半导体光电子学第五章要点.ppt

5.6 半导体激光器的瞬态特性 半导体激光器是电子与光子相互作用并能进行能量直接转换的器件。但当在激光器上施加瞬变的阶跃函数电注入时，在激光器内部将产生一些与稳态时所不同的物理过程，如光子对注入载流子响应延迟，张驰（或松弛）振荡和自持脉冲振荡等。这些瞬态过程将对LD的调制特性产生重要影响。 高速的调制对半导体激光器提出了严格的要求 对输入的电信号不能产生调制畸变。 不因直接调制而使LD光谱明显加宽。 要求光源有窄的谱线宽度。 不产生自持脉冲。 瞬态响应的物理模型 5.7 半导体激光器的退化和失效 整个半导体激光器的发展历史也是一个不断提高其可靠性的过程 12→数十万小时 对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料，有源区与限制层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素的综合效果 LD的工作方式 （1）阈值以上某一个连续输出功率下工作。 （2）将激光器偏置在接近阈值（例如0.9Ith），然后在其上叠加电流调制。 （3）无直流电流偏置下的直接电流调制，对可靠性 热阻rT是重要参数：减少它的有效方法是提高热沉的散热效果，一般使用无氧铜，倒装，良好的欧姆接触和熔焊接触。 通常认为LD输出功率下降到其额定功率值的一半时所经历的工作时间称为寿命 1.腔面损伤：反射率下降，非辐射复合增加，电流增加，功率密度更大，失效，可以从输出下降和两个腔面不对称判断损伤，增透膜、和保护膜。 2. LD退化的内部因素 三、欧姆接触的退化 金属电极接触层与半导体之间保持很小的和线性的接触电阻对任何LD都是所必需的，这不仅是为了提高效率，是阻止产生热量，影响器件稳定性和长期工作的可靠性，使用合适的电极材料和较高的半导体掺杂浓度，这种退化一般不常发生。 四、温度对LD退化的影响 第六章 半导体发光二极管 6.1 概述 自发辐射 受激辐射 光学谐振腔 阈值特性 LED没有阈值特性，输出功率与注入电流之间是线性关系，因为自发发射的随机性，LED的光谱宽度比LD高几个数量级，发散角也大，因而与光纤耦合效率要比LD低得多，输出功率也低很多。 LED特点： 不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的； LED光相干性不好，避免了LD容易产生模分配噪声和对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 由于不存在腔面退化，工作寿命可达109小时； 工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需精确的温度控制，因而电源很简单； 成品率高，价格便宜； 光谱宽，有利于光纤通信中的波分复用的应用。 面发射（SE） 端或边发射（EE） 超辐射（SL） 二、θ∥ 三．波导结构对远场特性的影响 5.4 半导体LD的模式特性 激光器中的光场模式分为横电（TE）和横磁模两组。每组模式对应着电（或磁）场在垂直于LD结平面方向（横向）平行于结平面（侧向）和传播方向（纵向）的稳定驻波形式。分别称为横模，侧模和纵模，并分别用模指数，m，s和q来表示这三种模式数 基横模的条件是有源层厚度 最高的侧向模式数 纵模模谱包括： 1.由谐振条件所决定的振荡波长或频率 2.各个模之间强度（或频率）分布 一、纵模模谱 自发发射因子：定义为进入每一腔模的自发发射速率与总的自发发射速率之比 二、影响纵模谱的因素 1. 自发发射因子对模谱的影响 自发发射因子 较大，一般为10-4，这远比气体或固体激光器的自发发射因子（约10-9）大得多，这也是为什么半导体激光器的光谱宽度比一般气体和固体激光器宽得多的原因 2. 模谱与注入电流的关系 3. 腔长对模谱的影响 三、 激光器的单纵模工作条件 中心模q=0， q阶模的饱和光子密度 用减少次模的饱和功率来实现单纵模（单频）工作，需要减少自发发射因子和腔长，增加腔面的反射率和采取侧向折射率波导结构（k=1） 12.8dB 四、“空间烧洞”效应对单模功率的限制 五、温度对模谱的影响 六、单纵模激光器 1.采用对主模选择反馈放大，从而提高边模抑制比，如采用DFB、DBR激光器，也可采用外光栅对主模的反馈加强，还可以用外反射镜来减少次模的饱和输出功率和提高主模的饱和输出功率 2.短腔激光器 3. 用侧向折射率波导和其它提高侧向光限制能力的波导结构，以提高光场限制因子，减少自发发射因子，如埋层异质结激光器，一般有比较好的单模特性 5.5 半导体激光器的光谱线宽 光谱线宽,定义为光谱曲线半峰处的全宽 （Full Width at Half-Maximum—FWHM）