第三章补充1半导体激光粒子数反转与光场分布课件.ppt
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1、第三章补充 粒子数反转、光场限制原理与光场分布深圳大学目录1、半导体激光器结构2、阈值条件和光增益发布 2-1、阈值增益 2-2、增益谱计算 2-3、增益系数与电流密度的关系 2-4、增益饱和3、半导体激光器的模式 3-1、波动方程 3-2、电学常数与光学常数 3-3、TE模与TM模 3-4、对称三层介质波导 3-5、图解法 3-6、不对称三层介质波导 3-7、模的截至条件4、限制因子5、有源层导波机理6、垂直于P-N结平面的波导效应7、模式选择8、矩形介质波导1 1、 FP-LDFP-LD基本基本结构结构DFB-LD光纤 微透镜焊料 :激励源、工作(增益)物质、谐振腔 激光振荡基本条件激光振
2、荡基本条件:、提供、满足激光振荡的两种横向限制结构:折射率导引:增益导引:激光振荡模式激光振荡模式半导体材料的半导体材料的增益性质增益性质-受激发射频谱受激发射频谱 粒子数反转产生增益,粒子数反转产生增益,输入电流越大,增益越高输入电流越大,增益越高;粒子数反转不在单能;粒子数反转不在单能级间,而是能带间,故级间,而是能带间,故有增益谱线宽度有增益谱线宽度;同样注入条件下,同样注入条件下,量子阱材料量子阱材料的增益比体材料高,增益线宽更窄的增益比体材料高,增益线宽更窄是均方根增益谱宽, 0叫中心波长2002()()() exp2gg3.3.18(E E) 0 0 0 0(a) Optical
3、gain vs. wavelength characteristics (called the optical gain curve) of thelasing medium. (b) Allowed modes and their wavelengths due to stationary EM waveswithin the optical cavity. (c) The output spectrum (relative intensity vs. wavelength) isdetermined by satisfying (a) and (b) simultaneously, ass
4、uming no cavity losses.( (c c) )Relative intensitymOptical GainAllowed Oscillations (Cavity Modes)m( (b b) ) LStationary EM oscillationsMirrorMirrorDopplerbroadeningm(/2) = L( (a a) ) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)FP-LDFP-LD纵模选模机理及光谱曲线纵模选模机理及光谱曲线FP-LDFP-LD是多模半导体激光器!光谱半宽大!是多模半导体激光器!
5、光谱半宽大!多模对光纤通信系统的影响?多模对光纤通信系统的影响?D色散产生的脉冲展宽如何获得单纵模工作?FP-LD工作原理n112/BnmB为光栅的布拉格波长n1为光栅材料折射率为光栅周期m为光栅衍射级数形成激光的三条件 增益物质 粒子数反转(增益超过损耗) 谐振腔(模式选择)必要条件:粒子数反转必要条件:粒子数反转充分条件:超过阈值增益充分条件:超过阈值增益晶体的110面 粒子数反转粒子数反转条件推导:条件推导:导带内能量为E2的电子向价带内能量为E1(E2hv)状态之间的跃迁自发发射速率自发发射速率r21(sp):单位体积、单位能量间隔、单位时间内的自发发射电子数;r21(sp)与电子在能
6、级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率(1fv)之积成正比,也与red成正比A21-自发发射几率, c、 v -导带和价带的态密度;1/2考虑了电子自旋red-振子的有效态密度1111112111212121kTEEvkTEEcvcrrvcFVFCefefffArEcEv电子在能量为hv的外界光子作用下由导带能级E2跃迁到价带内能量为E1(E2hv),同时放出能量为hv的光子受激发射速率受激发射速率r21(st)单位体积、单位时间、单位能量间隔内参与受激发射的电子数;r21(st)与电子在能级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率(1fv)之积成正比,与r成正比,还与光子密度S(E21)
7、成正比B21是受激发射跃迁系数,量纲为能量体积时间 )(1)(212121ESffBstrrvcEcEv 电子在能量为hv的光子作用下吸收其能量并由价带中的E1能级跃迁到导带的E2能级,它是受激光发射的逆过程受激吸收跃迁速率受激吸收跃迁速率单位体积、单位时间、单位能量间隔内参与受激吸收的电子数;r21(st),与电子在能级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率(1fv)之积成正比,与r成正比,还与光子密度S(E21)成正比B12为受激吸收跃迁几率系数 )(1)(211212ESffBstrrcvaEcEv 热平衡条件下,总的发射速率应该等于总的吸收速率 BEZBchEnABBEZBchEnA
8、BB)(8)(821332213212121332213122112简写为: rvcrcvvcanetESffBESffBffBstrstrstr)()()1 ()1 ()()()(2121211221122121)()(1)()(),()()(2122221stvcvcvcstWSdEffEEVEBSR-伯纳德和杜拉福格条件伯纳德和杜拉福格条件 获得净受激发射的条件是Rst (或r21net(st)大于0,即fcfv就能满足上述要求。将fc和fv的表达式代入,得: 2121211101 exp1 expcvFCFVBBFCFVBBFCFVcvgffEEEEk Tk TEEEEk Tk TEE
9、EEEEE2.6-3透明:光增益为透明:光增益为0粒子数反转:光增益大于粒子数反转:光增益大于0*2*222hegmkmkE粒子数反转与光增益粒子数反转与光增益光波通过介质得到放大213221212122()()()8Rsth cg EErEn E ZZ0 光通量F(Z)z处每秒通过单位截面的光子数=S*c/nR 光增益g(z)=dF/FdZ: 单位长度的光增益, 也叫增益系数,也是吸收系数的负数,12122220()(,)()()() 1()()vRcvcvccvng hvBE hvEEhvffdEcg hvff0F(z)=F exp()gz激励程度激励程度高斯函数近似2002()()()
10、exp2gg增益分布、发光光谱范围增益分布、发光光谱范围 (1) 随着激励水平增加,能带中载流子数增加,增益曲线的最大值向更高的光子能量处移动,gmax(E)也增加;即电流增加,波长向短波方向移动。这是因为电子是从导带底向上填充的,注入电子浓度愈大,填充得就愈高,因而发光的峰值能量增加。同时开始出现增益所对应的光子能量向低能方向移动。 (2) 随着温度增加,费米能级附近占有几率的变化平坦了,因此增益降低。gmax增益系数与电流密度的关系增益系数是随外注入电流变化的增益系数与电流密度的关系可以通过求解式增益系数与电流密度的关系可以通过求解式实际上要精确知道积分式中的c、v和E21是困难的。为了能
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