半导体激光器综述

1、 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 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈

2、、产生光的辐射放大，输出成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。激光。半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼（半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（）、砷化铟（InAs）、氮化）、氮化镓（镓（GaN）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、硫化镉（）、硫化镉（Cds）、蹄化）、蹄化镉（镉（CdTe）、硒化铅（）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（）、啼化铅（PhTe）、铝）、铝镓砷（镓砷（A1xGaAs）、铟磷砷（）、铟磷砷（In-PxAs）等。）等。半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理基本条件基本条件：1.

3、有源区载流子反转分布2. 谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡3. 满足阈值条件，使增益损耗，有足够的注入电流。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（1） 粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转粒子数反转（population inversion）是产生激光的前）是产生激光的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）（最低能级）的原子数远远多于处

4、于激发态（较高能级）的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。反转。在在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使场方向相反，便使N区的电子向区的电子向P区运动，区运

5、动，P区的空穴向区的空穴向N区运区运动，最后在动，最后在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。 半导体激光器粒子数反转分布的产生：半导体激光器粒子数反转分布的产生：增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生产生自发辐射光自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光施加附加的限制

6、施加附加的限制双异质结的引入双异质结的引入。双异质结（双异质结（DH：Double-Heterostructure）：就是由带）：就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。结。图图 2.2.1-2 DH激光器工作原理激光器工作原理（a） 双异质结构；双异质结构； （b） 能带；能带；（c） 折射率分布；折射率分布； （d） 光功率分布光功率分布 （d）Pn5%折射率折射率（c）复合复合空穴空穴异质势垒异质势垒E电子电子能量能量（b）PGa1-x Al x AsPN+（a）-GaAsGa1-y Al y As 异质结的作用：异质结对载流子

7、的限制作用异质结对光场的限制作用异质结的高注入比半导体激光器研究前沿半导体激光器研究前沿垂直于有源层方向上运动的载垂直于有源层方向上运动的载流子动能可量子化成分立的能级，流子动能可量子化成分立的能级，这类似于一维势阱的量子力学问题，这类似于一维势阱的量子力学问题，因而这类激光器叫做量子阱激光器。因而这类激光器叫做量子阱激光器。夹于宽带隙半导体（如夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体）中间的窄带隙半导体（如（如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的半导体激光器其有源层厚度约为半导体激光器其有源层厚度约为100200nm，但

8、随着有源层，但随着有源层厚度的减小，如厚度的减小，如510nm，载流子在垂直于有源层方向上出，载流子在垂直于有源层方向上出现量子效应，即出现量子化分立能级，称之为现量子效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器量子阱激光器。这种激光器发光效率更高，电这种激光器发光效率更高，电流阈值更小，出射光单色性更好。流阈值更小，出射光单色性更好。ECE3CE2CE1CEVE1VE2VE3V导带导带价带价带LxE1VE2VEg(GaAlAs)hvEg(GaAs)（2） 提供光的反馈提供光的反馈 解理面解理面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 激光二极管的谐振腔激光二

9、极管的谐振腔注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z = 0z = L晶体中易于劈裂的平面称为晶体中易于劈裂的平面称为“解理面解理面”。凡显露在晶体外。凡显露在晶体外表的晶面往往是一些解理面。表的晶面往往是一些解理面。（3） 满足激光器的阈值条件满足激光器的阈值条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入。为达到阈值增益所要求的注入电流称为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，才能成为工一个纵模只有

10、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出。作模式，即在该频率上形成激光输出。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，称为多纵模激光器多纵模激光器。通。通过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为式激振，这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。 增益曲线增益曲线损耗损耗vI2.2.2 半导体激光器的结构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（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、）

11、、P型和型和N型限制层构成，如图型限制层构成，如图2.2.2-1所所示。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电流电流金属接触金属接触P型型N型型有源层有源层300m200m100m解理面解理面这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为大面积激光大面积激光器。器。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了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。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

12、限制在一解决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，这样的激光器称为个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器条形半导体激光器，其结构如，其结构如图图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，这样的激光器称为现的，这样的激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。绝缘介质绝缘介质P-InGaAsPInGaAsPP-InPN-InPN+-InP衬底衬底二、折射率导引型半导体激光器二、折射率导引型半导体

13、激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引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题，这种激光入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为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接点接点N-InPN+-InP衬底衬底SiO2SiO2P-InPInGaAsP有源层有源层几种典型的折射率导引激光器几种典型的折射率导引激光器2.2.3 半导体激光器的特性半导体激光器的特性 一、光谱特性一、光谱特性图图2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性

14、示意图双异质结激光器的光谱特性示意图图图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。波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模纵模。驱动电流增大驱动电流增大 832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824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，多纵模变为单纵模，称为静态静态单纵模激光器单纵模激光器。DFB激光器激光器单纵模窄线宽激光器：单纵模窄线宽激光器：谐振腔损耗有明显的波长依赖性广泛应用于高速光通讯、精密光谱分析广泛应用于

15、高速光通讯、精密光谱分析二、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，远远场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，因此近场分由于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，光布表征其横模特性，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；在垂直；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是场图总是单横模单横模。远场特性远场特性 随有源

16、区厚度及折射率差的减小而减小。 随有源区宽度的减小而增大。 减小有源区的宽度，可以使远场更趋向于圆形光斑。 减小有源区宽度可以使高阶模截止。垂腔表面发射激光器垂腔表面发射激光器垂腔表面发射激光器垂腔表面发射激光器三、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由此得到由此得到式中，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分别为光子能量与电子电荷。分别为光子能量与电子电荷。（2.2.3-1）()/()/thdthPPhfP eIIeI hf（2.2.3-2）thth()dhfPPI

17、Ie激光器的电光转换效率用激光器的电光转换效率用外微分量子效率外微分量子效率d 表示，表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。 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为为典型典型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，当是自发辐射光，当 时，发出的是受激辐射光，光时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。功率随驱动电流的增加而增加。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thIIthI

18、I543210 0 50 100 I / /mA发射光功率发射光功率P/mW 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。图子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曲线曲线随温度变化的实例。随温度变化的实例。图图2.2.3-4 LD的的P-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化发射光功率发射光功率P/mW543210 0 50 100 I / /mA225070 一、光纤通信系

19、统的光源一、光纤通信系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源 三、泵浦、照明用光源三、泵浦、照明用光源四、其他应用四、其他应用目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中等，其中1310nm、1550nm主要用于光主要用于光纤通讯领域。纤通讯领域。405nm - 670nm为可见光波段，为可见光波段，780nm - 1550nm为红外光波段，为红外光波段，390nm - 370nm为紫外光波段。为紫外光波段。 半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪