半导体激光器原.ppt

半导体激光器原理与制造 Semiconductor laser diode PrincipleFabrication 主要内容 1.半导体物理基础知识 2.半导体激光器工作原理 3.工作特性及参数 4.结构及制造工艺 5.面发射激光器 半导体物理基础知识 能带理论 直接带隙和间接带隙半导体 能带中电子和空穴的分布 量子跃迁 半导体异质结 半导体激光器的材料选择 能带理论:晶体中原子能级分裂 晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再属于某一个原子，而是属于整个晶体共有 晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续的，即形成能带 电子总是先填充低能级，0K时，价带中填满了电子，而导带中没有电子 导体 绝缘体 半导体 能带中电子和空穴的分布 能带中电子和空穴的分布 能带中电子和空穴的分布 量子跃迁 光的自发发射 （是半导体发光的基础） 光的受激吸收 （是半导体探测器工作的基础） 量子跃迁 光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合，产生一个所有特征（频率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半导体激光器的工作原理基础。 量子跃迁 非辐射跃迁： 异质结界面态的复合 缺陷复合：有源区都是本征材料 俄歇复合：对长波长激光器的量子效率、工作稳定性和可靠性都有不利影响 量子跃迁 特点： 直接带隙和间接带隙半导体 直接带隙半导体跃迁几率高， 适合做有源区发光材料 （如GaAs，InP，AlGaInAs） 间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发 射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。 半导体异质结 异质结的作用： 异质结对载流子的限制作用 异质结对光场的限制作用 异质结的高注入比 异质结对光场的限制作用 半导体激光器的材料选择 1-能在所需的波长发光 2-晶格常数与衬底匹配 半导体激光器的工作原理 基本条件： 1有源区载流子反转分布 2谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡 3满足阈值条件，使增益损耗，有足够的注入电流。 双异质结激光器 分别限制异质结单量子阱激光器 横模（两个方向） 半导体激光器通常是单横模（基模）工作。 当高温工作，或电流加大到一定程度，会激发高阶模，导致P-I曲线出现扭折（Kink），增加了躁声。 垂直横模 侧横模 垂直横模：由异质结各层的厚度和各层之间的折射率差决定。 横模（侧横模） 1.强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD） 横模（侧横模） 2.弱折射率导引激光器：脊波导型激光器（RWG-LD） 横模（侧横模） 条形激光器 几种典型的折射率导引激光器 远场特性 θ⊥随有源区厚度及折射率差的减小而减小。 θ∥ 随有源区宽度的减小而增大。 减小有源区的宽度，可以使远场更趋向于圆形光斑。 减小有源区宽度可以使高阶模截止。 纵模 F-P腔激光器： 多纵模工作 DFB激光器 单纵模工作 F-P腔激光器 DFB激光器 DFB-LD与DBR-LD F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔 DFB-LD的增益与损耗 工作特性 1.阈值电流 Ith 影响阈值电流的因素： 有源区的体积：腔长、条宽、厚度 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 解理面、镀膜 电场和光场的限制水平 随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率降低，这些都会使阈值电流密度增加 工作特性 2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）： 测试：To = Δ T / ΔLn（Ith） 影响To的因素：限制层与有源层的带隙差Δ Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小 ΔEg 工作特性 3.外微分量子效率ηd （斜率效率）： 可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。 ηd = ΔP / ΔI 外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率输出随注入灵敏度太高，器件容易被损坏。 工作特性 4. 峰值波长随温度的改变Δλb / ΔT： 对F-P-LD，当激光器的温度升高时，有源区的带隙将变窄，同时波导层的有效折射率发生改变，峰值波长将向长波长方向移动。约为0.5nm/℃ 。 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb / ΔT小于0.1nm /℃ 。 F-P-LD与DFB