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半导体激光器简介 刘正君 2010年4月24日 目录 半导体激光器分类 半导体发光机理 半导体的分类 半导体激光器的原理和结构 半导体激光器性质 几种典型半导体激光器 半导体激光器应用及举例 半导体激光器分类 　 半导体激光器的种类很多，下图进行了简单示意。半导体激光器可以根据有源层材料、发射波长、器件结构、输出功率和应用领域等不同方式进行划分，分类方式灵活，相互交错。 半导体激光器的通用结构??? LD的通用结构 如图所示，一个典型的半导体激光器应当由下面几部分组成： 有源区（又称为增益区） 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。有源区通常由一个或多个垂直方向的PN结构成。 光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 光束的方向选择元件 光反馈装置可以选择激光器光束的方向。 光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。 简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只能自发辐射（荧光），光向四面八方传播；当注入电流大到一定程度时，便向外输出激光。 半导体激光器的工作原理 ?? 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： (1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。? (2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F-P腔(法布里一玻罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔.??  (3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及激光从腔面输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。 半导体激光器的性质 ????1、伏安特性 ??????伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。 2、P-I特性 ??????? P-I 特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是激光器最重要的特性之一。 由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。 当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，半导体激光器发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。 随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，半导体激光器发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。 ?????? P-I 特性曲线决定了一系列半导体激光器参数与特性： 半导体激光器的工作特性 　　1．阈值电流。当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素： 　　（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。 　　（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 　　（3）与半导体材料结型有关，异质