半导体激光器的参数测量

1、半导体激光器的参数测量与调制特性一、实验目的通过测最半导体激光器工作时的功率、电压、电流，学生通过这些参数画出P-V.P-KI-V曲线，让学生了解半导体的工作特性曲线。学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，以及功率效率，外崑子效应和外微分效应。并对三者进行比较。内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器，通过调整不同的静态工作点，和输入信号强度人小不同，观察到截至区，线性区，限流区的信号不同响应(信号畸变，线性无畸变)，了解调制工作原理。测杲激光器的调制带宽和消光比。二、实验原理半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有神化稼(

2、GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化钢(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。半导体激光器的结构与工作原理现以砂化傢(GaAs)激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当人屋原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带(对应较低能帛：)。与价带最近

3、的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当丁出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用卜,也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。掺杂半导体与pm结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之I、和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级有诫主能级的半导体称为n型半导体;有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温卜,热能使n型半导体的人部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的人部

4、分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电：p型半导体主要由价带中的空穴导电。半导体激光器中所用半导体材料,掺杂浓度较人，n型杂质原子数一般为25xlO%m；p型为13xio19cm在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。11型半导体带中电子要向p区扩散，Ifljp型半导体价带中的空穴要向11区扩散。这样一來，结构附近的n型区由是施主而带正电，结区附近的p型区由是受主而带负电。在交界面处形成一个由11区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散(见图1)。p-n结电注入激发机

5、理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极,n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶OOOOOOOOOOOO图1自建电场的示意图体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用卜，又源源不断地通过pm结向p区扩散，在结区内同时存在着人最导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能最就以光的形式发射出來。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。耍使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，耍求注入p-n结的电流足够人（如3

6、0000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多J：价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。半导体激光器结构。如图2为结构图，其外形及人小与小功率半导体三极管差不多,仅在外壳上多一个激光输出窗II。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小Flinin2o图2半导休激光器的结构图半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-ii结平面相垂直的自然解理而（110而）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95%以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而

7、进行复合。2.半导体激光器的工作特性=seH工作电流（mA）图3半导体激光器的工作特性曲线图3中给出了典型的半导体激光器的工作特性示意图，其中实线是输出光功率和工作电流的关系（实线）；图中的虚线是工作电压和工作电流的关系曲线（V-I曲线），它基本是由两段斜率不同的直线构成，一般LD在极小的电流状态卜，电压已经较大了，所以一般测最时，只能看到第二段，第二段是LD的串联电阻（LD本身的电阻特性）与通过LD的电流的结果。（1）阈值电流（Ith）o当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增人增益也增人，达阈值电流时，p-ii结产生激光。影响阈值的几个因素：a）晶体的掺杂浓度越大，阈值越

8、小。b）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。c）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温卜同质结的阈值电流kJ-30000Acm2；单异质结约为8000A/cm2：双异质结约为1600A/cm2o现在已用双异质结制成在室温I、能连续输出儿十亳瓦的半导体激光器。d）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。e）阈值电流（1血）的测最方法。(Mn)OOOOOOOOOO50505050544332211匚作电流（mA）图4半导体激光器的工作持性曲线图4中给出了典型的半导体激光器的典型特性示意图，其中的曲线是输出光功率和

9、工作电流的关系（实线），虚线是对功率和电流的关系一次求导的结果，划线是对功率和电流的曲线的二次求导的结果。一般对阈值的描述常用的有卜述几种过程：a,在P-I曲线的快速上升断上取其中的线性部分延长线与横坐标的交点：b,把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那么两条直线的交点就是阈值；c,在dP-dl的曲线上，取上升延的中点（10%和90%两点的中点）；d,d2P/df的顶点作为阈值点。（2）效率a）外量子效率：_激光器每秒钟发射的光子数2%_激光器每秒钟注入的电子-空穴对数_-777T其中Pex为激光器输出光功率，h为普朗克常数，eo为电荷常数，I为工作电流。一般77K时，GaAs激光器外最

10、子效率达70%80%：300K时，降到30%左右。b）功率效率_激光器辐射的光功率_P纣，7p=激光器消耗的电功率_W由Th小E&e0V,所以功率效率可以近似为外量子效率。其中为激光器工作电压。c）外最子微分效率由J：激光器是阈值器件，当I小发射功率几乎为零，而人J：阈值以后，输出功率随电流线性増加，所以用外帚子效率和功率效率对激光器的描述都不够直接，所以定义了外微分效率。_%-心）如二%m（/-/；/,）/o=（I-Ilhyeo由各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的血最高io%，只有在低温卜才能达到30%40%。II.Io分别为信号“1”和“0”在探测器上的平均响应电流，6和久分别为信号“

11、1”和“o”在探测器上的噪声均方根。对丁PIN光接收器來说，主要噪声是热噪声，而热噪声与平均电流无关，所以此时的0参数和系统的谋码率BER为：BER=lerfc（匚物）.（】+用（-（】-m）P讥）2V2（l+rjQ_QQ师从图5可以看出，BER随参数的増加而得到改善。以国标G.826來说，155Mbit/S的传输速率要求BER10-9为例，当消光比珥=0时，。参数仅要求达到6,而对丁消光比re=0.3,要想达到要求，就需要。参数达到8.5,而这种情况下，若消光比产0.1,误码率可达到IO14,若图9不同消光比造成系统谋码剰牛能下降的曲线消光比尸0,误码率可达到10叭三、实验装置半导体激光器演

12、示仪一套，结构原理图如卜:四、实验步骤将工作点旋钮逆时针旋转到头（将工作点调整旋钮顺时针、逆时针轻轻一下，通过手感可以判断是否达到，注意不要大力硬行旋钮。）；接通半导体激光器演示仪的电源；按调制选择按键（两次，开机默认为内调制），将半导体激光器调整到连续工作状态;顺时针调整工作点，记录多个状态I、的电压、电流和功率值。电流最人不要超过25mAo123456789101112131415V(V)I(mA)P(mW)通过作图，得到激光器阈值功率1山利用5中得到的结果，在记录卜來的数据中选取三组计算功率效率和外最子微分效率（其中波长近似等于650iun）；按光源选择按钮，选择另外一个LD,重复上述的44步；按调制选择按键，将半导体激光器调整到外调工作状态；输入外调制信号，观察不同工作点卜的输入信号和输出信号的情况；测最调制带宽，通过输入不同频率的正眩波信号，观测当输入信号振幅相同的条件卜，输出振幅I、降到原输出振幅