通過(guò)pn結(jié)電注入泵浦的方式實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射的半導(dǎo)體

1、實(shí)驗(yàn)五 半導(dǎo)體雷射實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^測(cè)半導(dǎo)體雷射在不同電流、不同溫度下的輸出光譜。實(shí)驗(yàn)儀器1. 半導(dǎo)體雷射(Semiconductor Laser, Diode Laser)波長(zhǎng)範(fàn)圍：770850nm最大輸出功率：25mW(連續(xù)或脈衝)2. 光柵光譜儀N=1800/ruling density of grating in lines per mm.Ruling density=1200 lines/mmTrue wavelength=dial readingN解析度0.1 A/step3. 斬波器(chopper)4. Optical Isolator5. Lock-in Amplifier6. Ch

2、art recorder原理一、半導(dǎo)體雷射通過(guò)PN結(jié)電注入泵浦的方式實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射的半導(dǎo)體器件。它具有半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單效率高能直接調(diào)制但輸出功率單色性和方向性不如其他雷射器。 實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射的三個(gè)要素是雷射材料粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和諧振腔。只有直接帶隙半導(dǎo)體材料才能製造雷射二極管包括-族化合物半導(dǎo)體(GaAsInP等)及其三元四元固溶體(Ga-AlAsIn-GaAs-P等)-族化合物固溶體(Pb-SnTe等)。圖1 各種材料的雷射波長(zhǎng)表示這些材料所產(chǎn)生雷射的波長(zhǎng)範(fàn)圍。將單晶定向切割拋光後通過(guò)擴(kuò)散或各種外延方法或化學(xué)汽相沉積方法等在一定的晶面如 (001)上製成PN結(jié)。利用垂直該面的兩個(gè)自然

3、解理面如(110)構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔便製成通常的雷射二極管(圖2 半導(dǎo)體雷射二極管)。 在PN結(jié)上施加正向偏置則有電流流過(guò)PN結(jié)即電子由N區(qū)注入到P區(qū)而空穴由P區(qū)注入到N區(qū)。提高偏置電壓電流增大到某一定值時(shí)就會(huì)使有源區(qū)材料的導(dǎo)帶中能級(jí)上電子佔(zhàn)有的幾率大於價(jià)帶中相對(duì)應(yīng)能級(jí)上電子佔(zhàn)有的幾率從而發(fā)生粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)能為受激發(fā)射提供增益。當(dāng)增益等於或大於半導(dǎo)體材料本身的吸收損耗和端面漏出損耗時(shí)就能獲得受激發(fā)射 式中為閾值時(shí)的增益為材料內(nèi)部的吸收損耗為端面漏出損耗為腔長(zhǎng)為兩個(gè)端面的反射率。通常為增益因子為注入電流密度。對(duì)於高增益區(qū)來(lái)說(shuō)1因此得出受激發(fā)射的閾值條件為 1962年秋首次研製出 77K下脈衝

4、受激發(fā)射的同質(zhì)結(jié)GaAs 雷射二極管。1964 年將其工作溫度提高到室溫。1969年製造出室溫下脈衝工作的單異質(zhì)結(jié)雷射二極管1970年製成室溫下連續(xù)工作的 Ga-AlAs/GaAs雙異質(zhì)結(jié)(DH)雷射二極管。此後雷射二極管迅速發(fā)展。1975年 Ga-AlAs/GaAsDH 雷射二極管的壽命提高到10小時(shí)以上。In-GaAs-P/InP 長(zhǎng)波長(zhǎng)DH雷射二極管也取得重大進(jìn)展因而推動(dòng)了光纖通信和其他應(yīng)用的發(fā)展。此外還出現(xiàn)了由Pb-SnTe等 -族材料製成的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)雷射二極管。 器件結(jié)構(gòu) 在垂直於PN結(jié)方向上有同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)分別限制大光腔等結(jié)構(gòu)形式在平行PN結(jié)平面上做成各種條形結(jié)構(gòu)(如電極條

5、形平面條形質(zhì)子轟擊條形溝槽襯底條形臺(tái)階條形橫結(jié)條形埋藏條形壓縮條形等)諧振腔有法布里-珀羅腔分布反饋和布喇格反射等形式。用晶格匹配的不同半導(dǎo)體材料製成異質(zhì)結(jié)構(gòu)利用它們?cè)诮麕挾群驼凵渎噬系牟町惪稍诖怪盤(pán)N結(jié)方向上獲得幾乎完全的載流子限制和光學(xué)限制。在平行於結(jié)方向上的各種條形結(jié)構(gòu)能將電流集中在一較窄的區(qū)域並提供增益波導(dǎo)或折射率波導(dǎo)。這些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使雷射二極管的性能大為提高。 器件的性能輸出光功率和輸入電流的關(guān)係-特性通常如圖3 半導(dǎo)體雷射二極管的-特性。電流低於時(shí)為自發(fā)輻射(熒光)大於時(shí)為受激輻射(雷射)。為閾值電流。受激發(fā)射時(shí)曲線的斜率為外微分量子效率。以上和以下時(shí)分別發(fā)出的雷射功率同熒光功

6、率之比稱(chēng)消光比。通常雙異質(zhì)結(jié)雷射二極管連續(xù)工作的為20100毫安輸出光功率可達(dá)幾十毫瓦外微分量子效率為2060。 電壓和電流的關(guān)係雷射二極管的V-I 特性同通常的二極管相似由此可測(cè)出雷射器的串聯(lián)電阻通常為零點(diǎn)幾到幾歐姆。 光譜特性雷射二極管有源區(qū)禁帶寬(ev)同發(fā)射波長(zhǎng)的關(guān)係為1.2398/(m)。多模二極管的譜線半寬一般小於20埃而單模器件通常小於1埃。 光束發(fā)射角度由於發(fā)光面積較小因此光束發(fā)散角度較大。通常平行和垂直於PN結(jié)方向上的發(fā)散角為10×50最好的約為4×14。 溫度特性閾電流密度滿(mǎn)足 exp(/)式中為特徵溫度。如Ga-AlAs/GaAs DH雷射器10015

7、0KIn-GaAs-P/InP DH雷射器5070K。 瞬態(tài)特性雷射二極管可採(cǎi)用電信號(hào)直接調(diào)制當(dāng)電源剛接通(脈衝工作或直流工作)時(shí)都可觀測(cè)到瞬時(shí)振盪延遲自脈動(dòng)等效應(yīng)這些與載流子壽命電子和光子系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)量子散粒效應(yīng)增益與損耗的不均勻性以及溫度變化等有關(guān)。 噪聲由於種種原因(如量子漲落模式跳動(dòng)等)雷射二極管在調(diào)制應(yīng)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子噪聲模式分配噪聲二次諧波噪聲反射光噪聲等。 可靠性維持雷射輸出功率恆定工作電流提高50所需時(shí)間或者維持電流恆定而輸出功率下降某一百分比所需時(shí)間稱(chēng)為雷射器的壽命。壽命與溫度關(guān)係為採(cǎi)用高溫加速老化就可依照此式推算出室溫下的壽命。 器件的應(yīng)用 光纖通信系統(tǒng)中的光源主要採(cǎi)用波長(zhǎng)

8、為0.820.90微米的Ga-AlAs/GaAs DH雷射器和1.3微米1.55微米的In-GaAs-P/InP DH雷射器作光源。特別是後者在光纖中損耗低色散小更適於長(zhǎng)距離光纖通信。雷射二極管常用作發(fā)射端和中繼站的電光轉(zhuǎn)換器接收端的本機(jī)振盪器等。 光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的寫(xiě)入和讀出光源能在光盤(pán)介質(zhì)上存儲(chǔ)或取出大容量信息。 光纖探測(cè)器參數(shù)的測(cè)試光源可用來(lái)測(cè)量光纖的帶寬色散故障點(diǎn)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間等。 信息技術(shù)方面可作為雷射印刷雷射掃描器雷射傳感器雷射顯示等的光源。 鉛鹽類(lèi)Pb-CdSPb-SnTe等製成的雷射二極管波長(zhǎng)範(fàn)圍240微米並且可調(diào)諧常用來(lái)作雷射光譜儀和大氣污染監(jiān)測(cè)設(shè)備的光源。 現(xiàn)代採(cǎi)用新結(jié)構(gòu)已

9、製成各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)單頻雷射二極管量子阱雷射二極管雙穩(wěn)態(tài)雷射二極管。雷射二極管同探測(cè)器或場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成在同一襯底上的光集成或光電集成器件也有新進(jìn)展。 參考書(shū)目 Heterostructure LasersAcademic PressNew York1978.二、半導(dǎo)體激光器的模式激光器光學(xué)諧振腔中穩(wěn)定的光場(chǎng)分布方式。光場(chǎng)在光腔的三個(gè)方向上必須滿(mǎn)足諧振條件即形成駐波分布。垂直於PN結(jié)方向的分布稱(chēng)為垂直橫模平行於PN結(jié)方向的稱(chēng)為側(cè)向橫模而沿著光軸方向形成的一系列駐波稱(chēng)縱模。激光器的模式結(jié)構(gòu)可從光譜測(cè)量和近場(chǎng)觀察中看出。縱模是光譜的主要結(jié)構(gòu)激光器一般是多縱模的各模之間的間隔與腔長(zhǎng)有關(guān)腔長(zhǎng)越長(zhǎng)則縱橫間

10、距越短縱模間距一般為幾個(gè)埃橫模也可從光譜的精細(xì)測(cè)量中得到。激光器輸出光譜的三種典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖123。圖1 單橫模單縱模激光器的輸出光譜是單橫模單縱模激光器的輸出光譜只有一個(gè)峰值光譜的半寬度與腔的結(jié)構(gòu)有關(guān)對(duì)法布里-珀羅諧振腔單縱模半寬度為23埃。圖2 多橫模單縱模激光器的輸出光譜 是單縱模多橫模結(jié)構(gòu)有二個(gè)峰值對(duì)應(yīng)於激光器有一階橫模存在橫模間距不足1埃。圖3 多橫模多縱模激光器的輸出光譜 是多橫模多縱模的光譜結(jié)構(gòu)。橫模也可從激光器的近場(chǎng)觀察中看出如果腔面只有一個(gè)光強(qiáng)分布的最大值(即一個(gè)亮點(diǎn))則器件在基橫模下工作如在水平方向存在二個(gè)亮點(diǎn)則器件有一階側(cè)向橫模存在亮點(diǎn)增多高階橫模的階數(shù)增大。 模式控制是激

11、光器研究的主要課題之一。橫模由腔的大小和腔內(nèi)外折射率的差別決定。波導(dǎo)模式的有效折射率與腔的厚度和寬度有關(guān)厚度和寬度越小則有效折射率越低而在波導(dǎo)中傳播的各階橫模的有效折射率隨著模階數(shù)的增大而減小?；鶛M模的有效折射率最大所以能控制腔的厚度和寬度使高階橫模的有效折射率低於或等於腔外介質(zhì)的折射率使之漏出腔外這樣光腔中便只存在基橫模振盪。對(duì)於InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)激光器當(dāng)有源區(qū)厚度小於0.5微米時(shí)就能得到單一垂直基橫模。側(cè)向橫模由採(cǎi)用的條形結(jié)構(gòu)決定對(duì)於發(fā)射波長(zhǎng)為1.3微米的InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)隱埋結(jié)構(gòu)用InP作埋區(qū)實(shí)驗(yàn)上條寬小於2微米就能得到單側(cè)向橫模的輸出。 縱模的選擇比較困難除了與

12、腔的大小有關(guān)外還依賴(lài)於增益分布和腔面反射對(duì)模式的選擇。在器件結(jié)構(gòu)上用光柵選模是很有效的方法。把光柵做在有源區(qū)上面(或下面)的包層中的稱(chēng)分布反饋結(jié)構(gòu)把光柵做在有源區(qū)二端用於代替端面反射鏡的稱(chēng)分布反射結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)都能得到單縱模輸出但製備的工藝技術(shù)要求相當(dāng)高。另外也可採(cǎi)用外腔結(jié)構(gòu)式注入鎖模得到帶寬窄的單模輸出。三、鎖相放大器Lock-in amplifiers are used to measure the amplitude and phase of signals buried in noise. They achieve this by acting as a narrow bandpass

13、 filter which removes much of the unwanted noise while allowing through the signal which is to be measured. The frequency of the signal to be measured and hence the passband region of the filter is set by a reference signal, which has to be supplied to the lock-in amplifier along with the unknown si

14、gnal. The reference signal must be at the same frequency as the modulation of the signal to be measured.Lock-In Amplifiers Internal WorkingsA basic lock-in amplifier can be split into 4 stages: an input gain stage, the reference circuit, a demodulator and a low pass filter. · Input Gain Stage:

15、The variable gain input stage pre-processes the signal by amplifying it to a level suitable for the demodulator. Nothing complicated here, but high performance amplifiers are required. · Reference Circuit: The reference circuit allows the reference signal to be phase shifted. · Demodulator

16、: The demodulator is a multiplier. It takes the input signal and the reference and multiplies them together. When you multiply two waveforms together you get the sum and difference frequencies as the result. As the input signal to be measured and the reference signal are of the same frequency, the d

17、ifference frequency is zero and you get a DC output which is proportional to the amplitude of the input signal and the cosine of the phase difference between the signals. By adjusting the phase of the reference signal using the reference circuit, the phase difference between the input signal and the

18、 reference can be brought to zero and hence the DC output level from the multiplier is proportional to the input signal. The noise signals will still be present at the output of the demodulator and may have amplitudes 1000x larger than the DC offset. · Low Pass Filter: As the various noise comp

19、onents on the input signal are at different frequencies to the reference signal, the sum and difference frequencies will be non zero and will not contribute to the DC level of the output signal. This DC level (which is proportional to the input signal) can now be recovered by passing the output from

20、 the demodulator through a low pass filter. 四、斬波器斬?cái)毓馄髟诠鉁y(cè)量應(yīng)用中，把連續(xù)光源發(fā)出的光，調(diào)制成等時(shí)斷續(xù)的光信號(hào)，便于光電變換后進(jìn)行選頻放大和相干檢測(cè)。斬光器除了能對(duì)被測(cè)光進(jìn)行調(diào)制外，同時(shí)輸出與調(diào)制頻率同步的參考電壓方波，作為鎖相放大器的參考信號(hào)，因此，特別適用于采用鎖相放大器的雷射、光學(xué)或微波測(cè)量系統(tǒng)。通常，斬波器是利用一個(gè)石英晶體振盪器作為光束調(diào)頻的精確性和穩(wěn)定性的主頻標(biāo)準(zhǔn)。五、光柵光譜儀光路：狹縫(限制入射光來(lái)向)à準(zhǔn)直鏡(平行光線)稜鏡或光柵(色散)à偵測(cè)器(紀(jì)錄) 繞射光柵：利用密集刻痕將不同波長(zhǎng)光線分開(kāi)。色散度：兩波長(zhǎng)不同的譜線散開(kāi)程度。(柵線間隔愈小色散度愈高)。Dq 為波長(zhǎng)差Dl 兩光線之角間隔 鑑別率：為分辨波長(zhǎng)接近之譜線，其寬度應(yīng)愈窄愈好。(柵線愈多鑑別率愈高)，狹縫亦會(huì)影響鑑別率，愈窄解析力愈高 實(shí)驗(yàn)步驟1. 測(cè)量半導(dǎo)體雷射在不同