第9章 半导体激光器修改29章 半导体激光器修改2第9章 半导体激光器修改2第9章 半导体激光器修改2.ppt

激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦 （a）单量子阱 （b）变形单量子阱 （c）分布折射率分别限制单量子阱 （d）多量子阱 （e）变形多量子阱 各种量子阱结构 量子阱（QW）LD、量子线（QWR）LD和量子盒（QB）LD的结构示意图 在半导体激光器内部，为避免热损伤和光能损耗，应尽量限制电子－空穴复合区，并将电流及光束约束在有源区内。 针对有源区的载流子和光子在结平面方向（y向）的限制问题，通常用两种方法： 增益波导约束 折射率波导约束 条形结构 只有p-n结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过，称为条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，从而大大降低了激光器的阈值电流，改善了散热特性。 9. 3. 4 波导型LD 1. 增益波导结构 增益波导激光器结构 侧面方向（y向）有一对窄金属电极，决定了有源区的长度； 纵向方向，有源区由一对平行的部分反射镜面限制，并形成了激光器的谐振腔 的上方，只有中间一窄条与金属电极接触，其他区域则被氧化物绝缘层与电极分开。因此，电流被限制在这一窄条中，光束也相应被约束。 （2）折射率波导结构 有源层： 在中央区域形成隆起。 氧化层相对于P型材料具有较低折射率，二者界面处形成折射率垒，即由较高折射率的有源区和环绕有源区周围的折射率构成，从而对激光横向有源层上方的扩展起到约束作用。 这种激光器对光的限制更强，使光的方向性更好，具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛重视。 半导体激光器对有源区载流子和光子进行限制的不同结构 9. 4. 1 FP腔半导体激光器 FP腔双异质结激光器结构简图 在轴向（z向）的解理面形成反射率约为0.3～0.32的谐振腔端面反射镜，从而构成FP型谐振腔，并在腔面上蒸镀抗反射或增透膜以改善腔面的光学性能。 FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。 高速调制时，原有的激光模式会发生变化，出现多模工作，这就决定了FP－LD不能应用于高速光纤通信系统。 9.4 半导体激光器的谐振腔结构 半导体激光器的突出优点： 低功率低电流抽运，可由晶体管电路直接驱动； 可获得高速调制的激光输出； 是直接的电子－光子转换器，转换效率高; 覆盖的波段范围广，包含光纤的低损耗、低色散区域； 输出光束大小与硅基光纤相容，可用光纤耦合输出； 可形成集成光电子电路； 基于半导体的制造技术，适用于大批量生产； 使用寿命最长； 体积小，容易组装进其他设备中，质量轻，价格便宜。 第9章 半导体激光器 半导体激光器最常用的两种材料体系均属于III－V族半导体： 短距离的光纤通信和固体激光器的泵浦源。 长距离光纤通信光源 主要有： 近年来已出现可见光和中红外的半导体激光器。 和 InP和 GaAs的典型结构 9.1 半导体激光器物理基础 9.1.1 半导体的能带结构和电子状态 GaAs的晶格结构 半导体是由一种（或几种）原子周期性规则排列而成。 孤立的原子处在一系列不同的运动状态中，这些不同的运动状态，对应原子的不同能级。 当大量的孤立原子彼此靠得很近时，原子之间有相互作用，致使原子的每个能级分裂为能量稍有不同的若干能级。 在一个具有N个粒子相互作用的半导体中，每一个能级会分裂成为N个能级，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。 固体的能级 本征半导体的能带 本征半导体在绝对零度时，价带全为电子占据，导带没有电子。价带和导带之间不允许电子存在，称禁带。这时半导体是绝缘体。 温度升高时，由于电子的热运动，可以由价带激发到导带中，成为在导带底的自由电子，同时价带顶少了一个电子就产生一个空穴，相当于一个正电荷。 电子和空穴在外电场作用下产生运动而导电，称为载流子。 9.1.2 半导体中载流子的分布与复合发光 1. 热平衡状态下半导体中的载流子 热平衡状态：半导体中具有统一的费米能级，半导体中的自由载流子浓度——电子和空穴，保持动态平衡的常数。 本征半导体 热状态平衡时，电子在能带中能级上的分布服从费米分布： 费米能级不是真实的能级，是特征参量，由掺杂浓度和温度决定。 导带能级被电子占据的几率 被空穴占据的几率 价带能级被电子占据的几率 被空穴占据的几率 热平衡下直接带隙半导体的能带结构及电子占据能级的状态：实心圆点表示该能级被电子占据；空心圆点表示没有被电子占据能级。 在四价半导体中掺入五价元素（如锑、砷、磷），称N