第6章半导体激光器

第6章半导体激光器第一页，共47页。

6.3.1半导体激光器工作原理和基本结构

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：1、激活介质受激后能实现能级之间的跃迁；2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光。第二页，共47页。受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。(热力学平衡状态下，在较低能级上比较高能级上存在较多的电子)

电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收（本征吸收）自发辐射受激辐射第三页，共47页。(a)自发辐射hυ=E2-E1初态E2E1终态E2E1光子的特点：非相干光典型应用：发光二极管第四页，共47页。hυ初态E2E1终态E2E1(b)受激辐射光子的特点：相干光典型应用：半导体激光器第五页，共47页。(c)受激吸收（光电二极管）hυ终态E2E1初态E2E1

产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位hυ初态E2E1终态E2E1(b)受激辐射第六页，共47页。受激辐射和自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。

自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。受激辐射和受激吸收的区别与联系

受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即

E2-E1=hυ式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，υ为吸收或辐射的光子频率。第七页，共47页。

产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。第八页，共47页。

受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。

N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?

第九页，共47页。

导带

价带

导带

价带正常分布反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布第十页，共47页。产生粒子数反转的方法注入载流子－半导体激光器强光对激光物质进行照射－固体激光器气体电离－气体激光器第十一页，共47页。

图3.2半导体的能带和电子分布

(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体2.PN结的能带和电子分布

在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。第十二页，共47页。在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布

式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同第十三页，共47页。

（a)P-N结内载流子运动；

P区PN结空间电荷区N区内部电场

扩散

漂移势垒EpcP区EncEfEpvN区Env(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图图3.3PN结的能带和电子分布第十四页，共47页。hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布产生粒子数反转分布的条件：增益区第十五页，共47页。3激光振荡和光学谐振腔M1M2(a)利用晶体天然解理面形成法布里-珀罗谐振(F-P)腔(b)利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合形成光振荡(分布反馈型DFB,分布布喇格反射型DBR)第十六页，共47页。光增益ECEV产生激光的必要条件三：有光学谐振腔第十七页，共47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的平行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,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。3激光振荡和光学谐振腔第十八页，共47页。激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔产生稳定振荡的条件（相位条件）m纵模模数，n激光媒质的折射率第十九页，共47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输出。

激光稳定工作的条件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γth=α+

式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率第二十页，共47页。

式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1,2,3…称为纵模模数。

在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。L=m

激光振荡的相位条件为光功率第二十一页，共47页。LD的发光过程注入电流，即注入载流子；在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工作。第二十二页，共47页。

4.半导体激光器基本结构驱动电源工作物质谐振腔注入式：加正向偏置电压光子激励电子束激励PN结（同质结）异质结单异质结双异质结（DH）解理面布拉格反馈分布反馈式DFB分布布拉格反射式DBR第二十三页，共47页。4.半导体激光器基本结构

最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如下图所示。解理面金属接触电流有源层P型N型300μm100μm200μm大面积半导体激光器1）、同质结（PN结）半导体激光器第二十四页，共47页。PN能带正向电压V时形成的双简并能带结构PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足1）、同质结半导体激光器4.半导体激光器基本结构第二十五页，共47页。2）、异质结半导体激光器

同质结、异质结结构示意图为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。4.半导体激光器基本结构第二十六页，共47页。4.半导体激光器基本结构

这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有一层厚0.1-0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。3）、双异质结（DH）半导体激光器第二十七页，共47页。第二十八页，共47页。

DH激光器工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，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0.1-0.3μm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。第二十九页，共47页。

图3.6DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布带隙差对载流子有限制作用，

折射率差对光子有限制作用第三十页，共47页。

3.1.2半导体激光器的主要特性

1.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)hf=Eg(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85μm波段铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3-1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到第三十一页，共47页。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。1.发射波长和光谱特性第三十二页，共47页。

图3.7GaAlAs-DH激光器的光谱特性

(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)第三十三页，共47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3.7(b)是300Mb/s数字调制的光谱特性，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。第三十四页，共47页。2.转换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。(3.7a)由此得到(3.7b)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，hf和e分别为光子能量和电子电荷。外微分量子效率ηd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：第三十五页，共47页。

图3.10典型半导体激光器的光功率特性

(a)短波长AlGaAs/GaAs(b)长波长InGaAsP/InP第三十六页，共47页。43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mWLED的P-I特性543210050100I/mA发射光功率P/mW22℃

50℃

70℃

LD的P-I特性第三十七页，共47页。

Ith=I0exp(3.9)3.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ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，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，可以表示为第三十八页，共47页。I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。

GaAlAs–GaAs激光器T0=100-150KInGaAsP-InP激光器T0=40－70K

所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。图3.12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减小，造成的输出光功率特性P

－I曲线的变化。

Ith=I0exp第三十九页，共47页。图3.12P

I曲线随温度的变化第四十页，共47页。

3分布反馈半导体激光器

分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。

分布反馈激光器的要求：（1）谱线宽度更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4）阈值电流更低（5）输出光功率更大第四十一页，共47页。

图3.13分布反馈(DFB)激光器

(a)结构；(b)光反馈第四十二页，共47页。

由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。

光栅周期Λ=m(3.10)ne为材料有效折射率，λB为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为(3.11)第四十三页，共47页。DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：

①易形成单纵模振荡；②谱线窄，方向行性好；③高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性