半导体激光器的主要性能

1、第四章 半导体激光器件,4.1 异质结半导体激光器 4.2 量子阱半导体激光器 4.3 垂直表面发射激光器 4.4 分布反馈半导体激光器 4.5 半导体激光器的主要性能 4.6 半导体激光器调制及与光纤的耦合,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,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

2、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,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

3、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。,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,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,2）外微分量子效率,而其中的 定义为斜率效率：,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

4、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。,1）半导体激光器的光束发散角,解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直。,2）半导体激光器的像散,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）,2）纵模模谱,3）影响纵模谱的因素,可见：电流增加，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移。,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。,4）激光器的单纵模工作条件,Po/P1sat

5、 = 10 log( Po/P11 ) 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。,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

6、1/P之间的关系、和温度对线宽的影响。,4.5.6 半导体激光器的动态特性,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。,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）,3.8 半导体激光器的可靠性,二、可靠性试验 为