4.2 半导体激光器

半导体激光器（LD）

激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人们控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。

一、

激光器的基本结构激光器的基本结构如图3-1所示，它是由三部分组成的，即：工作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源--电源）。

半导体激光器结构1、工作物质我们知道要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子数反转分布。2、泵浦源激励方法有光激励、电激励和化学激励等，而每种激励都需要有外加的激励源，即泵浦源。它的作用就是使介质中处于基态能级的粒子不断地被提升到较高的一些激发态能级上，实现粒子数反转分布（N2＞N1）。光纤通信使用的半导体激光器，一般使用电激励。3、谐振腔谐振腔的作用正是加强介质中的受激放大作用。光学谐振腔是由两个反射镜组成，如图所示，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。谐振腔二、激光器的振荡条件1、激光器起振的阈值条件考虑谐振腔是平行平面腔，谐振腔反射镜的反射率分别为

和

，两镜间距为

，其间充满激活介质。按照激光原理的理论，其起振的阈值条件是

式中，

表示激光器的阈值增益系数、

表示激活介质（工作物质）的损耗系数。当M1是全反镜时，其

，则阈值增益系数

为2、谐振条件与谐振频率若使激光器能够在起振后，达到稳定振荡，需要满足的条件是：将腔长L设计成等于光辐射的半波长的整数倍，即式中，

为激活介质的折射率、

为纵模模数、

为激光波长。利用波长和频率的关系式，则公式可改写为谐振腔只对特定频率（

）的光波具有选择放大作用，这样的一些频率称为谐振腔的共振频率或纵模频率。

用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），常用的有F-P腔（法布里-泊罗腔）激光器和分布反馈型（DFB）激光器。半导体激光器的泵浦源是直流电源。二、半导体激光器在光纤通信中，F-P腔激光器采用的工作物质（半导体材料）一般是砷化镓（GaAs）或铟镓砷磷（InGaAsP）.1、同质结砷化镓半导体激光器砷化镓半导体激光器（1）基本结构参数。

长度L的范围为250～500μm、宽度W的范围为55～100μm、有源层的厚度d的范围为0.1～0.2μm。（2）发光区域。同质结砷化镓半导体激光器的发光区域是作为其核心部分的P-N结。

（3）特点。同质结砷化镓半导体激光器结构简单，由PN结发光,其阈值电流（激光器开始产生激光时的注入电流）较大；在室温下工作，发热严重，无法做到连续的激光输出；室温下，只能工作在脉冲状态，且脉冲的重复频率不高，约为几十千赫兹，脉冲的宽度很窄约为100ns;适合于小容量、低速率光纤通信系统中使用。砷化镓半导体激光器双异质结半导体激光器结构如图所示2、双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器结构（1）基本结构参数。长度L约为400μm，宽度W约为200μm，有源层的厚度d为0.1～0.4μm。（2）发光区域。双异质结。（3）特点。双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器缺点：有源区厚度加大；阈值电流降低（30～80mA）；波长范围1.27～1.33μm.双异质结半导体激光器结构分布反馈半导体激光器（DFB-LD）DFB-LD激光器结构具有单纵模振荡、波长稳定性好等特点，在高速数字光纤通信系统和有线电视光纤传输系统中应用广泛。

4、量子阱半导体激光器（QW-LD）QW-LD结构具有有源层很薄（10～100埃（A））、阈值电流很低（可达0.55mA）、输出功率高、谱线宽度窄等特点。1、阈值特性阈值电流（

）是指使LD输出光功率急剧增加，产生激光振荡的激励电流。如图所示，是某半导体激光器P-I曲线。三、半导体激光器的工作特性

P-I曲线

当激励电流I<Ith时,有源区无法达到粒子数反转,也无法达到谐振条件,自发辐射为主,输出功率很小,发出的是荧光;

当激励电流I>Ith时,有源区不仅有粒子数反转,而且达到了谐振条件,受激辐射为主,输出功率急剧增加,发出的是激光,此时P-I曲线是线性变化的。对于激光器来说,要求阈值电流越小越好。

P-I曲线

2、光谱特性

半导体激光器输出光光谱特性曲线如图所示,从光谱特性曲线可以发现半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。输出光光谱

当激励电流I<Ith时,说明发出的是荧光,光谱很宽(几十纳米);当激励电流I>Ith时,光谱突然变窄(几纳米),谱线中心强度也急剧增加,说明发出的是激光。

对于半导体激光器来说,要求其输出