半导体激光器

半导体激光仪器简介半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。分类1）异质结构激光器2）条形结构激光器3）GaAIAs/GaAs激光器4）InGaAsP/InP激光器5）可见光激光器6）远红外激光器7）动态单模激光器8）分布反馈激光器9）量子阱激光器10）表面发射激光器11）微腔激光器半导体激光器基本结构驱动电源注入式光子激励电子束激励工作物质PN结（同质结）异质结单异质结双异质结（DH）谐振腔解理面布拉格反馈分布反馈式DFB分布布拉格反射式DBR半导体激光器的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，如图示。有源层夹在P型和N型限制层中间，由此产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。这样的激光器面积大，称为大面积激光器。由于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器的主要特点。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构。受激辐射和粒子数反转分布在物质的原子中，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。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。PN结的特性当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡作用，称为势垒。半导体的能带和产生受激辐射的条件在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。

图(5-23)固体的能带图(5-24)本征半导体的能带同质结和异质结半导体激光器

同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。阈值电流密度:影响阈值的因素很多方向性:图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性

光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。半导体激光器的的主要特性1、伏安特性半导体激光的伏安特性与一般半导体二极管相同，具有单向导电性。其伏安特性曲线如图所示。由于工作时加正向偏压，所以其结电阻很小。其正向电阻值主要由材料的体积电阻和引线的接触电阻来决定。这些电阻虽然很小，但由于工作电流很大，其作用不能忽略。

2.量子效率与阈值电流

在复合区内，有两种复合。一种叫辐射复合，一种叫无辐射复合。前者发出光子，后者不发出光子，而是将多余的能量以热的形式散失掉。因而注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率ηi表示辐射复合所占的比例。

3.方向特性

普通气体激光器和固体激光器方向性很好，光束的发散角只有(球面度)。而半导体激光器的方向性要差得多。半导体激光器的作用区矩形光学谐振腔，其长、宽、高分别为l、w和d。其端面可近似看做面积为A=wd的相干光源。其辐射图样近似一个矩形狭缝的衍射图形。它的方向性用光束发散角表示。光束在与P-N结垂直方向的半功率点的张角叫垂直发散角，以θd表示，光束在平行P-N结方向半功率点的张角叫水平发散角，以θw表示。一般θd为40度，θw为10度。在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。

4.光谱特性由于半导体的导带，价带都有一定的宽度，所以复合发光的光子有较宽的能量范围，因而产导体激光器的发射光谱比固体激光器和气体激光器要宽。半导体激光器的光谱随激励电流而变化，当激励电流低于域值电流时，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，其宽度常达百分之几微米。如图(a)所示。当电流增大到阈值时，发出的光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加。这表明出现了激光。其光谱为分布如图(b)所示。由此可见知光谱变窄，单色性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特征，因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。

半导体激光器的的主要特性半导体激光器发射的光谱随温度而变化，GaAs激光器在77K下，其光谱宽度为百分之几微米，室温下宽度为千分之几微米，目前分布反馈型激光器的谱宽只有10-4μm左右。另一方面，温度升高时，激光峰值向长波方向移动，这是由于禁带宽度随温度升高而变小，因而发射光子的频率变小的原故（Eg=hv）。右图表示激光峰值位置随温度变化的情况，纵坐标分别是禁带宽度的能量值和对应的波长值。

LD的优点1）LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。2）LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为0.03~0.04μm。3）由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而LED的发散角一般在40°～20°范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。4）LD的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。LD的缺点1）温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度T，故其输出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流，故其温度特性较好。2）易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。3）半导体激光器价格昂贵，发光二极管比较便宜。4）半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的P-I曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。LD的应用半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，