作特性,5.3.1 P-I-V（L-I-V）特性 5.3.2 模式特性与线宽 5.3.3 调制特性 5.3.4 波长调节特性 5.3.5 噪声特性 5.3.6 安全使用,5.3.1 L-I-V特性曲线,思路：从稳态（dN/dt=dS/dt=0）速率方程推导出阈值电流密度Jth、输出光功率P0、微分量子效率等参数,物理意义：LD工作时光腔中某模式的光场与电子的相互作用的规律,N、S分别是电子浓度和某个模式的光子浓度，J注入电流密度，d有源区厚度，sp、 ph分别是载

15、流子自发发射寿命和腔内光子寿命，-进入激光模式的自发发射分量系数（很小，可以忽略），g(N)-增益函数,3.4.2,电光耦合速率方程简称速率方程,腔内损耗引起光子减少速率,光子寿命,光子寿命：有源区内的光子在被吸收或通过端面被辐射出LD之前在谐振腔中平均驻留时间,光子寿命典型参数： gth=501/cm，n=3.5，L=0.3mm，ph=3ps 而自发发射寿命spns,微分量子效率, 阈值电流密度Jth推导思路：阈值以下S=0,3.4.16,输出光功率P0推导思路：阈值以上S0，带入阈值条件得到光子浓度S及光子数与工作电流和阈值电流之差成正比，根据内量子效率定义，可以得到有源区内的光功率Pe：

16、,3.4.8,考虑到FP腔内损耗和腔面反射，输出的光功率P0为：,3.4.11,对3.4.11微分得：,3.4.14,可直接测量！,Eg的单位！,斜率效率 Slope efficiency,无量纲！,有量纲！,半导体激光器的L-I-V特性曲线,L,I,V,阈值电流Ith 输出光功率P(I) 工作电流I 斜率斜率P/I与微分量子效率 线性度 温度特性Ith(T)、P(T）,Eg 电驱动参数 微分串联电阻 芯片、器件品质,光功率电流 (L-I)曲线,图3.4.1 LD的L-I-V特性,LD的其它效率：斜率效率=P/I，外量子效率=(P0/hf)/(I/e),电流电压 (I-V)曲线,自发发射部分,

17、受激发射部分,图5.13 LD的P-I特性,实验测定阈值电流Ith(T)的方法,1、交叉线法 2、延长线法 3、2阶微分法,实验结果非球透镜,DH的LIV测试曲线：封帽后激光器的线性变差,非球透镜LD, FP-LD的温度特性,图3.4.2a LD 在各种温度下的P-I特性,图3.4.2 FP-LD 在各种温度下P-I特性,T0为特征温度,特征温度T0,几种典型FP-LD的特征温度,为何要关注LD的温度特性？,驱动电路设计,5.3.2 模式特性与线宽,纵模单纵模 光谱宽度，影响色散 横模基横模 光场横向分布，影响耦合效率,近场 用光斑尺寸描述,远场,1、折射率波导结构,图3.3.11 掩埋异质结

18、半导体激光器 ( a ) EMBH-LD ; (b) DCPBH-LD ; (c) CSBH-LD,波导的形成机理： 有源区侧面不同折射率材料构成光波导 特点：阈值电流低；强波导，几乎不变化 光场分布： /10-30， 30-50,LD的波导结构：,LD的波导结构：2、增益波导结构,波导的形成机理：受激发射特性取决于提供光增益的载流子 分布，而光场的横向分布又取决于光增益分布 特点：弱波导，易变化；阈值电流高 光场分布：/10-30， 30-50,电流注入分布, 增益波导,光谱线宽,引起线宽v增大的因素 自发发射引起的相位无序变化 载流子变化-折射率变化光腔谐振频率变化 载流子分布,X自发发射

19、平均速率，P光功率， 为线宽展宽因子（有效折射率的实部比虚部）,3.4.18,减小线宽v的方法 增大光功率 减少自发发射速率 稳定载流子密度（外调制）,图3.4.4 光源的谱宽,形成光谱半宽的原因,掺杂使得光谱曲线对称,体材料与量子阱材料增益的光谱特性,体材料的光谱宽，量子阱材料的窄,图3.3.14 不同阱宽时的激光发射谱,5.3.3 调制特性,直接电流调制是LD的最大优点之一,调制特性推导思路： 设 直流分量带入稳态速率方程求解出S0 交流分量幅值带入瞬态速率方程求解出S1（）,图3.4.5 LD 瞬态过程的 张弛振荡特性,调制特性包括： LD的频率响应特性 光电延迟时间+阈值效应 阻尼振荡

20、pn结电子存储效应 谐振频率 LD最大响应频率r 电流直接调制的光谱特性,输入电信号,3.4.27,3.4.30,谐振频率,光子数交流幅值与频率的关系,图3.4.7 LD芯片的小信号调制响应特性,提高直接电流调制频率的方法,减小ph-芯片设计 增大光增益g-芯片设计与 应用方法 增大稳态光子浓度-应用方法（增加偏置电流）,光电延迟（阈值之前的速率方程求出dN-dt,积分到阈值)：,3.4.33,10-9s,10-12s,LD封装分布参数的影响,DFB-LD小信号等效电路,同轴（TO）封装DFB-LD器件结构示意图,蝶形（BF)封装DFB-LD器件结构示意图,封装的分布参数严重影响LD器件的带宽

21、 解决方法-微波光电子封装技术,调制的光谱特性,图3.4.8 GaAs-LD 的 直流光输出谱特性,图3.4.9 脉冲持续期内的动态谱特性-模式分配引起；产生色散-接收机的强度脉动,静态光谱,动态光谱,原因：I增加，g增大，模式间竞争加剧-模式抑制与增强,高速直接调制的“致命伤”,模式脉动效应,5.3.5 噪声特性,噪声源 相位或频率噪声-分立和随机的自发发射（LD固有)，1/f，1MHz以上平坦 扭折和自脉动等引起的-模式的跳变（LD固有) 光纤端面与LD端面反射引起的（外部) 模噪声增益导引LD横模变化引起多模光纤中光场分布的抖动（外部） 模分配噪声-纵模变化在单模光纤中引起色散的脉冲宽度的随机变化（外部） 噪声表示方法-相对强度噪声,3.4.36,均方功率脉动,平均光功率,噪声范围： FP-LD：-110-130dB/Hz DFB-LD: -130-160dB/Hz 如何减小RIN： 选用RIN小的LD（如折射率导引大大优于增益导引） 增加工作电流可以明显减少RIN 调制频率小于数百兆RIN平坦， 再提高会出现R