半导体激光器.ppt

产生粒子数反转的方法 注入载流子－半导体激光器 强光对激光物质进行照射－固体激光器 气体电离－气体激光器 3 激光振荡和光学谐振腔 3 激光振荡和光学谐振腔 LD的发光过程 注入电流，即注入载流子； 在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子； 1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大； 光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工作。 4. 半导体激光器基本结构 DH激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。  峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。 中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对应的波长。 图 3.6 DH激光器工作原理 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg (3.6) 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3-1.55 μm波段 式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到 1. 发射波长和光谱特性 图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 0 799 800 801 802 Im/mA 40 35 30 25 I=100mA Po=10mW I=85mA Po=6mW I= 8 0mA Po=4mW I=75mA Po=2.3mW L=250μm W=12 μm T=300K 830 828 832 830 828 832 830 828 826 832 830 828 826 824 836 834 832 830 828 826 824 822 820 (a) (b) 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。 2. 激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。 由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。