光电子学与光子学讲义-Chapter4-LD

1、Chapter 4 半导体激光器,受激辐射的基本概念的提出：爱因斯坦(1916),40年后受激辐射概念在激光技术中得到应用。考虑原子的两个能级E2和E1，有,上述相互作用包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。,1 激光原理基础,一 .自发辐射、受激吸收和受激辐射,1. 自发辐射,自发辐射：处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁，并发射一个能量为h的光子，这种过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光子称为自发辐射。自发辐射用自发辐射几率A21描述。A21定义为单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值：,（dn21）sp表示由于自发跃迁引起的由E2向E1

2、跃迁的原子数。 A21只决定于原子本身的性质，A21就是原子在能级E2的平均寿命的倒数A21 =1/2。A21也称为自发跃迁爱因斯坦系数。 特点：自发辐射时，各原子是独立进行跃迁，辐射的光子无规律，频率、相位、方向等各不相同，能量分布在许许多多模式上,为非相干光。,2. 受激吸收,受激吸收：处于低能态E1的一个原子，在频率为的辐射作用(激励)下，吸收一个能量为h的光子并向E2能态跃迁，这一过程称为受激吸收跃迁，并用受激吸收跃迁几率W12描述：,其中(dn12)st表示由于受激吸收引起的由E1向E2跃迁的原子数。 受激跃迁和自发跃迁是本质不同的物理过程，反映在跃迁几率上就是：A21只与原子本身性

3、质有关；而W21不仅与原子性质有关，还与单色能量密度（单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，就是单位频率间隔内的光子密度）有关。这种关系可以表示为：,比例系数B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质有关。 特点：受外来光刺激的吸收。,3. 受激辐射,受激辐射：受激吸收跃迁的反过程就是受激辐射跃迁。受激辐射跃迁几率为：,比例系数B21称为受激辐射跃迁爱因斯坦系数。由原子受激辐射跃迁发出的光子称为受激辐射。,特点：受外来光刺激发生跃迁，产生与入射光子状态相同的光子，受激吸收的逆过程。,4. 受激辐射的相干性,受激辐射与自发辐射的极为重要的区别：相干性。 自发辐射是原子在

4、不受外界辐射场控制情况下的自发过程。因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有模式上。 受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布，而应具有和外界辐射场相同的相位。受激辐射光子与入射（激励）光子状态完全相同，也就是说，受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、偏振，因而受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。激光就是一种受激辐射相干光。,自发辐射和受激辐射还可以按经典电子论模型进行描述。原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，没有任何外加光电场来同步各个原

5、子的自发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自发辐射是相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡时的辐射，电子强迫振荡的频率、相位 、振动方向显然应与外加光电场一致。,（1）,（2）,（3）,5. A21、B21、B12的相互关系,热平衡时，各能级上的粒子数保持不变，处于动态平衡，向上跃迁速率（upward transition rate）与向下跃迁速率（downward transition rate）应相等。即R12=R21,热平衡下原子按能级分布应服从Boltzmann统计分布：,根据黑体辐射普朗克公式，单色能量密度表示为：,（2）,（3）,总的发射速率,总的吸收速率,联立式（

6、1）（2）（3），可得：,爱因斯坦系数的基本关系。,受激辐射率同自发辐射速率的比值为：,受激辐射速率同受激吸收速率的比值为：,当热平衡时，受激辐射速率同自发辐射速率的比值可以写为：,例：=0.6m，T=300K，R21(spon)/ R21(stim) 1035 T=3000K，R21(spon)/ R21(stim) 3103,一般情况下，自发辐射远大于受激辐射，受激辐射可忽略不计。温度上升，受激辐射增加，但仍小于自发辐射。平衡状态下很难使受激辐射占主导地位.,当热平衡时，受激辐射率同受激吸收率的比值为：,受激吸收总是强于受激辐射，因此不可能激发出大量光子而实现光放大。,结论：要想让受激辐射

7、大于受激吸收，必须使n2n1，此状态叫做粒子数反转。粒子数反转分布只有在非平衡状态下才能形成。,激光形成过程：,泵浦（抽运）,粒子数反转,受激放大,振荡,放大,达到阈值,激光输出,阈值：产生激光所要需的最低能量,粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件 依靠外界向工作物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡， 实现粒子数反转 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一 光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核,二 、激光产生的基本原理,激光的形成及产生的基本条件 (1) 实现粒子数反转（粒子数反常分布） (2) 满足阈值条件（增益大于或等于损耗） (3) 谐振腔,（一）

8、粒子数反转分布,反转分布,E,E1,E2,n1,n2,n3,E,n,玻尔兹曼分布,E1,E2,n1,n2,n3,单位时间内STE增加的光子数密度 单位时间内STA减少的光子数密度,反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益,正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收,N2 N1,增益介质：处于粒子数反转分布状态的工作物质。,为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。,二能级系统,令E1和E2能级上单位体积内的原子数分别为n1和n2，则：n2的变化率为,在达到稳定时，,从上式可以看出，尽管使用的激励手段是多么好, A2

9、1+w总大于w。就是说，n2总是小于n1，只有当w十分大时，n2/n1才能接近于1。,所以，对二能级物质来讲，很难实现粒子数反转！,三能级系统,E1：基态， E2：亚稳态， E3：激发态,热平衡时，各能级的粒子数分布符合玻尔兹曼分布规律，N1 N2 N3,粒子在三能级之间的跃迁过程如下：,在激励泵源的作用下，基态E1上的粒子被泵浦到能级E3上，但对于E1和E3永远不能实现粒子数反转。 到达高能级E3上的粒子数n3将主要以无辐射跃迁（热弛豫）的形式极为迅速地转移到能级E2上。另外，n3也能以自发辐射、无辐射跃迁等方式返回基态E1，但对于一般激光工作物质来说，这种激励过程的几率很小。,能级E2一般

10、都是亚稳能级，在未形成粒子数反转之前，n2粒子将主要以自发跃迁形式返回E1，并且自发辐射几率较小，即粒子在E2能级上的寿命较长。另外，n2粒子也可能通过无辐射跃迁返回E1，但一般情况下无辐射跃迁的几率要远远小于自发辐射的几率。由于自发辐射的几率较小，如果粒子泵浦到E3能级上的速率足够高，就有可能形成粒子数反转（即n2n1）。一旦出现这种情况，将产生光放大。,由于基态能级上总是集聚着大量的粒子，因此要实现n2n1，外界抽运（泵浦）就需要相当强，这是三能级系统的一个显著缺点。,例：三能级系统激光物质的典型例子是红宝石激光器（ruby laser） 工作物质：掺少量铬离子（Cr3+）的Al2O3单晶

11、 泵浦源：氙灯 发光波长：0.6943m,四能级系统,为了克服三能级系统的缺点，人们找到了四级系统的工作物质。常用的YAG激光器，氦氖激光器和二氧化碳激光器都是四能级系统激光器。,热平衡状态下处于E1的粒子数很少，有利于E2与E1之间可以形成粒子数反转, 所需泵浦能量小。因此对于多数激光工作物质来说，四能级系统更具代表性。,泵浦光将粒子从E0泵浦到E3上，粒子又很快跃迁到E2上。因E2是亚稳态能级，E1是激发态能级，E2与E1之间可以形成粒子数反转，跃迁时发射光子h21E2 E1。,例： YAG激光器 工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG） 泵浦源：氙灯, 激光二极管 发光波长：1.06

12、m,（二）光学谐振腔及激光的模式,STE光子集中在几个模式,开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。,工作物质, 激励能源, 光学谐振腔是一般激光器的三个基本部分。,轴向模,非轴向模,技术思想的重大突破 F-P 光谐振腔,1、激光器的基本结构,2、光腔的构成及稳定谐振条件 光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择,另：折叠腔、环形腔、复合腔 复合腔腔内加入其它光学元件，如透镜，FP标准具等,(a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔,腔的构成与分类,半导体激光器 介质波导腔,2 0; 凸面镜 R L，, L，或者,t2) 泵浦作用时

13、间较长，趋近稳态 连续激光器 可按稳态处理 理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严格界限,固体激光器： 红宝石激光器（694.3 nm）、YAG（钇铝石榴石）(1064 nm, 1319 nm)、 釹玻璃激光器(1060 nm)、钛宝石激光器（660 1180 nm） 泵浦方式：闪光灯（氙、氪、LD） 工作方式：脉冲、连续（YAG） 应用与市场：医疗、激光加工、快速测量 特点：窄脉冲、大功率、连续YAG可达几百瓦,气体激光器： 原子气体： He-Ne （632.8 m、1.15 m、1.55 m、 3.39 m） 准直、全息、医疗、条形码扫描 单色性：1081012 离子气体：氩离子（Ar +

14、）0.48 m （蓝）、0.51 m (绿) 分子气体：CO2 10.6 m (大气窗口)、几百千瓦、脉冲、连续 应用与市场：激光雷达、加工工业、切割,根据激光材料性质： 固体激光器、气体激光器、 染料激光器、半导体激光器,染料激光器：有机化学混合而成，330 nm 1.85 m 泵浦方式：闪光灯、激光 连续可调：100 mW、脉冲：100 W 可用于化学分析,N2分子激光器 337.1 nm, 357.7 nm 可调谐染料激光器的泵浦源、光谱分析、检测污染、医学及光化学,半导体激光器 特点：体积小、重量轻、转化效率高、省电； 应用：光纤通信、光线传感、光盘记录存储、光互联、激光打印和 印刷、

15、激光分子光谱学、固体激光器泵源、光纤放大器泵浦。 研究领域应用：光学测量、机器人、自动控制、医疗、原子分子物理， 高效单色光源。 直接带隙：导带极小值与价带极大值处于相同的 K 值处（包括K0的 布里渊区原点，点处）。直接带隙半导体材料作为半导体 激光器的有源区具有高的电光能量转换效率。 间接带隙：导带极小值与价带极大值不处于相同的 K 值处。间接带隙半 导体材料的电光能量转换效率很低。,激光器的工作特性：工作波长 谱宽 频率稳定性 光束特性 输出模式 发散角 输出功率 脉冲宽度,2 半导体激光器,一、 基本原理,要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足条件：即粒子数反转条件（必要条件）、谐振

16、腔与阈值条件（充分条件）。,LD（Laser Diode，激光二极管）,1. 半导体激光器粒子数反转条件,在能量密度为P(h)的光场作用下，电子从价带向导带的受激吸收跃迁速率为：,电子从导带向价带的受激辐射跃迁速率为：,同时，电子从导带至价带的自发辐射速率为：,如果忽略半导体激光器中本来就很小的自发辐射速率，要得到净的受激发射，则必须有：,（1）,（2）,（3）,根据爱因斯坦关系，B12=B21，将（1）（2）代入（3）式，得：,要产生净的受激发射，需设法使电子在导带的占据几率大于在价带的几率。,电子服从费米狄拉克统计分布，即某一能量为E的能态为电子占据的几率为：,将上式代入到（4）中，并考虑

17、到Ec-Ev=hv，则有：,（4）,EFC和EFV分别为导带和价带的准费米能级。,由上式可得：,上式和（4）式都被称为半导体激光器的粒子数反转。 物理意义：若要在半导体有源介质中实现粒子数反转，需使导带与价带的准费米能级之差大于或等于禁带宽度。这意味着在同质PN结激光器中，要通过重掺杂来使EFC进入半导体有源介质的导带，或者EFC和EFV分别进入其导带和价带。,2. PN结激光器原理,材料：重掺杂的p型和n型半导体，直接带隙。,费米能级在导带和价带内。电子占据费米能级以下能量状态。结合后，形成p-n结，势垒阻碍多数载流子的扩散运动。,p-n结加正向电压V，消弱了原来的自建电场，使势垒降低，费米

18、能级发生分离，分离量为：F=eV 。当正向电压加到一定程度时，在结面附近出现： F=EFnEFpEg，成为分布反转区。此时结区导带上的电子浓度和价带上的空穴浓度都很高。 因结区很薄，电子和空穴会分别进一步向p+区和n+区扩散，因此粒子数反转分布区域大于结区，这个区域称为有源区（active region）。又电子的扩散长度比空穴大，有源区偏向p区一边。,3. 有关半导体激光器增益曲线的几点说明,T=0K时，在Ec和Efn之间的能级全部被电子占据，而Efp和Ev之间的能级全部为空，受激辐射的光子能量EghvEfnEfp 。能量大于Efn Efp 则会在材料中产生很强的吸收。 温度上升，导带和价带

19、中的电子将占据费米能级之上的能量状态，使Ec和Efn之间的电子浓度及Efp和Ev之间的空穴浓度降低，以致光增益减小。,光增益的大小取决于外加电压（或二极管电流）。 粒子数反转分布是在足够大的正向偏压下载流子注入而形成的，因此，其泵浦机制是pn结正向电流，泵浦能量由外电源提供，此种泵浦方式叫做注入泵浦。,4. 光子反馈谐振,开始非平衡电子-空穴对自发地复合，引起自发辐射，发射一定能量的光子（非相干光）。 其中一小部分严格地在pn结平面内传播（大部分会穿出有源区）相继引起其它电子-空穴对的受激辐射，产生更多能量相同的光子受激辐射随注入电流的增大而逐渐发展，并逐渐集中到pn结平面内，最后趋于压倒优势

20、（见下图）。（注：此时受激辐射发出光的单色性较好，强度也增大，但其相位仍然是杂乱的，因而还不是相干光。）,要使受激辐射激光出射，即达到强度更大的单色相干光，还必须依靠（a）共振腔的作用；（b）并使注入电流达到阈值电流。,半导体激光器谐振腔的反射镜利用晶体的天然晶面，称为自然解理面。边发光同质结激光器的结构：,侧面天然解理面，作为两个平行平面镜，在其上镀反射率不同的反射膜。 前、后面粗糙表面，散射光。 电极：上蒸镀金属（金）下金属片，散热和电接触,W,d,光子寿命 光功率的衰减就等于光子数的衰减,阈值状态: 受激辐射刚刚超过自发辐射的状态, 相干的受激辐射刚好和腔的损耗平衡.,稳定状态,电子注入

21、速率 =自发辐射速率+受激辐射速率,光子在腔中损耗速率=受激辐射速率,阈值电流Ith,阈值载流子密度,电流超过阈值时, 超出nth的载流子复合发生受激辐射,阈值电流密度Jth=Ith/LW, 输出光子数密度可写为,输出光功率,作业：4.24, 4.30,二. 半导体激光器的主要性能,可将半导体激光器的有关特性和参数分为以下几类： （1）电学参数：阈值电流、最大工作电流、电压降、背光电流、串联电阻； （2）空间光学参数：近场、远场光强分布、发散角、像散； （3）光谱特性：线宽、中心波长、边模抑制比； （4）光学参数：输出光功率、消光比； （5）动态特性：噪声、调制间畸变、上升和下降时间、啁啾。,

22、1. 阈值电流,影响阈值电流的因素：器件结构（如何加强对载流子和光子的限制）、材料及生长工艺、温度的影响（很灵敏，阈值电流随温度的增加而增加）。 阈值电流的测定,直线拟合法,半导体激光器功率电流（P-I）曲线在阈值以上的直线部分延长与电流坐标轴相交点所对应的电流值即定为阈值电流Ith。 该方法简单常用，但不精确，对有较大自发辐射的半导体激光器不适用。,两段直线拟合法,将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为阈值电流。该方法较简单，与直线拟合法比，较好地考虑了自发辐射对阈值的影响。但对那些阈值电流很低或阈值前的区域有非线性的情况，这种方法的精确性仍然是有限的。,一次微分法,对

23、半导体激光器的P-I曲线作一阶导数处理。从最小至最大值这段直线（陡直上升直线）的平分点所对应的电流。该方法能较精确地测量阈值，但当噪声严重时，其测得的阈值不稳定。,二次微分法,因为在阈值附近，P-I曲线有大的曲率，通过二次导数找出最大曲率点所对应的电流即为阈值电流。该方法的优点是能精确地跟踪阈值附近P-I曲线的弯曲部分，且不受P-I曲线形状的影响，能精确地确定阈值电流；其缺点同样易受噪声的影响，使测量的重复性变差。,2. 半导体激光器的效率,功率效率,定义：表征加在激光器上的电能（或电功率）转换为输出激光能量（或光功率）的效率。,Pex为激光器所发射的光功率；I为工作电流；V为激光器的正向压降

24、；rs为串连电阻（包括半导体材料的体电阻和电极接触电阻等。）,对一般的半导体激光器，并不测量这一功率效率。但用户可以从半导体激光器制造厂家提供的P-I和V-I特性曲线分析激光器的质量。,左图表示半导体激光器正向电压对电流的一次和二次微分以及输出功率对电流的一次微分与电流的关系。可得到如下信息： （1）如果阈值以上P-I特性曲线上升陡直，则外微分量子效率高（后面要讲）； （2）如果V-I曲线或dVb/d(lnI)曲线上升斜率小，则能说明串联电阻rs小。 （3）光功率对电流的一次微分曲线(dP/dI)陡直上升直线的中点对应激光器的阈值电流，在大电流时(dP/dI)I曲线出现的“扭折”（kink）意

25、味着开始出现高阶横模或偏振态发生变化。,外微分量子效率或斜率效率,定义：输出光子随注入的电子数增加的比率。,其中dP/dI称为斜率效率s。在实际测量中，s由下式得出：,式中，P1和P2分别为阈值以上额定光功率的10%和90%；I1和I2分别对应于P1和P2的电流。 外微分量子效率用百分比表示，而斜率效率用W/A或mW/mA表示。,作业：4.32, 4.35,3. 半导体激光器的空间模式,可将半导体激光器的模式分为空间模和纵模。前者描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强分布，也称远场分布；后者表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率（或波长）分量上的分布。 两者都

26、可能是单模或者出现多模。,边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向（称“横向”）和平行于结平面方向（称“侧向”）有不同的波导结构和光场限制情况。 有源层厚度很薄（0.15微米），能保持单横模工作；而在侧向，其宽度相对较宽，因而可能出现多侧模。,如果在两个方向上都能以单模（或称基模）工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点。,若有源区宽度较宽，则发光面上的光场（近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝。这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使

27、激光器的P-I特性曲线发生“扭折(kink)”，使P-I线性变坏，这对信号的调制不利；同时多侧模影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性影响光功率的稳定性；也不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。,半导体激光器的光束发散角,半导体激光器的远场并非严格的高斯光束，有较大的且在横向和侧向不对称的光束发散角。 当有源层厚度d较小时（比波长要小），垂直于结平面方向上的发散角可表示为：,其中n2和n1分别为激光器有源层和限制层的折射率。发散角随着有源层厚度的减小而减小。原因：随着d的减小，光场向两侧有源层扩展，等效于加厚了有源层，从而使得发散角变小。 当有源层厚度能与波长相比拟，但仍工作在基横模时，发散

28、角可以表示为：,在此范围内，发散角随d的增加而减小，可用衍射理论解释。,上图表示Ga0.7Al0.3As/GaAs激光器的情况，虚线对应可能出现高阶模时的有源层厚度。,由于半导体激光器在侧向有较大的有源层宽度W，其发散角较小，可表示为：,可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束，但这是要以一定的光功率损耗为代价的。 经准直出来的激光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到圆形的光点，尚需对准直后的光束进行圆化处理。,半导体激光器的像散,半导体激光器固有像散的最直接表现为：在垂直于结平面方向和平行于结平面方向的高斯光束的束腰不重合。 像散使得从传播方向看去，两个方向的合成波

29、前呈圆柱面。若用透镜对腔面成像时，横向光场和纵向光场的像面不对应同一处。后果是远场分布出现“兔耳”状（双峰）。 像散的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽，焦斑上光场分布不均匀，很难使激光器与单模光纤高效率耦合。,4. 半导体激光器的纵模,腔的谐振频率（resonant frequency） ：,半导体激光器的激射波长必须满足谐振腔内的谐振条件，谐振条件决定着激光激射波长的纵模模谱。 并不是所有满足谐振条件的纵模都可以形成激射，只有在增益谱内的纵模才能获得足够的增益而起振。 每一个振荡波长构成一个振荡模式，称为纵模或腔模。,一般的半导体激光器其纵模间隔为0.51nm，而激光介质的增益谱宽为数十纳米

30、，因而有可能出现多纵模振荡。而高速光纤通信系统要求半导体激光器是单纵模的。一方面为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的所谓“模分配噪声”；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必须的。,即使有些半导体激光器连续工作时是单纵模的，但在高速调制下会出现主模两旁的边模达到阈值增益而出现多纵模振荡。,高速调制下出现的附加纵模,影响纵模谱的因素 自发辐射因子 （每一个腔模的自发辐射速率与总的自发辐射速率之比）的影响,(a)(b)(c)为自发辐射因子分别为10-3、10-4、10-5时的模谱。 纵模谱随变化很大。当= 10-5时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当= 10-

31、4时，只有约80%的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当= 10-3时，则有更多的纵模参与功率分配，基本上为一个自发辐射谱。,电流密度的影响,例：若激光器具有标准腔长（250微米）和典型的10-4。 在小于阈值的低注入电流时，模谱的包络为自发发射谱； 当电流增加到阈值以上，模谱包络变窄，各纵模开始竞争，对应于增益谱中心的主模(q=0)的增长速率比邻近纵模快。 随电流增加，激光能量向主模转移（峰值波长会发生红移现象）,器件结构的影响,折射率导引激光器比增益导引激光器表现出更好的单纵模特性（有源区内载流子被限制的能力越强，单纵模特性就越好）,在一般的FP腔中，各个纵模分量在腔内得到的反馈量

32、是相同的。在分布反馈（DFB）、分布布拉格（DBR）和有外部光栅谐振腔的结构中，谐振腔具有对某一波长选择反馈的作用，因而有很好的单纵模特性。 若谐振腔很短，则纵模间隔很大。其3dB增益带宽内允许振荡的纵模数减少。当主模两边的次模随着腔长的缩短而移出3dB增益带宽之外，则可出现单纵模振荡。,温度的影响,有源层的禁带宽度随温度增加而变窄，使激射波长发生红移，其红移量约为0.20.3nm/，与器件的结构和有源区材料有关。 如需要有稳定的工作波长，对半导体激光器需进行恒温控制。 可以借此特性，用适当的温度控制来微调激光的峰值激射波长，以满足对波长要求严格的一些应用。,根据上述分析，为了得到单纵模输出，

33、可采取以下几种方法：,采用对主模选择反馈放大，从而提高边模抑制比（如采取内光栅DFB、DBR激光器等） 短腔激光器（如VCSELs） 通过减少自发辐射因子和腔长、增加腔面的反射率来减少次模的饱和功率，从而实现单纵模工作。,5. 半导体激光器的线宽,同其它激光器一样，光谱线宽是表征激光器相干特性的重要参数，光谱线宽对半导体激光器的许多应用产生重要的影响。 一般的半导体激光器在阈值以下的谱宽（谱线宽度）达60nm，而阈值以上的谱宽可压至23nm或更小。 半导体激光器的线宽比其它气体或固体激光器宽得多。（因为半导体激光器中，受激跃迁不是发生在两个分立的能级之间，而是发生在由禁带宽度所隔的两个能带之间

34、。而且半导体激光器的腔长短、腔面反射率低，因而其品质因素Q值低）,半导体激光器的线宽与输出功率P成反比。,经常用功率与线宽之积来对激光器作综合评价。,即使输出功率为无穷大，半导体激光器的线宽并不为零，而仍有一个与功率无关的线宽。该线宽的大小取决于总的模谱，它随激光振荡模式的增加而增大。 温度增加，加剧了引起半导体激光器线宽的各个因素，因而随着温度的增加，其线宽增大。 尽管形成激光器振荡模式和光谱线宽的机理不完全一样。但采取适当的有效措施可以既实现单模振荡，又能压缩线宽。如采用光栅选模机制的DFB激光器。,三、 半导体激光器的基本结构,1. 概述,对于同质结。在正向偏压下，势垒高度降低。辐射复合

35、发生在P区的一个电子扩散长度内的电子与N区一个空穴扩散长度内的空穴之间。在如此“厚”的有源区内积累到阈值所需的非平衡载流子浓度，会使其阈值电流密度变得很高。而且辐射复合产生的光子或光场也会向有源区两边渗透，减少输出光功率。 降低半导体激光器阈值电流的方法： a.提高受激辐射效率: 将注入到有源区的载流子限制在很小的区域内，以提高注入载流子浓度。 b.提高谐振腔的效率: 要有一个光波导将辐射复合产生的光子限制在有源区内。 实现这两个目的, 有效途径是采用异质结。,半导体激光器的主要结构类型如下。这些结构最主要的考虑是基于将电子与光子如何有效地限制在有源区内，如何改变光的反馈机构实现动态单纵模等。

36、,谐振腔及有源层的类型,在诸多的结构形式中只有几种是最基本的，如双异质结激光器、条形激光器、量子阱激光器和分布反馈激光器，某些高性能的激光器是这些基本结构形式的优化组合。,双异质结半导体激光器,结构：有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便有效地限制载流子与光子。,p-GaAs和p-AlGaAs之间的异质结阻挡电子向p-AlGaAs扩散；p-GaAs和n-AlGaAs之间的异质结阻挡空穴向n-AlGaAs扩散。将载流子有效的限制在有源层中，再加上有源层的厚度很薄，所以很容易形成粒子数反转分布，有效地降低了阈值电流。 宽禁带材料的折射率较低，GaAs和AlGaAs的折射率差约

37、5，形成波导，减少光子的损耗，增加了有源层的光子浓度。,2. 异质结半导体激光器,条形（stripe geometry）半导体激光器,双异质结半导体激光器按结构可分为宽接触半导体激光器和条形半导体激光器。 在平行于结平面方向上没有任何侧向载流子限制和光波导导引结构的称为宽接触半导体激光器。,宽接触半导体激光器的缺陷：在平行于结平面方向上对载流子和光子无限制作用。从而使得激光器的阈值电流较高、纵模与横模特性较差等。,针对有源区的载流子和光子在结平面方向的限制问题, 采用的条形结构，是半导体激光器发展史上的一个重要里程碑。,有源区侧向具有限制结构的激光器统称为条形激光器。 条形激光器所带来的一系列

38、好处: a. 注入载流子的侧向限制和载流子侧向扩散的限制以及辐射场的有效限制能使器件的阈值电流降低。 b. 能实现侧向基模工作，易于和光纤实现高效率耦合。 c. 有源区产生的热量能通过四个方向的无源区传递而逸散，改善器件的热状态。 d. 有源区尺寸小了，提高了材料均匀的可能性。 f. 减慢了激光器的退化过程，提高了电能向光能的转换效率。,增益导引（gain guided）和折射率导引（index guided）半导体激光器,增益导引半导体激光器,结构：可以将电极做成条形 ，限制注入电流的流经通道，从而增大载流子密度，减小了阈值电流。 缺点：是内部不含有内建波导结构的条形激光器，对光场的侧向渗透

39、实际上没有限制作用。而且，它只是限制电流的流经通道，这种限制不可避免地存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散。,折射率导引半导体激光器,结构：依照在横向利用有源层与两边限制层折射率之差所形成的强的光波导效应，将有源层设计成波导结构。 优点：a. 对载流子和光场的横向限制可进一步降低阈值电流。b. 由于有源层的横向尺寸很小（和波长可比），所以能实现横向基模工作，易于和光纤高效耦合。c. 有源区尺寸进一步减小，可提高材料的均匀性。 折射率导引激光器充分体现了条形结构的优越性，已成为半导体激光器的基本结构形式。现已广泛应用于CD唱机、激光打印和光纤通信系统中。目前已开发出多种折射率导引半导体激

40、光器结构。,Package for FP LDs,Pluggable TOSA,10Gb/s Mini DIL,Coaxial pigtailed,单频腔（动态单模，DSM）半导体激光器,普通的F-P腔半导体激光器，即使在直流状态下能实现单纵模工作，但在高速调制状态下也会发生光谱展宽。由于色散效应，光谱展宽会使光纤传输带宽减小，从而限制了传输速率。 实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光的反馈来实现纵模的选择。这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内，抑制在普通半导体激光器中常见到的模式跳变，可大大改善噪声特性。 分布反馈半导体激光器（Dis

41、tributed Feedback, DFB）和基于分布布拉格反射器（Distributed Bragg Reflector, DBR）半导体激光器是两种典型的DSM半导体激光器。,DFB-LD,DBR-LD,在DFB-LD中，光栅分布在整个谐振腔中。而在DBR-LD中，DBR仅在一侧（或两侧），只用来做反射器，增益区内无DBR。因而两种激光器都可看成是利用DBR选择工作波长，所以它们的单模特性要远远优于一般的F-P LD。,（1）DFB半导体激光器,1972年美国贝尔实验室的科克尼克（H.Kogelnik）和香农（C.V.Shank）通过利用电磁场的耦合波理论对DFB激光器工作原理的分析，指

42、出在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式： 折射率耦合(Index Coupling): 折射率周期性变化引起的布拉格后向反射. 增益耦合(Gain Coupling): 增益周期性变化引起的分布反馈。 折射率耦合型DFB-LD技术成熟; 增益耦合型DFB-LD受人们重视不久，无论器件原理、制作工艺及特性方面尚待深入研究。,DBR的作用：,DFB-LD的结构特点：早期DFB激光器，都是把周期折射率光栅直接在有源层上制作。但这种工艺过程所产生的非辐射复合中心使激光器阈值电流大大增加。所以已不使用。目前普遍采用的是将周期性波纹光栅用全息或电子束刻蚀方法加工在与有源层相邻的波导层上，再与适当的条形结

43、构相结合而制成的DFB激光器。,分析方法：将在DFB传播的波分成正向行波和反向行波，这两种波在相向行进过程中沿周期性布拉格光栅各散射点相互发生一定的耦合（总的光场为两个相向行波之和）。利用耦合模理论进行分析。,DFB-LD所允许的激射模式为：,输出模式的特点： DFB-LD可允许输出的模式并不是DBR的布拉格波长，而是以布拉格波长为中心的对称模式。 对于高阶模式，增益阈值较大，所以只有m=0的模式可以激射。 理论上，DFB-LD应该出射以布拉格波长为中心相互对称的两个模式。但由于在制作过程中，DBR很难做得左右对称，有时甚至故意破坏DBR的对称性。所以实际中DFB-LD的输出光为单模。 一般情

44、况下，腔体的长度要远大于光栅的周期，所以上式的第二项可以忽略。因此可以认为激光器出射的波长就是DBR的布拉格波长。,/4相移的DFB-LD,如果在DFB-LD的中心部位令光栅有一个/4的相移，当两个界面的反射率为0%时，器件也能在单纵模下工作。 对于均匀光栅的DFB-LD，存在两个具有相同阈值增益的驻波，即+1阶模和-1阶模，而对于/4相移的DFB-LD，只存在一个模式，这个模就在布拉格波长处，它具有均匀光栅DFB-LD的两个模的波长的中间值。,10Gb/s Mini DIL,10Gb/s Butterfly,Package for DFB LDs,Coaxial pigtailed,Pluggable TOSA,（2）DBR半导体激光器,DBR-LD的谐振腔与F-P腔有类似之处，前者的光栅仅仅起了一个反射器的作用，相当于F-P腔的端面反射镜，不同之处在于DBR-LD中的光栅反射器的反射率有强烈的波长相关性。,量子阱半导体激光器,一般的双异质结半导体激光器的阈值电流密度与有源层厚度的关系见左图。最佳有源层厚度为0.15微米。 超过此值后，载流子的扩散减少了在