半导体激光器-

1、激光原理(yunl)概述半导体激光放大器（LD）注入式半导体激光器激光的安全概述共一百二十三页激光(jgung)原理概述一. 受激吸收、自发辐射(z f f sh)、和受激辐射受激吸收：原子吸收光子hv=E2-E1向高能态跃迁。自发辐射：激发态原子会自发地向低能态跃迁而发射出一个光子。 hv=E2-E1E2E1hvhvE2E1受激辐射：处于高能态的原子受到外来光子hv =E2-E1的的诱发而发射出一个与外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子。E2E1hvhvhv共一百二十三页激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干(xinggn)辐射(Light Amplification by

2、Stimulated Emission of RadiationLaser)二、产生(chnshng)激光的条件(1)粒子数反转在正常状态下，处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子数，这是玻尔兹曼分布的结果.在正常分布下，当光通过物质时，受激吸收过程较之受激辐射过程占优势，不可能实现光放大。共一百二十三页要实现光放大(fngd)，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数，这种分布称为粒子数布居反转分布，简称粒子数反转。 能实现粒子数布居反转分布的物质，称为激活(j hu)介质(或称工作介质) 。从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态这一能量供应过程称为“激励”，

3、又称“抽运”或“光泵”一般可以有光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等激励的方法共一百二十三页粒子(lz)数反转的实现处于激发态的原于是不稳定的，平均寿命约为10-8s有些物质存在着比一般激发态稳定得多的能级，其平均寿命可达到10-31s的数量级这种受激态常称为亚稳态。例如，三能级系统具有亚稳态的物质就有可能(knng)实现粒子数反转。激励能源把E1上的原子抽运到E3上去，这些原子通过碰撞把能量转移给晶格而无辐射地跃迁到E2由于在E2态的原子寿命较长，这样使E2态的原子数不断增加，而E1上不断减少，于是在E2和E1两能级间实现了原子数反转 共一百二十三页 (2)光学(gungxu)谐振腔使

4、某一方向和频率的光子享有最优越的条件(tiojin)进行放大。共一百二十三页只有沿轴线方向的光子，能在腔内来回反射，在一定(ydng)的条件下，产生连锁式的光放大，从部分反射镜射出很强的光束（激光）讨论谐振腔要满足(mnz)的条件谐振腔中的增益与损耗M1M2xx+dxL0I4I5I1I2I3设工作介质的增益系数为G,经过距离dx后,光强的增量为dI ,有：共一百二十三页光在谐振腔中增益(zngy)大于损耗，G大于Gm时,能形成(xngchng)激光阈值条件光放大: 在受激辐射中，一个入射光子会得到两个状态全同的光子。这两个光子还能再引起受激辐射，这样继续下去，就能得到大量特征相同的光子，实现光

5、放大。共一百二十三页能实现粒子数布居反转分布的物质，称为激活介质(具有(jyu)亚稳态结构) 。粒子数反转(fn zhun): 要实现光放大，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数，粒子数反转。激光器：由激励能源、工作物质和谐振腔组成的能产生激光的装置。共一百二十三页（1）红宝石激光器共一百二十三页（2）氦氖激光器（3）半导体激光器P-GaAsn-GaAs+-共一百二十三页 要形成激光必须(bx)满足两个条件： 一、要有能实现粒子数反转(泵浦)的激活介质 二、要有满足阈值条件的谐振腔共一百二十三页 导带 价带 导带 价带正常分布反转分布共一百二十三页产生粒子(lz)数反转的方法强光对激光物

6、质进行(jnxng)照射固体激光器气体电离气体激光器注入载流子半导体激光器共一百二十三页 （a) P-N结内载流子运动(yndng)； P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b) 零偏压(pin y)时P-N结的能带倾斜图PN结的能带和电子分布共一百二十三页hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向(zhn xin)偏压下P-N结能带图获得(hud)粒子数反转分布 共一百二十三页增益(zngy)区（作用区）的产生： 在PN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

7、向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图。 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，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。 产生粒子数反转分布的条件：共一百二十三页光增益ECEV产生(chnshng)激光的必要条件三：有光学谐振腔激光(jgung)振荡和光学谐振腔共一百二十三页激光振荡的产生 粒子数反转分布（必要条件)+ 激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择 = 连续的光放大和激

8、光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行(pngxng)反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。 激光(jgung)振荡和光学谐振腔共一百二十三页激光稳定工作的条件(tiojin)1：合适的谐振腔产生稳定振荡的条件(tiojin)（相位条件(tiojin)）m 纵模模数，n 激光媒质的折射率共一百二十三页注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L 法布里珀罗腔 共一百二十三页反馈(fnku)端面(dunmin)（解理面）作为反射镜半导体的折射率

9、n很大，R接近于1，具有很高的反射率。因此在PN结激活区的两个端面形成一对面积为 间隔为d的反光镜，构成光学谐振腔。 半导体空气界面上的功率反射率共一百二十三页 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光(jgung)输出。 激光稳定工作的条件(tiojin)2：光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R20K带宽中的光子(gungz)激光放

10、大共一百二十三页增益(zngy)系数与泵浦（pumping）载流子的注入(zh r)率峰值增益系数共一百二十三页电流(dinli)泵浦共一百二十三页共一百二十三页共一百二十三页共一百二十三页共一百二十三页异质(y zh)结半导体激光器1. 结构(jigu)特点同型异质结 n-N, p-P 异型异质结 n-P, p-N为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。共一百二十三页带隙差和折射率差本质性质有重要(zhngyo)的特性和效应：高注入比和超注入比；几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光限制作用；导波效应和“窗口”效应共一百二十三页 DH激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施

11、加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生(chnshng)的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。共一百二十三页共一百二十三页共一百二十三页同质结阈值(y zh)高的原因: 共一百二十三页

12、依异质结构发展:同质结-单异质结-双异质结-大光腔-分离限制(xinzh)异质结- 量子肼-量子线-量子点大光腔（LOC）激光器激光(jgung)二极管的基本结构共一百二十三页49分离(fnl)限制异质结(SCH)激光器共一百二十三页依条形(tio xn)结构发展:宽接触条形结构共一百二十三页共一百二十三页共一百二十三页阈值(y zh)特性Jth与有源层厚度的关系(gun x)Jth与腔长的关系Jth同温度的关系T0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。 T0越大，Jth随 T的变化越小，激光器越稳定。共一百二十三页54温度对的影响主要来自三个方面： 1, 增益系数(x

13、sh) 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。共一百二十三页温度(wnd)影响半导体激光器的增益系数依赖(yli)器件的工作温度。低温，即使注入的载流子浓度不太高，也容易获得很高的增益。原因：低温下，注入的载流子较集中于导带底和价带顶，材料中的光吸收比较弱，容易实现粒子数反转，获得高增益。可解释半导体激光器的光输出功率为什么随温度温度迅速变化。共一百二十三页依谐振腔的发展(fz

14、hn): FP腔-分布反馈-分布布拉格发射器-垂直腔面-微腔DFB LD：Distributed Feedback Laser DiodeDBR LD：Distributed Bragg Reflector Laser DiodeVCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser FP激光器的谐振腔由镀膜的自然解理面形成的 ，只能实现静态单模工作。在高速调制或温度和电流变化时，会出现模式跳跃(tioyu)和谱线展宽。共一百二十三页分布式反馈激光器的提出：前面描述的激光器的光学反馈都是基于一对反射面的，但是在光学集成(j chn)光路中，很难形成这样的反射

15、面。有两种解决办法：可以通过刻蚀技术形成反射面，但晶片的的表面就会被破坏，使得电气连接和散热器的制造变得很困难。利用分布式反馈激光器共一百二十三页58DFB（DBR）激光器器件结构(jigu)分布反馈激光器DFB：Distributed Feedback光栅为内光栅，光栅在有源层内的波导层上。分布布喇格反射激光器DBR：Distributed Bragg Reflector光栅在有源层两端外的波导层上形成。共一百二十三页59DFB-LD和DBR-LD 结构图（a）DFB激光器（b）/4相移的DFB激光器共一百二十三页60Distributed-Bragg-Reflector Laser (DB

16、R-Laser)Distributed-Feedback Laser (DFB-Laser)Fabry-Perot Laser (FP-Laser)共一百二十三页理论(lln)基础为了保持波前的相位相干性而且避免相消干涉，光线的路程(lchng)差必须为波长的整数倍。即满足：共一百二十三页 为了能够在激光器中通过(tnggu)光栅 实现180。的反射，只需要满足共一百二十三页无论DFB还是(hi shi)DBR激光器，所有光栅都必须满足布喇格反射条件. 为光栅(gungshn)的周期长度，m为阶模，n为折射率，0为光波在真空中的波长。对于=1.55m的激光器来说，InGaAsP有源区折射率的典

17、型值n=3.4，因此有： 一级光栅：m=1， 1=0.23 m 二级光栅：m=2， 2=0.46 m共一百二十三页64耦合波理论(lln) 由于光栅的引入，会造成波导层中介电常数的周期变化，从而会引起激光器中特定的激光模式的前向和后向波间的耦合。对这种周期波导结构中的光波(gungb)耦合，有三种分析方法：Kogelnik & Shank 行波耦合波分析；Yariv 波导耦合波分析；Dewanes、Hall、Cordero & S. Wang 等人的Bloch(布洛赫) 波分析。共一百二十三页归纳起来，这三种分析方法可以等价(dngji)为两种方法：耦合波方法：规定边界条件，求出前向和后向耦合

18、波方程的解；Bloch波方法：假定结构无限长，求出Bloch波的本征解，之后再用于特定的条件。共一百二十三页66根据Maxwell方程可推导(tudo)出波动方程： (1)若E和P是时间(shjin) t 的谐波场，则有：(2)(3)将上式代入(1）可得：式中为真空磁导率, 0为真空介电常数，c为光速，k0为真空波数, ()为介质的极化率。(4)共一百二十三页67将上式代入(4）可得：(6)可写为：(5)式中令式中 为介质的复介电常数(ji din chn sh)，代入(6）式则得Helmhoth波动方程： (8)(7)共一百二十三页68在DFB或DBR激光器中， (x,y.z)是z的周期函数

19、，因此可以(ky)将(x,y.z)是z改写为：(9)式中(x,y.)是(x,y.z)的平均值， 是介电常数(ji din chn sh)的微干扰项，只在光栅区才不为零。共一百二十三页69无光栅(gungshn)时， =0，(8）式的通解为：式中Ef和Eb分别(fnbi)为前向波和后向波，f - forward, b - backward。 为复数传播常数。(11)(12)是限制因子，g为有源区增益，为内部的纵损耗。(10)共一百二十三页70有光栅时，介电微扰0，由于Bragg光栅的衍射作用，前向和后向的振幅随周期变化，是以光栅周期为周期的函数，可展开(zhn ki)成Fourier函数形式：b

20、为Bragg波传播常数，为相位失配因子。当l=m时， 为最小，此时(c sh)其它项可忽略不计，这时满足Bragg反射条件，光场的前向和后向波传播过程中发生耦合。(13)(15)(14)共一百二十三页71在介电微扰作用下，将产生无穷级次各异的衍射，但在0的Bragg波长附近，将有一对(y du)衍射振幅最大，且相位同步的正、反向传播的波存在，可分别表示为：上式方括号中的每项都以为周期的周期函数。若将介电常数的周期变化(binhu)加以考虑，就可望出现Bloch型的本征模。b=m/为Bragg波数，或叫Bragg传播常数，进一步推导可以得出：(18)(20)分析表明:(19)共一百二十三页激光器

21、中激光模式的物理(wl)解释 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(wndng)分布，这种稳定(wndng)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，它们为模式指数。半导体激光器的模式共一百二十三页激光器中激光模式的物理解释:F-P腔:向左向右传播的两束光形成驻波,如果它们的振幅相等,来回的相位差等于2pi，就可以形成耦合干涉波。DFB激光器: 光波在传播过程中驻波部分地、周期性地被反射了

22、，若光波的频率同DFB中的周期一致或者非常接近，就会通过光增益获得光放大，实现受激辐射(fsh)，发出激光。DFB激光模式并不是正好在布拉格波长 处，而是对称出现在 两边。共一百二十三页光栅周期均匀分布的DFB激光器发射出来(ch li)的激光是具有两个主模的多模光谱。造成这种两个主模是由完全对称的、并且均匀分布的周期光栅造成的。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阀值增益差增大，采用如下(rxi)方法：在光栅中引进一个/4相移；将解理面之一弄斜，或在端面镀增透膜，造成非对称的端面反射率；使距腔面之一的一小段没有光栅，形成无分布反馈的透明区；对光栅周期进行适当啁啾。上述方法中，引

23、进/4相移和不对称端面反射率两种方法较可行，并且有效。共一百二十三页FP-LD与DFB-LD的比较(bjio)光谱特性(txng) .激光器光谱特性包括峰值(或中心)波长、光谱宽度；共一百二十三页DFB性能(xngnng)特点1.波长选择性：在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模。在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期决定。当 l 阶模和 l1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有(zhyu)一个模式有足够的增益产生激光。应用：波长复用技术总结共一百二十三页2.光发射线宽线宽窄：发射谱线宽定义

24、为激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到2埃，约 50 GHz，而带有光栅结构(jigu)的DFB的线宽约为50100 kHz。目前商用的DFB激光器在1.55m处的线宽小于25埃。共一百二十三页3.稳定性传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响(yngxing)。DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。（发射波长随温度变化小）共一百二十三页 DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下优点： 易形成单纵模振荡； 谱线窄， 方向(fngxing)行性好； 高速调制时

25、动态谱线展宽很小，单模稳定性好； 输出线性度好。共一百二十三页80垂直(chuzh)腔面发射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser （VCSEL）垂直腔面发射激光器，顾名思义，它的腔面平行于pn结平面，激光的发射方向垂直于pn结平面。VCSEL表现出低工作电流、单模激光输出、光束发散角度小、寿命长等一系列优点，成为(chngwi)非常实用的一种半导体激光器。共一百二十三页81面发射(fsh)激光器的结构共一百二十三页82面发射(fsh)激光器的结构共一百二十三页83面发射(fsh)激光器的结构共一百二十三页84多层介质(jizh)膜的反射率在垂直腔面

26、发射激光器中，振腔谐既不是解理面构成的Fabry-Perot腔，也不是DFB(或DBR) 激光器中波导层中厚度(hud)周期变化的Bragg 光栅，而是多层介质膜构成的Bragg 光栅。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为n1和n2、d1和d2，并且满足如下条件： 则多层介质膜在界面处对所选波长的光波进行反射。共一百二十三页85有两种介质，如果其折射率分别为n1和n2，并且n1n2，将其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一种介质层的厚度为/4，即分别为d1=0/4n1和d2=0/4n2。如果这两种介质的层总数为偶数2m+1时，则其垂直(chuzh)方向上的反射率为：多层介质(jizh)膜的反射率

27、可以看出: n1/n2的比值越大则越有利于获得高的R。同样，介质层数目越多，即2m越大时R也会越大。共一百二十三页86VCSEL的特性(txng) VCSEL激光器的腔长L很短，模式间隔很大，容易实现单纵模工作，发射光谱很窄，可以获得很纯的单纵模。发光面既大又对称，园形发光面直径为几微米到几十微米，发散角度很小，仅仅几度。VCSEL激光器中发光面积(min j)很大，激光功率密度小。不会因功率密度大于临界值而发生灾变性退化现象，因而器件寿命长。如激光器的腔长为L，折射率为n，发射光谱的模式间隔为：共一百二十三页87VCSEL的特性(txng) VCSEL激光器的工作电流小：由于腔长短，整个有源

28、区的体积比端面发射激光器小许多，即使注入很小电流也能获得足够高的增益，发射激光。VCSEL激光器的阈值电流仅仅为毫安量级，甚至小于1mA，仅仅几十到几百微安的电流就能获得激光输出。VCSEL激光器无须解力就已经形成了谐振腔，可以对外延片上所有的器件进行检测，大大提高了工作效率、降低(jingd)了成本。可以在同一衬底上集成多个VCSEL激光器，制成多功能的VCSEL激光器阵列。共一百二十三页88量子(lingz)阱激光器（QW LD）超晶格与量子阱超晶格概念是1970年由美国IBM公司的日本人江崎(Dr. Esaki)和华人朱兆强首先提出来的。超晶格：两种或两种以上不同(b tn)组分或不同(

29、b tn)导电类型的超薄层材料，交替堆叠形成多个周期的结构，如果每层的厚度足够薄，以致其厚度小于电子在该材料中的德布洛依的波长，这种周期变化的超薄多层结构，叫做超晶格。组分超晶格和掺杂超晶格共一百二十三页89量子(lingz)阱超晶格中，周期交替变化的薄层层厚很薄，相邻的势阱中电子的波函数能够互相交替，使势阱中电子能态虽然是分立，但已被展宽。如果限制势阱的势垒的厚度足够(zgu)厚，大于德布洛依的波长，那么不同势阱中的波函数不再交叠，势阱中的电子的能级状态变为分立的状态。这种结构称之为量子阱。单量子阱（SQW，Single Quantum Well）。多量子阱（MQW，Multi-quantu

30、m Well）。共一百二十三页90量 子 阱两种不同组分(zfn)（能带隙不同）的半导体材料密接时, 形成异质结两个靠得足够近的相向异质结可以构成理想的矩形势阱,当阱宽小于电子的平均自由(zyu)程,即形成量子阱。InGaAsPInPk = 0 处InPInGaAsPInPEg1Eg2共一百二十三页91量子(lingz)阱材料的能带结构体材料(cilio)量子阱材料kzkxkykxyzkykxkxykxyZ方向形成分立能级kz价电子带HH1LH1HH2LH1HH2HH1xy方向仍为连续能级共一百二十三页92低维量子材料(cilio)及其状态密度体材料(cilio)随着维数的减少，状态密度越来越

31、小，对于量子点，只变成了一个个孤立的直线。量子线量子点ED(E)ED(E)E0E1E2量子阱D(E)EE0E1E2D(E)EE0E1E2Esaki (1968)Sakaki (1980)Arakawa & Sakaki (1982)共一百二十三页93量子阱的分立能级(nngj)和态密度量子线的分立(fn l)能级和态密度共一百二十三页94量子点的分立(fn l)能级和态密度分别m, n, l=1，2，3 共一百二十三页95量子阱中，导带和价带的态密度分布由抛物线形能带变为阶梯状，形成了以量子化能级为最低能态的二维“子带”组。二维“子带”使得(sh de)电子和空穴在其上的填充情况大为改变，增大

32、了吸收边光跃迁的状态数，发射光谱变窄。共一百二十三页96量子(lingz)阱激光器工作原理受激发射必须满足(mnz)的条件为：设激光器的腔长为L，端面反射率为R1、R2，内部吸收损耗为，光限制因子为，因激光器应满足的阀值条件为：进一步推广至各子能带情况：共一百二十三页97 SQW： MQW：SQW和MQWNa个势阱和Nb个势垒，n 为有源区势垒层和势阱层的平均(pngjn)折射率。表示的是折射率为n的等效层（厚度为Nata+Nbtb）的光限制因子。m正比于势阱的总厚度同势阱和势垒的总厚度和之比值。MQW的m可达0.2，比s要大得多。 共一百二十三页SCH-SQW共一百二十三页99量子(ling

33、z)阱激光器的新特点态密度呈阶梯分布，光子能量(nngling)h=Ec1-Ehh1Eg，g， 蓝移。辐射复合主要发生在Ec1和Ehh1两个能级之间，发射光谱的谱线窄。很高的注入效率，易于实现粒子数反转。温度稳定性好声子协助载流子跃迁。共一百二十三页100量子(lingz)阱激光器的特性阀值特性: 比DH LD低5-10倍, 能小于1mA。P-I特性外量子效率, 可达80%以上(yshng).特征温度T0可达160K以上.共一百二十三页101AlGaInP量子阱激光器的P-I特性(txng)曲线和光谱特性(txng)共一百二十三页半导体激光器的主要(zhyo)特性共一百二十三页1. 发射波长和

34、光谱(gungp)特性不同半导体材料(cilio)有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50最大幅度值线段的中点所对应的波长。共一百二十三页 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 8

35、32 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)共一百二十三页 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件(tiojin)式的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 图（b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽

36、。共一百二十三页 2. 激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度(hud)t所决定，并称为激光器的横模。 由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。 共一百二十三页GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 共一百二十三页 典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图

37、样(tyng) (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束 图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别(fnbi)为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。共一百二十三页3. 转换(zhunhun)效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。由此得到式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h和e分别为光子能量和电子(dinz)电荷。 外微分量子效率d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数外量子效率为：共一百二十三页典型半导体激光器的

38、光功率特性 (a) 短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长InGaAsP/InP 共一百二十三页 4. 温度特性半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。 温度升高时，Ith 增大，d减小， 输出光功率明显(mngxin)下降，达到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为共一百二十三页 GaAlAs GaAs 激光器T0=100-150 K

39、InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加(gnji)敏感。 I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料(cilio)的特征温度。共一百二十三页图示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率(xio l)减小，造成的输出光功率特性P I曲线的变化。 P-I曲线(qxin)随温度的变化 共一百二十三页面发射(fsh)激光器（VCSEL） 腔短，单纵模，发射光谱(f sh un p)窄获得很纯的单纵模 发光面既大有对称，发散角度很小。 工作电流小 很易实现集成化的VCSEL 激光器短的谐振腔和大的发光面共一百二十三页量子(lingz)阱激光器（QW-LD） 波长(bchng)向短波方向变化 “蓝移”； 阈值电流密度小； 发射光谱窄； 调制带宽大。共一百二十三页激光(jgung)的安全概述光的危害(wihi)热效应 声效应 光化学效应 共一百二十三页激光对眼睛(yn jing)的损害1.照射时间100ms400ms2.脉冲的重复(chngf)频率 高RR 集累效应 ，RR1HZ 集累效应可以忽略3.组织对