半导体光子学第6章_

1、整理课件1第第六六章章 半导体激光器的基本结构和特性Chapter 6Fundamental Structures and Characteristics of Semiconductor Lasers整理课件26.1 激光器的分类整理课件3依材料划分III-V族 AlGaAs InGaAsP InGaAlP InGaN, AlGaNII-VI族 TeCdHg ZnO整理课件4依波长划分 可见光、红外、远红外长波长三大类l红外长波长：1.3m、1.55m和1.48ml近红外长波长：760-980nml可见光：760-720nm、680-630nm、490-400nml远红外长波长：II-VI族

2、激光器。 整理课件5半导体激光器电子束泵浦的半导体激光器pn结注入的激光器二极管雪崩泵浦的半导体激光器光泵浦的半导体激光器同质结激光器二极管单异质结激光器二极管大光腔激光器二极管双异质结激光器二极管SCH (分离限制）激光器二极管光栅谐振腔激光器二极管法布里-珀罗腔激光器二极管量子肼有源区宽接触激光器二极管条形激光器二极管DFB(分布反馈)激光器二极管DBR (分布布喇格反射)激光器二极管垂直腔型水平腔型弯曲腔型平面条型台面条型隐埋条型质子轰击条型扩散条型氧化物条型沟槽条型双沟条型掩埋弯月条型解理耦合腔型双区共腔条型条型阵列衬底条型面发射激光器二极管整理课件6依输出功率和应用领域划分依输出功率

3、划分毫瓦量级大功率依应用领域划分光纤通信光盘存储光纤传感激光仪器整理课件76.2 激光二极管的基本结构激光二极管的基本结构 双异质结（DH）激光器 大光腔（LOC）激光器 分离限制异质结（SCH）激光器 条形激光器整理课件8整理课件96.2.1 双异质结（DH）激光器整理课件10整理课件11整理课件12整理课件136.2.2大光腔（LOC）激光器整理课件146.2.3 分离限制异质结(SCH)激光器整理课件15条形激光器整理课件16整理课件176.3 光限制因子限制因子等于有源区中的光能量同激光器中的总能量之比，它描述光场在有源层中限制的程度：对于对称波导来说，上式可简化为：dxzyxEdxz

4、yxEyddy),(),(222222202202),(),(),(dydydydxzyxEdxzyxEdxzyxE整理课件18偶阶TE模的光限制因子 2)2(22202202)(cos)(cos)(cosddxrmdmdmmdxexKdxxKdxxKm完成该积分后得：对于m阶TE模来说（m为偶数），)2cos()2sin(12)2cos(dKdKKdrdKmmmmmm对奇阶TE模以及TM模，也可以导出类似的表达式。 整理课件19 光限制因子 与有源层厚度d和光场横向分布有关，后者又与有源层与限制层的折射率差、光场模的阶次m有关。 一般来说，d越大，折射率差n越大，模的阶次 m 越低 光限制因

5、子 越大。 当有源层厚度d很大时， 趋近于1，这表明光场几乎全部约束在有源层内。 对于模式阶数来说，当d一定时，显然 m 越大 便越小。双异质结的通常d小于0.2m，为了获得很大的 值，光场就必须以基模（m=0）的方式工作。整理课件20整理课件21整理课件22整理课件23整理课件24量子阱结构器件量子阱结构器件有源区很小。给出这种情况下光限制因子的近似表达式变得十分有意义。当时d0时，tag(k2d/2) k2d/2，本征值方程就变为： （4-5）由第二章的推导知： （4-6） （4-7）可以推导出： （4-8）22dKr 20212knr2220222knK0212)(knnK2122整理课

6、件25量子阱结构器件将代入（4-5）式，则有： （4-9） （4-10）这就是do时的近似本征值方程。本征值为 ，与之相应的 值为： （4-11）由上述近似解可以得出d很小时的近似解析表达式。当d0时， ，于是2阶电场分布可以写成： （4-12）01kn1)2cos(2dKxryeExE02)(2)(2021dknnr21222)(202121222dknndk2)(0212122dknn 整理课件26将它代入（4-2）式可得： （4-13）利用（4-9）式可得： （4-14）由于 中， 则（4-14）式改写为： （4-15）0220202200dxeEdxeErxdrxAsGaAlxx1xn

7、nnnnn22122212224. 1)(2)(2020100 xd20220)(2dnnrd2122整理课件27 当AlxGa1-xAs DH LD, d=0.1m，x=0.1，0=0.9 m时，由上式可以计算出0=0.12.对于d=10nm的QW LD来说，如果限制层AlxGa1-xAs，x=0.3，n1=3.385，则计算得0=3.710-3。这是一很小的数值，表明只有大约0.4%的光能在有源区中传播并受到光放大作用。为了解决有源层厚度很薄时不能同时兼有光限制和载流子限制这一双重作用，便采用分离限制异质结（SCH）结构分而治之。很窄的有源区便于实现载流子限制，使很小的注入电流便可实现粒子

8、数反转，达到激射所需的光增益。而较宽的光波导层使光束在较宽的区域传播，既解决了光波导问题，又降低了光子流密度，这有利于提高激光器的总输出功率和提高器件的可靠性，使其长时间稳定地工作。， ， 整理课件286.4 激光二极管的特性l阀值特性l激光二极管的效率l激光二极管的远场特性l激光二极管的模式特性l退化特性整理课件296.4.1 阈值特性阈值特性阈值与器件结构的关系阈值与器件结构的关系整理课件30整理课件31注入的载流子进入有源层后，因异质结限制作用，将主要在有源区中，我们引进“名义电流”的概念：Jm=J/d （4-16）如果再考虑到激光器的内量子效率，则可以推导出： Jth=Jmd/i 如果

9、设定增益与呈线性关系，并且有： Gth=5.010-2(Jm-4.5103) （4-18）则可以将AlGaAs/GaAs DH激光器室温下的阀值电流表示为： （4-19）式中out为有源层外的材料对光子的吸收系数， fc为自由载流子吸收损耗系数。1ln1)1 (20105 . 43fcoutiithRLddJJth与有源层厚度的关系整理课件32Jth与有源区宽度的关系对于折射率波导激光器来说，在侧向上对载流子和光都进行了限制，减少了它们的侧向扩展。因此这类激光器的同条宽的关系不很大。 阀电流Ith=JthWL式中W为条宽， L为腔长为了降低阀电流Ith，也为了改善模式特性和远场的对称性，条宽应

10、当做得很窄。掩埋条形激光器的条宽为几微米。整理课件33Jth与有源区宽度的关系增益波导激光器中，由于注入电流的侧向扩展和有源区中载流子的侧向扩散，使得随着条宽的减少而增大。引起Jth增加的原因1、载流子的侧向扩散降低了条宽中心载流子峰值密度。为了达到必须的增益，势必需要增加电流密度；2、光场向条外扩展，使条内净增益低于中心处的峰值增益，因此需要增加来达到阈值增益。一般是前一因素为主，当条宽小于15m时，后一因素为主。整理课件34Jth与腔长的关系 211ln21RRLgJthJth同温度的关系)exp()(00TTTJTJrthT0为表征半导体激光器的温度稳定性的物理参数， T0称为特征温度。

11、 整理课件35温度对的影响主要来自三个方面： 1, 增益系数 2, 内量子效率 3, 内部载流子和光子损耗。AlGaAs/GaAs DH LD: 如果异质结势垒足够高、界面态足够少，温度的影响主要是其对有源层的增益系数的影响，当温度升高时，必要注入更多的载流子来维持所需的粒子数反转。这种激光器的T0为120-180K。整理课件36 InGaAsP LD中，温度的影响要起源于： 1,俄歇复合； 2, 载流子越过InGaAsP/InP异质结的泄漏。300K下，因俄歇复合所产生的电流泄漏占总电流的1/3左右。 泄漏电流是俄歇复合所产生的热载流子泄漏，而且主要是热电子泄漏。在低温下，这种泄漏较小，因而

12、T0高一些，为80K左右。而250-300K范围内，T0值为65K。 QW LD中，由于量子阱对注入载流子的限制，大大减小了电流的泄漏，因而其温度稳定性好得多，T0可以高达150K以上。整理课件37激光二极管的效率功率效率注入功率（电能）转换为激光（光能）的效率： （4-21）在达到阈值电流之前，激光器的V-I特性为： （4-22）此时I0为饱和电流，j为二极管参数。当电流达到阈值之后，其V-I特性可以近似表示为： （4-23）此时与近似呈线性关系，其斜率即为串联电阻。RIeIERIIVgp2out2out/PP1)(expexp0IRVIIajIReEVg整理课件38内量子效率激光器中注入的

13、电子空穴对在体内复合发出的光子数的效率： （4-24）有源层内，由于有杂质、缺陷、界面态和俄歇复合的存在，都会使部分注入的载流子不能复合产生光，使得i1。然而i通常可达70%左右，因而它有效地将注入载流子转换为光子。空穴对穴入的电的单位时间内有源区内注数单位时间内发出的光子i整理课件39外量子效率它度量激光器真正向体外辐射的效率：空穴对数入的电子单位时间内有源区中注的光子数单位时间内向体外辐射out)()(eIhPoutout)(aoutoutIVPageVEh整理课件40外微分量子效率外微分量子效率实际测量激光器的PI特性时，人们常常利用工作电流大于Ith之后的功率同电流的线性关系来描述器件

14、的效率，因而引进了外积分量子效率：VIIPeIIhPeIIhPPthoutthoutththout)()()()(021211ln211ln21RRLRRLiD11ln211ln212121fcfciDRRLRRL整理课件41为了提高out，必须设法做到：n提高内量子效率；n尽量减少自由载流子吸收损耗和有源区外的吸收损耗；n增大限制因子；n减少端面的反射率；1.减小腔长。 整理课件42激光二极管的远场特性在一很宽的范围内可近似表达为：20212202122)(2 . 105. 41)(05. 4dnndnn如果d很小，d0，则上式中分母中的第2项远小于1，可简化为：02122)(0 . 4dn

15、n 如果 d 较大，前一式中分母的第二项远大于1，那么该式可简化为： d02 . 1整理课件43在平行于结的侧向上，条宽远大于发射波长，因此：激光二极管的远场特性W011整理课件44模 式何为模式?导波模 辐射模单模 单纵模 基模 基横模 水平横模 垂直横模 整理课件45整理课件46半导体激光器的模式模式：在一定的边界条件下，电磁波在谐振腔内形成驻波，光强呈稳定分布，这种稳定的分布为激光模式。纵模：光波在传播方向上的分布情况。横模：光波在垂直谐振腔方向上的分布情况。其中垂直pn结平面方向为垂直横模，平行pn结平面方向为水平横模。求解麦克斯韦方程，得出电磁波定态解，可用一组整数(m,n,q)表征

16、，它们为模式指数。整理课件47)2cos()(z)cos(y)Z(x)YXEz)y,(x,EqnmmnqmnqtzLqmnq2)(exp)2()(oxoxmmwxwxHxX2)(exp)2()(oyoynnwywyHxY2/122)()(1),(eeyyxxnyxnnxweoxnyweoy整理课件482/12)1212(212)1212(4eeeemnqynxmqLnLcqynxmnc1)1212(2eeynxmqLqnyLmxLnLeee212meexnm)(22neeynn)(22qeLnq)(22)1 (dndnnne当 时，式中整理课件49整理课件50整理课件51L=380m()m= m,n,q-m+1,n,q1.3nm()n= m,n,q-m,n+1,q0.016nm()q= m,n,q-m,n,q+10.18nmSpectra of AlGaAs/GaAs DH LD整理课件52习 题n条形激光器的基本结构是什么？有什么优点？为什么？n限制因子是什么？它同有源层厚度、折射率差的关系如何？试定性画出同d、x的关系，并说明其物理意义。n名词解释：折射波导率、增益波导、内量子效率、外微分量子效率、斜率效率。n试说明阀值电流密度同腔长、有源层厚度、温度