第四章-半导体激光器讲解课件.ppt

1、激光原理与技术激光原理与技术党学明党学明仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院合肥工业大学合肥工业大学综述优点：优点：n体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。n工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。n可用高达Ghz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及光雷达等方而已经获得了广泛的应用。综述n其中泵浦方式有三种：电注人式、光泵式和高能电子束激励式n半导体二极管激光器的光学谐振腔是介质波导腔介质波导腔，其振荡模式是介质波导模介质波导模。原则上应用边界条件求解介质波导

2、中的麦克斯韦方程组可解求得这些模式n本章将首先引入晶体中的能带概念；随后描述半导体中的电子状态；接下来的几节循序渐进地阐述半导体激光器的工作原理及其发展；最后介绍半导体激光一些重要的应用。第四章 半导体激光器第一节第一节 半导体的能带结构和电子状态半导体的能带结构和电子状态第二节第二节 激发与复合辐射激发与复合辐射 第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器主要内容：主要内容：第四章 半导体激光器第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽第六节第六节 半导体激光器当前发展趋势半导体激光器当前发展趋势第七节第七节 半导体激光的应用半导

3、体激光的应用主要内容：主要内容：第一节半导体的能带结构和电子状态第一节半导体的能带结构和电子状态一、能带概念、能带概念、量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带能带。由于N值通常很大(如:1023/cm-3左右)分裂出的能级十分密集,形成一个能量上准连续的能带形成一个能量上准连续的能带,称为允许能带称为允许能带。而由原子不同能级分裂成的允许能带之间则是禁戒能禁戒能带带,简称禁带。简称禁带。第一节半导体的能带结构和电子状态第一节半导体的能带结构和电子状态n能带能带的宽度记作E，数量级为 EeV。若N1023,

4、则能带中两能级的间距约10-23eV能带的特点：能带的特点：n1.越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽，E越大。越大。n2.点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽，E越大。越大。n3.两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。第一节半导体的能带结构和电子状态第一节半导体的能带结构和电子状态固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能某个能带中的某一能级上级上.电子的填充原则：电子的填充原则：n（）服从泡利不相容原理（）服从泡利不相容原理n（）服从能量最小原理（）服从能量最小原理n 设孤立原子的一个能级设孤立原子的一个能级 Enl，它它最多能容纳最多能容纳2(2l+1)个电子个电子

5、.这一能级分裂成由这一能级分裂成由N条能级组条能级组成的能带后，成的能带后，n能带最多能容纳能带最多能容纳(2l+1)个电子个电子.1满带（排满电子）(价带)2价带（价电子能级分离后形成的能带价电子能级分离后形成的能带,能带中一部分能级排满电子）3.导带（未排满电子的价带未排满电子的价带）3空带（未排电子）空带也是导带空带也是导带4禁带（不能排电子）第一节半导体的能带结构和电子状态第一节半导体的能带结构和电子状态n半导体材料Si和Ge为例,每个原子有4个价电子,在原子状态中s态和p态各2个。n由轨道杂化重新组合的两个能带中各含 各状态，较低的一个正好容纳 个价电子，n所有的电子排满了s轨道,只

6、有当能带被电子部分填充时,外电场才能使电子的运动状态发生改变而产生导电性。n这些材料低温下不导电,在温度较高时,部分电子从价带激发到导带,表现出导电性。半导体的能带半导体的能带E 满带满带 导带导带 Eg第一节半导体的能带结构和电子状态第一节半导体的能带结构和电子状态二、半导体中的电子状态二、半导体中的电子状态用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定鄂方程实现的。然而鄂方程实现的。然而,由于固体中所含原子数量极大由于固体中所含原子数量极大,对每个电对每个电子求解薛定鄂方程是根本不可能子求解薛定鄂方程是根本不可能,只能采取某

7、种近似的方法只能采取某种近似的方法:其相应的能量本征值为其相应的能量本征值为nV所有其他电子对某一电子的相互作用视为叠加在原子实周期所有其他电子对某一电子的相互作用视为叠加在原子实周期势场上的等效平均场势场上的等效平均场,并用并用V(r)表示表示,势场的周期为晶格常数势场的周期为晶格常数a。nk为波数为波数,me 为电子质量为电子质量则动能则动能222eh kEVm222keh kEm第一节半导体的能带结构和电子状态第一节半导体的能带结构和电子状态在k足够小的范围内,可将Ek 展开为Maclaurin(麦克劳林)级数,且只保留前两项,得到其中,meff 称为电子的有效质量,与me 不同,mef

8、f 既可以取正值,也可以取负值。在k=0附近,E(k)仍按抛物线规律随k变化,抛物线的开口方向由meff 的符号决定。当 eff时，开口向上，相应的能带称为导带导带当 eff0000G=G1-G2=(h)PcePvh-PchPve=(h)Pce(1-Pve)-Pve(1-Pce)=(h)(Pce-Pve)第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件n 即导带能级被电子占据的几率大于价带能级被占据的导带能级被电子占据的几率大于价带能级被占据的几率几率。但由前面的讨论可知,本征半导体平衡状态下电子几乎全部处于价带,导带基本全空。因而,满足式Pce-Pve0的分布属于反转分布状态,和二能级原子系统的反转分

9、布条件 Nu-Nl gu/gl 相对应。n在受激吸收过程中,价带中能量为Ev=E-h的电子只能吸收1个能量为h的光子跃迁到导带中E c=E的未被电子占据的空能级上;而在受激发射过程中,Ec=E上的电子也只能跃迁到价带中Ev=E-h且未被电子占据的能级上,同时辐射1个能量为h的光子。第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件可见在非平衡态下,准Fermi能级不再位于禁带区,而是分别进入导带与价带内。而为使pn结实现粒子数反转分布,需满足两个条件:n掺杂浓度足够高掺杂浓度足够高,使准使准Fermi能级分别进入导带和价能级分别进入导带和价带。带。n正向偏压正向偏压V足够高足够高,使使eVE g,从而从而

10、EcF-EvF=eVh。1111cvFFvcFFEc EEc hv EkTkTEc hv EEc EkTkTeeeecvFFgEEhvE第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件二、损耗和阈值振荡条件二、损耗和阈值振荡条件半导体二极管激光器也包含一个光学谐振腔光学谐振腔和有源介有源介质质。当光在腔中传播时,除上小节所描述的增益外,还会经历各种损耗。只有当增益大于所要克服的损耗时,光才能被放大或维持振荡。损耗用i(cm-1)概括,主要包括衍射、自由载流子等引起的非本征吸收及各种损耗。此外,还有端面反射R1、R2所引起的损耗。第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件n对长度为L的腔,初始强度为I0的光在

11、腔内一次往返后变为n可得阈值增益为n i 主要由自由载流子的吸收引起,其大小正比于载流子浓度n,室温下,对GaAs材料,有经验公式i 0.510-17n(cm-1)n其中,n包括本底载流子浓度n 0 和阈值条件下注入载流子浓度nth,单位cm-3,典型值,当n=21018 cm-3时,i=10-1cm-1。第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件n在实际情况下,光场不可能完全被约束在有源区。但是只有在有源区中传播的光才能获得增益,在有源区外传播的光得不到增益,却要经受由吸收和反射引起的传播损耗。而振荡条件下这些损耗也必须由有源区的增益来补偿。如果引入光限制因子表示有源区能量和有源区及无源区总能量

12、之比表示有源区能量和有源区及无源区总能量之比,并设无源区的吸收系数和端面反射率分别为i和R1、R2,则上式将被更普适的关系或者thG分别表示有源区内的总损耗因子和有源区外的总损耗因子分别表示有源区内的总损耗因子和有源区外的总损耗因子。第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件n当光限制作用很强,以至1时,0。随着光限制减弱,减小,的作用越来越明显。通常可设R1=R1,R2=R2,若进一步假定i=i,则为在半导体激光器中在半导体激光器中,小信号增益系数一般在小信号增益系数一般在500010000m-1之间之间,因而因而,单次通过便足以克服增益介质内的固有分布损耗。单次通过便足以克服增益介质内的固有分

13、布损耗。式中式中,d为电流方向有源区厚度为电流方向有源区厚度,为辐射复合速率与总复合速率之比,称为内量子效率。内量子效率。而和j0是随温度变化的两个参量。第三节第三节 激光振荡条件激光振荡条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称。为达到阈值增益所要求的注入电流称为为阈值电流阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。作模式，即在该频率上形成激光输出。有有2个以

14、上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器。通。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器1.同质结同质结图(a)为基本的p-n结激光，称为激光(GaAs)。沿着垂直于110轴的方向劈成一对平行面，外加适当的偏压条件时，激光就能从这些平面发射出来(图中仅示出前半面的发射)。二极管的另外两侧则加以粗糙化处，以消除激光从这两侧射出的机会，这种结构称法布

15、里-波罗腔，其典型的腔长度L约300m，法布里-波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中。横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z横向纵向金属接触GaAs-pGaAs-n接触Lxy110z同质结激光)(aAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(bAsGaAl-p1 xxAsGaAl-n1 xxGaAs-p激光双异质结)DH()(b金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAs

16、Lsd金属氧化物GaAsp AsGaAlp1 xxGaAspAsGaAln1 xx衬底GaAsLsd激光长条状DH)(c图8.23法布里-波罗腔形态的半导体激光结构解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器2.异质结异质结1）单异质结）单异质结研究发现同质结复研究发现同质结复合发射大部分发合发射大部分发生在生在P区区增加电子势垒，压增加电子势垒，压缩电子在结区，缩电子在结区，降低阀值电流降低阀值电流Ef能量EePEVPEeNEVNP区N区EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf

17、第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器2）双异质结异质结第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器 双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出P GayAl1-yAsP GaAsN GaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率电子复合异质势垒空穴5%(b)(a)(d)(c)第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为大

18、面积激光器大面积激光器。为解决侧向辐射和光限制问题，实际。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了的激光器采用了增益导引型增益导引型和和折射率导引型折射率导引型结构。结构。一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器 解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为的激光器称为条形半导体激光器条形半导体激光器，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质(SiO2)淀积在淀积在P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是

19、借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器。P-InPInGaAsPN-InPN+-InP衬底P-InGaAsP绝缘介质第四节第四节 异质结半导体激光器异质结半导体激光器二、二、折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器 通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为问题，这种激光器称为折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器。P-InPInGaAsP有源层N-InPN+-

20、InP衬底接点SiO2SiO2第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽一、域值电流密度一、域值电流密度：激光工作中最重要的参数之一是域值电流密度Jth，亦即产生激光所需的最小电流密。下图比较同质结激光与DH激光的域值电流密度Jth与工作温度的关系。值得注意的是，当温度增加时，DH激光增加的速率远低于同质结激光增加的速率。由于DH激光在300K具有低值，所以DH激光可以 在 室 温 下 连 续 工作这样的特性增加了半导体激光的应用范围，尤其是在光纤通信系统中。100200300210310410510m300L波罗腔法布里)cm/A105(24约结传统的np)cm/A10(23

21、约)m5.0(d双异质结结构100200300210310410510m300L波罗腔法布里)cm/A105(24约结传统的np)cm/A10(23约)m5.0(d双异质结结构K/T图 8.24图 20 中两种激光结构的域值电流密度与温度关系图)cmA(2域值电流密度第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽二、光谱特性二、光谱特性 图为图为GaAlAs双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824驱动电流增大 波长取决于激光器的光学腔长，称为激光波长取决于激

22、光器的光学腔长，称为激光器的器的纵模纵模第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽当驱动电流足够大时，多纵模变为单当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为当驱动电流足够大时，纵模，称为当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为多纵模变为单纵模，称为静态单纵静态单纵模激光器模激光器。三、激光束的空间分布三、激光束的空间分布 近场近场是指激光器反射镜面上的是指激光器反射镜面上的光强分布，光强分布，远场远场是指离反射镜面一是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结

23、平面表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为布，称为多横模多横模；在垂直于结平面；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是向的场图总是单横模单横模。第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽n典型典型LD的远场辐射特性，图中与分别为平行于结的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。截面呈椭圆形。1.00.80.60.40.20 发射光功率P/mW 80 40 0 40 80 辐射角

24、(度)相对光强/表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数的光子数 2.2.3-1 由此得到由此得到 2.2.3-2 第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽四、转换效率与输出光功率特性四、转换效率与输出光功率特性 激光器的电激光器的电光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率 dhfeIPeIIhfPPd/)(/)(thth)(ththIIehfPPd式中，式中，P和和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和和Ith分别为对应的阈值，分别为对应的阈值，hf与与e

25、分别为光子能量与分别为光子能量与电子电荷。电子电荷。第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽 激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图曲线表示，图为典型为典型LD的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当 时，激光器时，激光器发出的是自发辐射光，当发出的是自发辐射光，当 时，发出的是受激时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。thII thII543210 0 50 100 I/mA发射光功率P/mW典型典型LD的光功率特性曲线的光功率特性曲线第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽

26、 五、温度特性五、温度特性 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图给出了外微分量子效率随温度升高而减小。图给出了LD的的P-I曲线随温度变化的实例。曲线随温度变化的实例。图图LD的的P-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 543210 0 50 100 I/mA发射光功率P/mW 22 50 70 第五节第五节 半导体激光的波长与线宽半导体激光的波长与线宽下图表示一连续波(cw)长条状AlxGa1-xAs-GaAs DH激光

27、的域值电流与温度的关系。图a显示当温度在25至115之间变化时，cw的光输出与注入电流的关系，注意此光-电流曲线的完美线性关系。在一定温度下的域值电流值是在输出功率为零时的补差值。图b则是域值电流对温度的关系图。此域值电流随温度呈指数增加，即 Ithexp(T/T0)其中T是温度，以为单位。而对此激光，T0是110。010020030005.2C2535 45 55 65 75 85 95105C115thI域值电流CW05.2C2535 45 55 65 75 85 95105C115thI域值电流CWmA/注入电流出与二极管电流关系图异质结构激光中光的输sGaAs/AlGaA)(a02040608010012010204060100200300)C110/(expthTI02040608010012010204060100200300)C110/(expthTIC/散热器温度系图）域值电流与温度的关连续波（CW)(b图 8.26mW输出功率mA/thI第七节第七节 半导体激光的应用半导体激光的应用 一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源 三、其他应用三、其他应用