半导体激光器的主要性能

关于半导体激光器的主要性能4.5半导体激光器的主要性能1、阈值特性2、效率3、空间模式4、纵模5、线宽6、

动态特性7、

热特性8、

可靠性第2页,共35页，2024年2月25日，星期天4.5.1阈值特性阈值是所有激光器的属性，标志着增益和损耗的平衡点。阈值常用电流密度Jth或者电流Ith表示。影响激光器阈值特性的主要因素：

1）器件结构

2）有源区材料

3）器件工作温度1）器件结构的影响

不同的器件结构阈值电流有很大不同。有源区的材料必须选用直接带隙材料，材料的组分变化将会引起直接带隙和间接带隙跃迁的比率发生变化，从而改变辐射频率的波长。故：可通过薄膜生长工艺获得不同的有源材料。2）有源层材料的影响第3页,共35页，2024年2月25日，星期天3）温度的影响温度变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅度因材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：

Jth(T)=Jth

(Tr)exp((T-Tt)/T0)Jth(T)、Jth(Tr)

分别为在某一温度T和室温Tr

下所测得阈值电流密度，T0是一个由实验拟合的参数，称为特征温度。且：当To

∞时，阈值电流将不随温度变化，故提高To是一个重要研究内容。阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素：

1）增益系数；

2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子吸 收引起的内部损耗；

3）热载流子的漏泄。第4页,共35页，2024年2月25日，星期天阈值电流的测定？测定方法有四种：1）直线拟合法2）两段直线拟合法3）一次微分法4）二次微分法第5页,共35页，2024年2月25日，星期天描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转变为光能的效率。分别用功率效率和外微分量子效率描述。1）功率效率4.5.2半导体激光器的效率第6页,共35页，2024年2月25日，星期天第7页,共35页，2024年2月25日，星期天第8页,共35页，2024年2月25日，星期天2）外微分量子效率而其中的定义为斜率效率：第9页,共35页，2024年2月25日，星期天4.5.3半导体激光器的空间模式分为空间模和纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某处的光强分布（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有横模与侧模之分（如下图所示）。纵模则是一种频谱，表示所发射的光束功率在不同频率（波长）分量上的分布。第10页,共35页，2024年2月25日，星期天第11页,共35页，2024年2月25日，星期天1）半导体激光器的光束发散角第12页,共35页，2024年2月25日，星期天第13页,共35页，2024年2月25日，星期天解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直。第14页,共35页，2024年2月25日，星期天2）半导体激光器的像散第15页,共35页，2024年2月25日，星期天4.5.4半导体激光器的纵模1）产生原因：

注：入=1.24/Eg

(2.1.1);2nL=m入

（1.4.8）第16页,共35页，2024年2月25日，星期天2）纵模模谱第17页,共35页，2024年2月25日，星期天3）影响纵模谱的因素第18页,共35页，2024年2月25日，星期天可见：电流增加，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移。第19页,共35页，2024年2月25日，星期天第20页,共35页，2024年2月25日，星期天有源层的禁带宽度Eg随着温度增加而变窄，辐射波长发生红移。故：若选频则控制温度，若稳定功率输出，则选择恒温控制。第21页,共35页，2024年2月25日，星期天4）激光器的单纵模工作条件 Po/P1sat=10log(Po/P1–1)

可以得出，激光器单纵模工作时应使Po超过P1sat至少12.8dB，此即为均匀加宽激光器中达到单纵模工作所需输出功率的下限。第22页,共35页，2024年2月25日，星期天第23页,共35页，2024年2月25日，星期天4.5.5半导体激光器的线宽定义：表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm左右，在阈值以上的谱线宽度大约在2-3nm或更小。半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很多，主要原因如下：

1）LD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q值低；

2）有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化，增加了激光输出相

位的随机起伏（或相位噪声）。下面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响。第24页,共35页，2024年2月25日，星期天第25页,共35页，2024年2月25日，星期天4.5.6半导体激光器的动态特性第26页,共35页，2024年2月25日，星期天第27页,共35页，2024年2月25日，星期天第28页,共35页，2024年2月25日，星期天第29页,共35页，2024年2月25日，星期天第30页,共35页，2024年2月25日，星期天

的电阻<1欧），L1为引线电感（1-2nH），Cs为旁路电容（0.3-1pF）。选择并控制Cs和L1可明显抑制类谐振现象。第31页,共35页，2024年2月25日，星期天4.5.7半导体激光器的热特性引发机制：在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到20%-30%，意味着相当部分注入的电功率转换成了热量，引起激光器的温升。结果导致使LD的阈值电流增大、发射波长红移、模式不稳定、增加内部缺陷、并严重影响器件的寿命。解决办法：

1）加风扇或者冷水循环降温；

2）使用帕尔贴半导体制冷器。 （通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现LD的温度稳定，见下图）第32页,共35页，2024年2月25日，星期天3.8半导体激光器的可靠性第33页,共35页，2024年2月25日，星期天

二、可靠性试验为保证LD