半导体激光器课程综述报告

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 半导体激光器的简介 2\o"CurrentDocument"二、 半导体激光器的原理 2\o"CurrentDocument"三、 基本结构和特征 3\o"CurrentDocument"四、 外文资料综述 4\o"CurrentDocument"五、 参考文献 5半导体激光器一、 半导体激光器的简介半导体激光器（LD）是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。其工作物质是采用直接带隙半导体材料构成的结形器件，受激辐射是由电子一空穴复合而产生的。半导体激光器的发明推动了光电子技术蓬勃发展，特别是光纤通信事业的发展。半导体激光器得到惊人的发展，是由于它具有一系列独特的特点：一，体积小，重量轻，激活面积约0.5mmx0.5mm。二，效率高。能量转换效率大于30%，外微分量子效率大于50%，内量子效率接近100%。三，辐射波长范围大。波长在0.325~34rm之间。从蓝绿光、红光到红外。四，使用寿命长，在百万小时以上，即使在60C环境温度下，其寿命达20万小时以上。半导体激光器自诞生以来，已被广泛应用于光纤通信、激光打印、激光焊接、激光医学、泵浦固体激光器、军事、科研及光信息处理等方面。二、 半导体激光器的原理半导体激光器的基本原理是基于光子和半导体中的载流子的相互作用。就基本原理而论，半导体激光器与其他类型的激光器没有根本区别，都是基于受激辐射光放大，必须实现粒子数反转分布条件和满足阈值条件。在具有能带结构的半导体有源介质中，如果沿用气体、固体激光器的粒子数反转条件是令人费解的。因为价带空穴的有效质量比导带电子的高一个数量级，因而价带电子态密度也要比导带高的多。若要在半导体有源介质中实现粒子数反转，需要导带和价带准费米能级之差大于或等于禁带宽度。为了实现粒子数反转与阈值条件，使激光器产生相干输出，除了需要直接带隙半导体有源介质外，光子反馈谐振是实现上述条件的保证，这也是半导体激光器与发光二极管的区别。从激光原理可知，激光器的工作原理是必须实现粒子数反转分布和阈值条件。这些条件是依靠激光器的结构来实现的。激光器的基本结构包括激光工作物质、光学谐振腔和激励源三部分。半导体激光器的有源区的基本结构单元是PN结。辐射复合产生的光场也会向有源区两边渗透，为使阈值电流密度降低和有效的工作，必须将注入有源区的载流子限制在更小的区域内，以提高注入载流子浓度，并将光子限制在有源区内。同时实现这两个目的的有效途径是采用异质结，利用异质结两边带隙差将载流子限制在有源区内，又利用其折射率差形成光波导将光子也限制在有源区内。半导体激光器的基本结构只有几种，如双异质结、条形、量子阱和分布反馈等，某些性能优良的激光器是这些基本结构的优化组合。三、基本结构和特征单异质结激光器是在1969年研制成功的，它是用液相外延法，在N-GaAa衬底外延生长一层P-GaAa，再在GaAaPN结P-GaAa一侧外延生长一层P-GaAlAa半导体的三层结构。单异质结激光器的优点是阈值电流密度低、效率高。室温下单异质结激光器的阈值电流密度七与有源区宽度d有关，有源区宽度存在一个最佳值，当d-2rm时、最低，对单异质结激光器有源区宽度d的取值范围为2-2.5rm。实验表明单异质结激光器的阈值电流密度七与腔的损耗、腔长、腔镜反射率及工作条件等因素有关。而双异质结激光器的结构为四层，即N-GaAa衬底和三层外延生长层。双异质结的工作原理是在正向偏压情况下，电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注入有源区，注入的电子和空穴的扩散分别受到PP异质结和NN异质结的限制，从而在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度，同时窄带隙层的折射率较大，宽带隙层的折射率较小，窄带隙有源层构成一个限制光子在有源区内的介质光波导。与同质结器件相比，由于双异质结比较容易获得很高的非平衡载流子浓度，因此有源区及限制层都不一定需要重掺杂。单量子阱激光器的结构基本上就是把普通双异质结激光器的有源层厚度做成数十纳米的激光器。典型结构参数：腔长为120rm，有源区厚度为20〃m，阈值电流为0.55mA。而量子阱激光器具有的优点有：通过改变量子阱厚度可以在很宽的光谱范围改变激光器激射波长。注入载流子利用率高，有利于产生更大的输出功率，适合于制作大功率激光器阵列。价带的轻、重空穴带量子化能级分离，因此具有TE、TM模的选择控制功能。微分增益系数高，能在更高的调制速率下工作，动态特性好等。由于半导体激光器体积小，结构简单和性能可靠，在集成光路和光纤信号传输应用中是一种极好的光源。半导体激光器是一种高效率的电子一光子转换器件。小功率的可以连续输出功率在几毫瓦到十几毫瓦，大功率的连续或准连续输出功率达到几百瓦或千瓦的水平。半导体激光器的模式可以分为空间模和纵模。纵模表示频谱分布，反映发射光功率在不同波长上的分布，而空间模描述围绕输出光束轴线的光强分布，或是空间几何位置上的光强分布。由于半导体激光器是电子和光子直接进行能量转换的器件，因此它具有直接进行信号调制的能力，这也是半导体激光器有区别于其他激光器的重要特点之一。与工作在直流状况下的半导体激光器不同，在高速直接调制情况下也会出现一些有害的效应，影响半导体激光器调制带宽，如弛豫振荡等。这些有害的效应与有源区内电子的自发辐射寿命七和光子寿命，密切相关。至今，半导体激光器几乎已经是光纤通信系统中唯」的光源。其主要优点之一是通过改变工作电流就可以进行信号的直接调制，也使激光器与调制用电子电路有可能实现单片集成，半导体激光器的调制特性与器件特性结构有密切的关系。四、外文资料综述在这门课的学习过程中，我学习了《在半导体二极管激光器的光学反馈弛豫振荡动力学》这篇英语文献，这篇文献是2013年3月15日在IEEE上发表的。这篇文献从理论上探讨单模半导体激光器的稳定性在短期外部延迟政权微弱光反馈。，在一般情况下，虽然激光是弛豫振荡的反馈引起的激励敏感，但是预测的完整的不敏感性为这些振荡时的振荡频率的乘积与外部的延迟时间等于一个小的整数。这就可能形成的基础弛豫振荡无激光的设计。在过去的许多应用法布里一珀罗型半导体激光器利用外部光反馈，或进行自行注射。对这个现象的方法是，反馈可以引入持续的弛豫振荡。激光强度和粒子数反转，这对于一个孤独的激光是一种阻尼振荡，但之间的固有谐振可以很容易地根据延迟反馈通过一个所谓的霍普夫分分岔的影响力。它被隐含地知道，弛豫振荡的出现是敏感的，另据了解，为引起张弛振荡的最小反馈水平的反渗透频次的品敏感的外部延迟时间，有人预测，这种反馈电平显示最大值，根据共振条件每次等于一个整数，这一预测是基于一定的数字和分析方面的考虑。在这篇文章中，作者专注于在松弛振荡的激发外部反馈延迟时间的特殊作用。用一阶延迟微分方程，并且表明传与传统的半导体激光器和光弛豫振荡反馈。反馈激光器的行为就向弛豫振荡仿佛没有反馈存在一样，在上述条件下，弛豫振荡被衰减，而事实上，将被抑制。这种预测是有效的弱反馈，使得弛豫振荡频率不从其在激光大幅偏离。从第一阶段描述小的时间演化方程，强度的稳态解和倒置在一个单一纵模半导体激光弱的反馈可以由下式给出：8=-ycos(p)[8cp(t)-凶(t-气)]+(y/21)sin(p)[81(t)-81(t-t)]+(y2)a^8n(t)61=-2yIsin(p)[8p(t)-8p(t-t)]-ycos(p)[81(t)-81(t-t)]+&18n(t)8n=-(1T+gI)8n(t)-T81(t)通过检验以上方程并进行下面的观察，如果激光具有弛豫振荡与频率的当满足谐振条件ut=1,2,...以上方程可近似简化为：RO书广(12)以笑n(t)<51=&I5n(t)c S < c5n=—(1T+&I)5n(t)-T51(t)l ' S 0这相当于动力学方程为无反馈的激光器。可以得到结论该共振条件下的反馈迫使激光表现为一个单独的激光，在这种情况反渗透被抑制。人们可能不知道如何弛豫振荡抑制机制会影响用激光的调制特性反馈。这里并没有考察，但由于弛豫振荡抑制条件下类似激光的行为在没有反馈的单模激光器，预期频率调制特性也很相似。总之，弛豫振荡散装或量子阱半导体激光器与光弱反馈可以当激光被泵浦所抑制时，对弛豫振荡共振条件附近的区域，当反渗透频率和延迟时间的乘积等于一个小整数。这个原理是在稳定的单一设计中实现，目前使用的是频率集成二极管激光器。量子点激光器动态行为的完全不同上述激光器。然而，定性推理导致方程仍然适用于量子点激光器，但它应该是紧密联系在一起的输出增大强度。最后，在潜在应用抑制不稳定性。主要的应用是在中弱滤波光反馈的使用，以强制激光在单一模式下的操作，这导致了稳定的操作只对一定值反馈相位，这是很难控制的，即便具有相位控制元件的帮助。它将是最有利的操作，使激光在上述反馈相独立的时间间隔具有稳定性。五、参考文献[1]周广宽等.激光器件.西安：西安电子科技大学出版社，2011.，⑵周炳琨等.激光原理.北京：国防工业出版社，2009.13沃纳、格朗.半导体器件电子学.北京：电子工业出版社，2005.2DaanLenstra,SeniorMember,RelaxationOscillationDynamicsinSemiconductorDiodeLasersWithOpticalFeedback,IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.25,NO.6,MARCH15,2013HemashilpaKalagara,PetrG.Eliseev,andMarekOsi'nski,InducedAnomalousDispersioninSemiconductorLasers,IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINQUANTUMELECTRONICS,VOL.