实验五 半导体雷射.doc

實驗五 半導體雷射 實驗目的 　　觀測半導體雷射在不同電流、不同溫度下的輸出光譜。 實驗儀器 半導體雷射(Semiconductor Laser, Diode Laser) 波長範圍：770~850nm 最大輸出功率：25mW(連續或脈衝) 光柵光譜儀 N=1800/ruling density of grating in lines per mm. Ruling density=1200 lines/mm True wavelength=dial readingN 解析度0.1 A/step 斬波器(chopper) Optical Isolator Lock-in Amplifier Chart recorder 原理 一、半導體雷射 通過PN結電注入泵浦的方式實現受激發射的半導體器件。它具有半導體器件的特點﹕體積小﹑結構簡單﹑效率高﹑能直接調制﹐但輸出功率﹑單色性和方向性不如其他雷射器。 　　實現受激發射的三個要素是﹕雷射材料﹑粒子數反轉分布和諧振腔。只有直接帶隙半導體材料才能製造雷射二極管﹐包括Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體(GaAs﹑InP等)及其三元﹑四元固溶體(Ga-AlAs﹑In-GaAs-P等)﹐Ⅳ-Ⅵ族化合物固溶體(Pb-SnTe等)。圖1 各種材料的雷射波長表示這些材料所產生 HYPERLINK /search/gloss.asp?id=5195b0867 雷射的波長範圍。將單晶定向﹑切割﹑拋光後﹐通過擴散或各種外延方法或化學汽相沉積方法等在一定的晶面如 (001)上製成PN結。利用垂直該面的兩個自然解理面如(110)構成法布里-珀羅諧振腔﹐便製成通常的雷射二極管(圖2 半導體雷射二極管)。 在PN結上施加正向偏置﹐則有電流流過PN結﹐即電子由N區注入到P區﹐而空穴由P區注入到N區。提高偏置電壓﹐電流增大到某一定值時﹐就會使有源區材料的導帶中能級上電子佔有的幾率大於價帶中相對應能級上電子佔有的幾率﹐從而發生粒子數分布反轉﹐能為受激發射提供增益。當增益等於或大於半導體材料本身的吸收損耗和端面漏出損耗時﹐就能獲得受激發射 式中為閾值時的增益﹐為材料內部的吸收損耗﹐為端面漏出損耗﹐為腔長﹐﹑為兩個端面的反射率。通常＝﹐為增益因子﹐為注入電流密度。對於高增益區來說﹐＝1﹐因此得出受激發射的閾值條件為 1962年秋首次研製出 77K下脈衝受激發射的同質結GaAs 雷射二極管。1964 年將其工作溫度提高到室溫。1969年製造出室溫下脈衝工作的單異質結雷射二極管﹐1970年製成室溫下連續工作的 Ga-AlAs/GaAs雙異質結(DH)雷射二極管。此後﹐雷射二極管迅速發展。1975年 Ga-AlAs/GaAsDH 雷射二極管的壽命提高到10小時以上。In-GaAs-P/InP 長波長DH雷射二極管也取得重大進展﹐因而推動了 HYPERLINK /search/gloss.asp?id=254360664 光纖通信和其他應用的發展。此外還出現了由Pb-SnTe等 Ⅳ-Ⅵ族材料製成的遠紅外波長雷射二極管。 器件結構 在垂直於PN結方向上有同質結﹑單異質結﹑雙異質結﹑分別限制﹑大光腔等結構形式﹔在平行PN結平面上做成各種條形結構(如電極條形﹑平面條形﹑質子轟擊條形﹑溝槽襯底條形﹑台階條形﹑橫結條形﹑埋藏條形﹑壓縮條形等)﹔諧振腔有法布里-珀羅腔﹑分布反饋和布喇格反射等形式。用晶格匹配的不同半導體材料製成異質結構﹐利用它們在禁帶寬度和折射率上的差異﹐可在垂直PN結方向上獲得幾乎完全的載流子限制和光學限制。在平行於結方向上的各種條形結構﹐能將電流集中在一較窄的區域﹐並提供增益波導或折射率波導。這些結構上的改進使雷射二極管的性能大為提高。 器件的性能 輸出光功率和輸入電流的關係﹕-特性通常如圖3 半導體雷射二極管的-特性。電流低於時為自發輻射(熒光)﹐大於時為受激輻射(雷射)。為閾值電流。受激發射時曲線的斜率為外微分量子效率。以上和以下時分別發出的雷射功率同熒光功率之比稱消光比。通常雙異質結雷射二極管連續工作的為20～100毫安﹐輸出光功率可達幾十毫瓦﹐外微分量子效率為20％～60％。 電壓和電流的關係﹕雷射二極管的V-I 特性同通常的二極管相似﹐由此可測出雷射器的串聯電阻﹐通常為零點幾到幾歐姆。 光譜特性﹕雷射二極管有源區禁帶寬(ev)同發射波長的關係為＝1.2398/(﹕m)。多模二極管的譜線半寬一般小於20埃﹐而單模器件通常小於1埃。 光束發射角度﹕由於發光面積較小﹐因此光束發散角度較大。通常平行和垂直於PN結方向上的發散角為10×50﹐最好的約為4×14。 溫度特性﹕閾電流密度滿足 exp(/)﹐式中為特徵溫度。如Ga-AlAs/GaAs DH雷射器﹐＝100～150K﹐In-GaA