第5章半导体激光器(LD)：静态特性_蓝色(全).ppt

V. 先进激光器——电子特性的改进 激光器设计的目标： 低阈值电流； 高输出功率； 大调制带宽； 窄输出频谱； 其他特性(如满足特定使用需求所需波长：长波长、短 波长等)。 激光器在 两方面的改进 电子特性的改进 量子阱 应变量子阱 量子线 量子点 DFB, DBR 光栅结构 光子特性的改进 DBR结构的表面反射 微腔结构 能产生带隙的周期性介质层 1. 单异质结LD 有源层的一侧为同质结，另外一侧为异质结。 单异质结LD特点： 结构简单； 注入电流密度较高，Jth=103A-104A/cm2，仅比同质结LD的阈值电流密度低1个数量级，因所需注入电流较高，器件发热非常明显，无法在室温条件下发出连续的光波，以脉冲形式发光； 单异质结LD的两个限制层与中间的有源区之间形成了一种非对称光波导，对光子有一定的限制作用，使输出的光能更为集中； 输出功率较高。 2. 双异质结LD 有源层的两侧均为异质结，一侧为同型异质结，另一侧为反型异质结。 阈值电流密度大为下降，Jth大约为102-103A/cm2； 所需电流降低，器件发热小，可以在室温条件下连续发光； 相对于有源层材料，有源区两侧的限制层带隙大，但折射率低，因而对载流子和光波都有限制作用。即：利用带隙差形成势垒，将载流子限制在有源区；而两个限制层又形成对称光波导，将光场亦限制在有源区； 提高了注入效率，减小了漏电流。 3. 量子阱LD 有源层的两侧均为异质结，一侧为同型异质结，另一侧为反型异质结。 (1)量子阱物理基础 当有源层厚度可与电子的德布罗意波长相比较，甚至比后者更小时，有源层会出现明显的量子尺寸效应，造成能带分裂，形成一个个分离的子能带。此时有源层形成量子阱。 Quantum Size Effect (量子尺寸效应) Quantum Well (量子阱) (2)量子阱中的电子态 如图所示，量子阱中的电子，在z方向 上不能自由运动，即在此方向上失去了自 由度。但是电子在x方向和y方向上都是可 以自由运动的。因而电子在三维空间中， 失去了一个自由度，仅具备二维的自由 度。导体内部的大量电子，可以看成是弥 漫在半导体内部的、具备二维自由度的气 体，称为二维电子气。这种状态的电子，在z方向上的能级是不连续的，但是在xoy平面内的能级是连续的。 讨论量子阱内部的电子态，可从薛定谔方程入手： 是电子在XY平面内的能量分量 是电子在Z方向上的能量分量 式中，kx和ky分别是电子波的波矢量在X方向和Y方向上的投影，kt是电子波矢量在XY平面内的投影，即波矢量在XY平面内的分量。由于电子在X、Y方向上具有完全的自由度，因此这几个矢量分量可以取连续的值。 kz是电子波矢量在Z方向上的分量。电子在Z方向上失去自由度，kz只能取分离的值，即EZ的取值受到限制。 为分析简单起见，此处假设量子阱为一个无限深的势阱，电子波将会被完全局限在势阱内，不会发生泄漏，势阱边缘处电子波为0。可以通过解关于Z向分量的薛定谔方程，并利用两个边界条件，求出EZ的表达式。 电子的总能量是两个能量分量之和： 在第一子带： (3) 量子阱 LD 1) 带间辐射(跃迁) 量子阱激光器与体材料激光器对比 输出功率高 线宽小 在能级Ee1和Ehh1上，载流子密度很高 在导带底部EC和EV处，载流子密度较低 输出功率低 线宽大 2) 阱宽dW的选择 以上讨论的LD性质成立的条件 式中的Sm是在单位横截面积上的m模式的光子数目， 是在自发辐射所产生的所有光子中，属于m模式的光子所占的比例。这一数值在不同的激光器中往往差别很大。对于F-P腔半导体激光器来说，这一数值在 10-5—10-4。 对于平行于出射端面的平面上的光子面密度，可以用关于光子面密度的速率方程： 注意此处 与 的不同之处。 (1)受激辐射产生率 受激辐射产生率表征的是光子面密度在单位时间内的增加值。在此表达式中，腔体增益表征的是光子面密度在单位传输单位距离后的增加值，而光速表征的是单位时间内光波在材料内的传播距离，因此腔体增益与光速的乘积就是光波在材料中传播单位时间后，所获得的增益。此增益乘以光子面密度，就是光子面密度在单位时间内的增加值。 (2)腔体损耗率 腔体损耗率表征的是在单位时间内，由于腔体的损耗特性而导致的光子面密度衰减值。与(1)表达式中各参数相似，腔体损耗表征的是光子面密度在单位传输单位距离后的衰减值，而光速表征的是单位时间内光波在材料内的传播距离，因此腔体损耗与光速的乘积就是光波在材料中传播单位时间后，被损耗的大小。此损耗值乘以光子面密度，就是光子面密度在单位时间