第五章半導(dǎo)體激光器原理介紹

1、第五章 半導(dǎo)體激光器原理深圳大學(xué)光電工程學(xué)院目錄n5.1 5.1 半導(dǎo)體中的光發(fā)射半導(dǎo)體中的光發(fā)射n 5.1.1 5.1.1 光的吸收與發(fā)射光的吸收與發(fā)射n 5.1.2 5.1.2 半導(dǎo)體的光發(fā)射半導(dǎo)體的光發(fā)射n5.2 5.2 半導(dǎo)體激光器原理與結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器原理與結(jié)構(gòu)n5.3 5.3 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性n5.4 5.4 光源與光纖的耦合光源與光纖的耦合5.1 5.1 半導(dǎo)體中的光發(fā)射半導(dǎo)體中的光發(fā)射原子是由原子核和核外電子構(gòu)成 ,原子核由正電的質(zhì)子和中子構(gòu)成；電子帶負(fù)電，質(zhì)量為9.1091x10-28克 在沒有外加激發(fā)條件下最外層電子處于原子的能量最低狀態(tài)在沒有外加激發(fā)條

2、件下最外層電子處于原子的能量最低狀態(tài) 在外加激發(fā)條件下最外層電子處于原子的能量高能態(tài)在外加激發(fā)條件下最外層電子處于原子的能量高能態(tài) 光子與物質(zhì)（電子）的相互作用光子與物質(zhì)（電子）的相互作用5.1.1 5.1.1 光的吸收與發(fā)射光的吸收與發(fā)射 電子在兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷是能量為能量為hf=Ehf=E2 2-E-E1 1的光子的光子被吸收和發(fā)射的過程圖3.1.1基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)(a)、光的受激吸收3-1-112W-受激吸收幾率【1/s】3-1-2f-入射光波的能量密度【W(wǎng)/m3Hz】12B-愛因斯坦受激吸收系數(shù)1212fWB2121dNW Ndt 333318exp() 1:081exp() 1

3、:RRfRfdnfndfhfhfckTnhfhfckTk半導(dǎo)體材料的折射率，若色散為 ，則：普朗克常數(shù)3-1-3普朗克公式：推導(dǎo)思路：利用光波在光學(xué)腔內(nèi)穩(wěn)定振蕩的駐波條件-每個(gè)波矢k（E）決定了光子的兩個(gè)狀態(tài)（TE、TM），求出單位體積與單位波矢間隔的光子狀態(tài)數(shù)，在乘上每個(gè)狀態(tài)被光子占據(jù)的幾率（玻色-愛因斯坦分布）就可得到公式3-1-3入射光波的能量密度入射光波的波長(b)、光的自發(fā)發(fā)射3-1-42212dNA Ndt 21A-愛因斯坦自發(fā)發(fā)射系數(shù)【1/s】，表示每個(gè)原子單位時(shí)間內(nèi)從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)的自發(fā)發(fā)射幾率2212dNA dtN 0022212( )exp()exp()sptN tNA

4、 tN211/spA-E2的自發(fā)發(fā)射壽命。意義？上能級(jí)處的原子數(shù)目減少到初始值的上能級(jí)處的原子數(shù)目減少到初始值的1/e1/e所需要的時(shí)間所需要的時(shí)間完全由原子系統(tǒng)決定完全由原子系統(tǒng)決定與入射信號(hào)無關(guān)的隨機(jī)發(fā)射非相干光與入射信號(hào)無關(guān)的隨機(jī)發(fā)射非相干光(c)、光的受激發(fā)射2212dNW Ndt 3-1-6 2121fWB3-1-7 -受激發(fā)射幾率 21W-愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù) 21B 由原子系統(tǒng)與入射光信號(hào)決定由原子系統(tǒng)與入射光信號(hào)決定 與入射光同態(tài)與入射光同態(tài)-相干光相干光(d)、愛因斯坦關(guān)系熱平衡時(shí)上下能級(jí)處的原子數(shù)目一定-單位時(shí)間因受激吸收而在E2能級(jí)增加的原子數(shù)=因受激發(fā)射和自發(fā)發(fā)射而在E

5、2能級(jí)減少的原子數(shù)121212212ffBNA NBN3-1-8熱平衡下在能級(jí)Ei處的原子數(shù)服從波爾茲曼分布0exp()iiiiENg NkT求出212121212fA NB NB N12121212/(/)exp()gEENNggkTg、為兩能級(jí)的兼并度3-1-9得：1221BB3213218()AhfBc3-1-13兩能級(jí)兼并度相同g1=g2，受激發(fā)射幾率B21=受激吸收幾率B123381exp() 1fhfhfckT21hfEE122121(/)Bgg B2111221212211exp() 1fAg BEEBg BkT比較普朗克公式3-1-12自發(fā)發(fā)射幾率A21比上受激發(fā)射幾率B21為

6、常數(shù)結(jié)論結(jié)論1 1：熱平衡時(shí)不可能產(chǎn)生受激發(fā)射為主的光發(fā)射，除非必須滿足熱平衡時(shí)不可能產(chǎn)生受激發(fā)射為主的光發(fā)射，除非必須滿足 N N2 2 N N1 1-粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)21221211ffB NNB NN受激發(fā)射速率受激吸收速率3-1-142122121221ffB NBA NA受激發(fā)射速率自發(fā)發(fā)射速率3-1-15結(jié)論結(jié)論2 2：可能產(chǎn)生受激發(fā)射為主的光發(fā)射的另一條件是要有足夠強(qiáng)：可能產(chǎn)生受激發(fā)射為主的光發(fā)射的另一條件是要有足夠強(qiáng)的輸入光場的輸入光場 f f書中例題3.1.1（p82），白熾燈發(fā)出光的成分2113213 10fBA 受激發(fā)射速率自發(fā)發(fā)射速率5.1.2 半導(dǎo)體中的光發(fā)射 1

7、 1、pnpn結(jié)及電致發(fā)光結(jié)及電致發(fā)光n能帶能帶n費(fèi)米能級(jí)及載流子分布的規(guī)律費(fèi)米能級(jí)及載流子分布的規(guī)律n摻雜摻雜n能帶圖及能帶圖及pnpn結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性n載流子的復(fù)合與發(fā)光載流子的復(fù)合與發(fā)光半導(dǎo)體？ 導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體與絕緣體之間 一種晶體 基態(tài)及激發(fā)態(tài)的表述、分布規(guī)律？ 如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？EcEvEcEFpMEFneVopnEoEvnp(a)VInpEoEe(VoV)eVEcEFnEvEvEcEFp(b)(c)Vrnpe(Vo+Vr)EcEFnEvEvEcEFpEo+E(d)I = Very SmallVrnpThermalgenerationEcEFnEvEcEFpEve

8、(Vo+Vr)Eo+EEnergy band diagrams for a pn junction under (a) open circuit, (b) forwardbias and (c) reverse bias conditions. (d) Thermal generation of electron holepairs in the depletion region results in a small reverse current.SCL 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)pnpn結(jié)能帶圖與單向?qū)щ娞匦越Y(jié)能帶圖與單

9、向?qū)щ娞匦哉蛱匦哉蛱匦苑聪蛱匦詣?shì)壘高度勢(shì)壘高度2ln()/adDigN NkTVenEe正向偏置正向偏置V V反向偏置反向偏置nAIShockley equationSpace charge layergeneration.VmAReverse I-V characteristics of apn junction (the positive andnegative current axes havedifferent scales)I = Ioexp(eV/kBT) 1 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)V-IV-I曲線曲線正

10、向擴(kuò)散電流正向擴(kuò)散電流反向漏電流反向漏電流V VD D0exp(/) 1BIIeV k T反向擊穿反向擊穿反向擊穿電壓反向擊穿電壓V VB BV VB Bp pn0n0n np0p0n np pp pn0n0p pn nn np0p0載流子的載流子的與與擴(kuò)散長度擴(kuò)散長度L L與復(fù)合與復(fù)合輻射復(fù)合輻射復(fù)合發(fā)光區(qū)發(fā)光區(qū)（有源區(qū)）（有源區(qū)）非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合正向偏置下載流子的電正向偏置下載流子的電注入與發(fā)光過程注入與發(fā)光過程L LL L發(fā)光區(qū)發(fā)光區(qū)電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶空穴并釋放相應(yīng)能量的過程空穴并釋放相應(yīng)能量的過程電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶空穴并釋放相應(yīng)能量光子的

11、過程空穴并釋放相應(yīng)能量光子的過程電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶空穴并釋放相應(yīng)能量聲子的過程空穴并釋放相應(yīng)能量聲子的過程熱熱發(fā)光發(fā)光空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)同質(zhì)結(jié)發(fā)光的缺點(diǎn)：同質(zhì)結(jié)發(fā)光的缺點(diǎn)：1.1. 發(fā)光范圍寬、效率低發(fā)光范圍寬、效率低2. 2. 無波導(dǎo)效應(yīng)、傳光范圍寬無波導(dǎo)效應(yīng)、傳光范圍寬3. 3. 光子再吸收效應(yīng)光子再吸收效應(yīng)n np pp pn n載流子（過剩EHP）的復(fù)合 復(fù)合 外加電壓引起pn結(jié)的載流子注入，產(chǎn)生“過剩載流子-過剩的電子空穴對(duì)”，處于“高能態(tài)”的它們必須以某種能量交換的方式恢復(fù)到穩(wěn)定的“低能態(tài)”，把“高能態(tài)”電子（如導(dǎo)帶、施主雜質(zhì)能級(jí)ED等）躍遷到相應(yīng)的價(jià)帶(E

12、A)、同時(shí)釋放能量的過程叫做復(fù)合； 輻射復(fù)合 “高能態(tài)”電子（如導(dǎo)帶、施主雜質(zhì)能級(jí)ED等）躍遷到相應(yīng)的價(jià)帶(EA) 、同時(shí)釋放能量等于其高低能量差的光子 非輻射復(fù)合 不伴隨光輻射的復(fù)合過程復(fù)合模型 光子 用量子力學(xué)描述的能量為hv（v為光波頻率）的不帶電粒子 聲子 用量子力學(xué)描述的能量為hvk（vk為聲波頻率）的不帶電粒子， hvk0.06eV，晶格的振動(dòng)-熱 激子 在某種能量作用下使得原子處于激發(fā)態(tài)，其電子能級(jí)處于Ec以下附近（空穴能級(jí)處于Ev以上附近）（電子的波函數(shù)在禁帶兩端有拖尾-類似光波導(dǎo)的能量分布） 復(fù)合模型：“碰撞” 電子和空穴的輻射復(fù)合本征輻射躍遷與涉及雜質(zhì)能級(jí)的輻射復(fù)合本證輻射

13、躍遷-帯間躍遷 、自由激子湮滅、能帶勢(shì)能起伏處的激子復(fù)合涉及雜質(zhì)能級(jí)的輻射復(fù)合低溫、低過剩載流子密度直接帶隙半導(dǎo)體中的輻射復(fù)合躍遷 間接帶隙半導(dǎo)體中的輻射復(fù)合躍遷復(fù)合躍遷過程遵循：能量守恒、動(dòng)量守恒（對(duì)能帶結(jié)構(gòu)提出要求），對(duì)間接帶隙材料的躍遷復(fù)合是三粒子過程，效率很低；例外：海森堡不確定性h k x C ，摻N、O的GaP，i16%導(dǎo)帶電子被雜質(zhì)能級(jí)俘獲形成束縛態(tài)激子，x范圍內(nèi)動(dòng)量守恒定律可能被破壞22222122eeekEm vhmpm vk 兩粒子過程-內(nèi)量子效率高 非輻射復(fù)合 階段性放出聲子的復(fù)合完全把電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶的能量轉(zhuǎn)換到聲子（需要20個(gè)聲子）概率太小，通過一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)聲子

14、過程轉(zhuǎn)移到雜質(zhì)能級(jí)的概率更大 俄歇復(fù)合 電子間碰撞，躍遷至更高能態(tài)，回落時(shí)以聲子形式 表面復(fù)合 表面缺陷更多，周期性勢(shì)場 也破壞，深雜質(zhì)能級(jí)多-覆蓋介質(zhì)膜 過剩載流子的復(fù)合時(shí)間e-復(fù)合率由圖可知p區(qū)瞬態(tài)載流子分布少子(平衡態(tài)電子+注入產(chǎn)生的過剩電子）：多子(平衡態(tài)電子+注入產(chǎn)生的過?？昭ǎ簆popppopnnnppn單位時(shí)間注入的載流子正比于該時(shí)間的瞬態(tài)載流子量pppthermalthermalnBn pGtBG 直接復(fù)合俘獲系數(shù)單位時(shí)間的熱生載流子數(shù)20BpppthermalthermalpopoinBn pGtGBnpn ()pppppopoeennB n pnpt 過剩少子復(fù)合時(shí)間（壽

15、命） 弱注入,()1/ppoppoppoappopppppppopoapeeanpppnpNnnnnnnB n pnpBNntBN 強(qiáng)注入2,()()1/ppoppoppppopppppppopopeepnpppnnnnnnnnB n pnpBntB n 輻射復(fù)合率Rr與輻射復(fù)合壽命r 定義： 單位時(shí)間發(fā)生輻射復(fù)合的載流子數(shù)為輻射復(fù)合率/rrrRn 輻射復(fù)合壽命弱注入AnNrRB強(qiáng)注入2nrRB（）非輻射復(fù)合率Rnr與非輻射復(fù)合壽命nr 定義： 單位時(shí)間發(fā)生非輻射復(fù)合的載流子數(shù)為輻射復(fù)合率nrnrn/nrR 非輻射復(fù)合壽命 載流子總復(fù)合率R和總壽命11nn(+)rnrrnrRRR 總復(fù)合率R總

16、壽命111(+)rnr討論內(nèi)量子效率i直接帶隙半導(dǎo)體材料的內(nèi)量子效率i1111(+)1rrirrnrrrnrnrRRR間接帶隙半導(dǎo)體材料的內(nèi)量子效率i3/23/2111expexpirXXLLnrBBmEmEmk Tmk TXLXLXLXLmmmEE、分別是價(jià)帶 、 、 能谷的有效質(zhì)量，、分別是價(jià)帶 、 態(tài)與 態(tài)能谷的能量差5.2 5.2 半導(dǎo)體激光器原理與結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器原理與結(jié)構(gòu)5.2.1 半導(dǎo)體激光器工作原理 半導(dǎo)體激光器也叫激光二半導(dǎo)體激光器也叫激光二極管極管(Laser Diode，) 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：激勵(lì)源、工作（增益）物質(zhì)及諧振腔 激光振蕩基本條件激光振蕩基本條件：、提供、滿足

17、激光振蕩的FP-LDFP-LD結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖重?fù)诫s與大的電流注入重?fù)诫s與大的電流注入圖3.3.1 (a)絕對(duì)零度時(shí)本征半導(dǎo)體平衡狀態(tài)電子發(fā)布 (b)高載流子注入下電子的能量與狀態(tài)分布圖3.3.2 重?fù)诫s pn 結(jié) ( a)無偏壓； (b)正向偏置下有源區(qū)的形成受激發(fā)射必要條件受激發(fā)射必要條件（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件）（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件）)cvFFgEEhfE（電注入發(fā)光：電注入發(fā)光：通過給通過給pnpn結(jié)加正向偏壓實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結(jié)加正向偏壓實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N2N12 2、FPFP腔與光反饋腔與光反饋-縱向模式縱向模式( (縱模）縱模）圖3.3.3 激光器中的光反饋及 FP 腔縱向模式振蕩條件縱向模式振蕩條件

18、-腔內(nèi)形成駐波腔內(nèi)形成駐波3.3.9n1m縱向模式數(shù)某一族波長光波的能量空間分布縱模：縱模：滿足駐波條件的一族波長的光能量在滿足駐波條件的一族波長的光能量在FPFP腔軸向的空腔軸向的空間分布，模式數(shù)間分布，模式數(shù)m m01()2mLn駐波條件駐波條件-腔長為半波長的整數(shù)倍腔長為半波長的整數(shù)倍n n1 1102( )expexpexpexpiinE zjzgzjzgzE(z)E(z)m=0m=0m=2m=2 縱模的模式間隔縱模的模式間隔 相鄰模式的間隔相鄰模式的間隔212n L3.3.10 縱模的諧振頻率間隔12cfn L3.3.11例子例子(p95)(p95)：AlAl0.030.03GaGa

19、0.970.97As/GaAs LDAs/GaAs LD，工作波長，工作波長850nm850nm，n n1 1=3.57=3.57，L=300L=300 m m，則，則m=2520m=2520，模式間隔，模式間隔 =0.337nm=0.337nm 精細(xì)度精細(xì)度F F每個(gè)模式半寬每個(gè)模式半寬f f1/21/2R R增加，增加，F(xiàn) F變大，變大，R=0.97R=0.97時(shí)時(shí)F=100F=100；自然；自然解理的解理的GaAsGaAs的的R0.32R0.32，則，則F2.5F2.5；f f1/21/2越寬，光譜純?cè)綄?，光譜純度越差度越差1RFR3.3.132221(1)(1)4 sin ( /2)4

20、costiPRPRRn L為光束入射角1m1mm850.337850.337850nm 850nm 849.663849.6633 3、激光振蕩的閾值條件、激光振蕩的閾值條件 自由載流子吸收、缺陷散射，用i表示1/cm 端面透射對(duì)光信號(hào)的損失，用m表示1/cm 載流子注入有源區(qū)使得受激發(fā)生增強(qiáng)的狀態(tài)，用g表示1/cmn ( )(0)exp() iE zEgz 為光約束因子=有源層內(nèi)光功率/芯片總光功率相當(dāng)于光纖的波導(dǎo)效率正向偏壓下正向偏壓下DHDH的載流子注入的載流子注入g giZ Z激光在腔內(nèi)往返一周激光在腔內(nèi)往返一周12(2 )exp()2 (0)iELR RgLE 3.3.15激光激射的

21、閾值（起始）條件激光激射的閾值（起始）條件12exp2() 1iR RgL 3.3.16閾值增益系數(shù)為閾值增益系數(shù)為1211ln2thigLR R3.3.174 4、激光振蕩模式、激光振蕩模式半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的增益性質(zhì)增益性質(zhì) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益，輸入電流越大，增益越高輸入電流越大，增益越高； 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不在單能級(jí)間，而是能帶間，故單能級(jí)間，而是能帶間，故有增益譜線寬度有增益譜線寬度； 同樣注入條件下，同樣注入條件下，量子量子阱材料的增益比體材料高，增益線寬更窄阱材料的增益比體材料高，增益線寬更窄是均方根增益譜寬， 0叫中心波長2002()()() ex

22、p2gg3.3.18（E E） 0 0 0 0I1I3I2(a) Optical 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 s

23、atisfying (a) and (b) simultaneously, assuming 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縱模選模機(jī)理及光譜曲線縱模選模機(jī)理

24、及光譜曲線FP-LDFP-LD是多模半導(dǎo)體激光器！光譜半寬大！是多模半導(dǎo)體激光器！光譜半寬大！光源多縱模對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響？光源多縱模對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響？D色散產(chǎn)生的脈沖展寬FP腔：縱模選模腔：縱模選模+增益增益如何獲得單縱模工作？FP-LD工作原理n112/BnmB為光柵的布拉格波長n1為光柵材料折射率為光柵周期m為光柵衍射級(jí)數(shù)5.2.2 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)與發(fā)散角-有源波導(dǎo)中的光波場Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripecontact laser diodeOxide in

25、sulatorStripe electrodeSubstrateElectrodeActive region where J Jth.(Emission region)p-GaAs (Contacting layer)n-GaAs (Substrate)p-GaAs (Active layer)CurrentpathsLWCleaved reflecting surfaceEllipticallaserbeamp-AlxGa1-xAs (Confining layer)n-AlxGa1-xAs (Confining layer)123Cleaved reflecting surfaceSubs

26、trate 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)圖3-3-10 條形FP-LD結(jié)構(gòu)及發(fā)射光束LD的有源層截面垂直于結(jié)平面方向很?。s0.1-0.2m），而平行于結(jié)平面方向則要寬得多(對(duì)于BH-LD約2-3m)；因此相應(yīng)的遠(yuǎn)場光斑呈現(xiàn)橢圓形 /10-3010-30， 30-5030-50nFP-LD管芯DFB-LD光纖微透鏡熱沉焊料300m400m100m250 m350 m5.3 5.3 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性5.3.1 P-I-V5.3.1 P-I-V（L-I-VL-I-V）特性）特性5.3.2 5.3.2 模

27、式特性與線寬模式特性與線寬5.3.3 5.3.3 調(diào)制特性調(diào)制特性5.3.4 波長調(diào)節(jié)特性5.3.5 5.3.5 噪聲特性噪聲特性5.3.6 5.3.6 安全使用安全使用物理意義物理意義：LDLD工作時(shí)光腔中工作時(shí)光腔中某模式某模式的光場與電子的相互作用的規(guī)律的光場與電子的相互作用的規(guī)律N N、S S分別是電子濃度和某個(gè)模式的光子濃度，分別是電子濃度和某個(gè)模式的光子濃度，J J注入電流密度，注入電流密度，d d有源區(qū)厚度，有源區(qū)厚度， spsp、 phph分別是載流子自發(fā)發(fā)射壽命和腔內(nèi)光子壽命，分別是載流子自發(fā)發(fā)射壽命和腔內(nèi)光子壽命， -進(jìn)入激光模式的自發(fā)發(fā)射進(jìn)入激光模式的自發(fā)發(fā)射分量系數(shù)（很

28、小，可以忽略），分量系數(shù)（很小，可以忽略），g(N)-g(N)-增益函數(shù)增益函數(shù) 電子增加速率電子增加速率( / ) ( )phspdSSNc n g N Sdt( / ) ()spdNJNc n g N Sdted3.4.2電流注入引起電子增加速率電流注入引起電子增加速率3.4.1受激輻射引起電子減少速率受激輻射引起電子減少速率自發(fā)輻射引起電子減少速率自發(fā)輻射引起電子減少速率電光耦合速率方程簡稱速率方程電光耦合速率方程簡稱速率方程腔內(nèi)損耗引起光子減少速率腔內(nèi)損耗引起光子減少速率光子壽命12111ln2thiphccgnnLR R：有源區(qū)內(nèi)的光子在被吸收或通過端面被輻射出LD之前在諧振腔中平均

29、駐留時(shí)間：gth=501/cm，n=3.5，L=0.3mm，ph=3ps而自發(fā)發(fā)射壽命spns閾值以下S=0ththspspededJNJN()eiithphShfPhfIIe0()()mmeithdthmimihfhfPPIIIIee3.4.83.4.110.8065 ()dgPePPhfmIEIIe 3.4.14可直接測(cè)量！可直接測(cè)量！()()phphththSSVJJlwdIIede1211ln2thimigLR REgEg的單位！的單位！mdimimdimiSlope efficiencyPI閾值電流閾值電流I Ithth輸出光功率輸出光功率P(I)P(I)工作電流工作電流I I斜率斜

30、率斜率斜率P/I與微分量子效率與微分量子效率線性度線性度溫度特性溫度特性I Ithth(T)(T)、P(TP(T） Eg Eg電驅(qū)動(dòng)參數(shù)電驅(qū)動(dòng)參數(shù)微分串聯(lián)電阻微分串聯(lián)電阻芯片、器件品質(zhì)芯片、器件品質(zhì)gDssEVVIRIRe光功率電流(L-I)曲線圖3.4.1 LD的L-I-V特性LD的其它效率：斜率效率=P/I，外量子效率=(P0/hf)/(I/e)電流電壓(I-V)曲線自發(fā)發(fā)射部分自發(fā)發(fā)射部分受激發(fā)射部分受激發(fā)射部分圖圖5.13 5.13 LDLD的的P-IP-I特性特性實(shí)驗(yàn)測(cè)定閾值電流實(shí)驗(yàn)測(cè)定閾值電流Ith(T)的方法的方法1 1、交叉線法、交叉線法2 2、延長線法、延長線法3 3、2 2

31、階微分法階微分法 FP-LD FP-LD的的溫度特性AlGaAs體材料120190KInGaAsP體材料5080KInGaAsP量子阱材料200K圖3.4.2a LD 在各種溫度下的P-I特性圖3.4.2 FP-LD 在各種溫度下P-I特性00()exp()thTJTJTT0為特征溫度特征溫度特征溫度T T0 0幾種典型FP-LD的特征溫度為何要關(guān)注為何要關(guān)注LDLD的的溫度特性？驅(qū)動(dòng)電驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)路設(shè)計(jì)5.3.2 5.3.2 模式特性與線寬模式特性與線寬n縱?？v模單縱模單縱模n光譜寬度，影響色散光譜寬度，影響色散n橫模橫模基橫?；鶛M模n光場橫向分布，影響耦合效率光場橫向分布，影響耦合效率近場

32、近場用光斑尺寸描述用光斑尺寸描述遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場圖3.3.11 掩埋異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 ( a ) EMBH-LD ; (b) DCPBH-LD ; (c) CSBH-LD波導(dǎo)的形成機(jī)理：波導(dǎo)的形成機(jī)理：有源區(qū)側(cè)面不同折射率材料構(gòu)成光波導(dǎo)有源區(qū)側(cè)面不同折射率材料構(gòu)成光波導(dǎo)特點(diǎn)：閾值電流低；強(qiáng)波導(dǎo)，幾乎不變化特點(diǎn)：閾值電流低；強(qiáng)波導(dǎo)，幾乎不變化光場分布：光場分布： /10-3010-30， 30-5030-50LD的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：波導(dǎo)的形成機(jī)理：受激發(fā)射特性取決于提供光增益的載流子分布，而光場的橫向分布又取決于光增益分布特點(diǎn)：弱波導(dǎo)，易變化；閾值電流高光場分布：/10-30， 30-50電流注入分布 增益波

33、導(dǎo)光譜線寬光譜線寬n引起線寬引起線寬v v增大的因素增大的因素n自發(fā)發(fā)射引起的相位無序變化n載流子變化-折射率變化光腔諧振頻率變化n載流子分布(1)4XPX X自發(fā)發(fā)射平均速率，自發(fā)發(fā)射平均速率，P P光功率，光功率， 為線寬展寬因子（有效折射率的實(shí)部比虛部）為線寬展寬因子（有效折射率的實(shí)部比虛部）3.4.183.4.18 減小線寬減小線寬v v的方法的方法增大光功率增大光功率減少自發(fā)發(fā)射速率減少自發(fā)發(fā)射速率穩(wěn)定載流子密度（外調(diào)制）穩(wěn)定載流子密度（外調(diào)制）圖3.4.4 光源的譜寬EEcEvCarrier concentrationper unit energyElectrons in CBHo

34、les in VBh10EghhhCBVBRelative intensity10hRelative intensity(a)(b)(c)(d)Eg + kBT(2.5-3)kBT1/2kBTEg1232kBT(a) Energy band diagram with possible recombination paths. (b) Energy distribution ofelectrons in the CB and holes in the VB. The highest electron concentration is (1/2) kBT aboveEc . (c) The rel

35、ative light intensity as a function of photon energy based on (b). (d) Relativeintensity as a function of wavelength in the output spectrum based on (b) and (c). 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)形成光譜半寬的原因摻雜使得光譜曲線對(duì)稱Eg(E)fE)EFnE(E) or pE(E)EEForelectronsFor holes1f(E)nE(E)pE(E)Area = pA

36、rea = nE(E)dE = nEcEvEvEc0Ec+EFVBCB( (a a) )( (b b) )( (c c) )( (d d) )g(E) (EEc)1/2(a) Energy band diagram. (b) Density of states (number of states per unit energy perunit volume). (c) Fermi-Dirac probability function (probability of occupancy of astate). (d) The product of g(E) and f(E) is the ene

37、rgy density of electrons in the CB(number of electrons per unit energy per unit volume). The area under nE(E) vs. E isthe electron concentration.?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)E/hvhc體材料的光譜寬，量子阱材料的窄圖3.3.14 不同阱寬時(shí)的激光發(fā)射譜5.3.3 5.3.3 調(diào)制特性調(diào)制特性直接電流調(diào)制是直接電流調(diào)制是LDLD的最大優(yōu)點(diǎn)之一的最大優(yōu)點(diǎn)之一調(diào)制特性推導(dǎo)思路：調(diào)制特性推

38、導(dǎo)思路： 設(shè) 直流分量帶入穩(wěn)態(tài)速率方程求解出S0 交流分量幅值帶入瞬態(tài)速率方程求解出S1（）0100001111( )exp(), ,x txxj txN S JxNSJxN S J瞬態(tài)值直流分量交流分量幅值圖3.4.5 LD 瞬態(tài)過程的 張弛振蕩特性調(diào)制特性包括：調(diào)制特性包括： 光電延遲時(shí)間+閾值效應(yīng) 阻尼振蕩pn結(jié)電子存儲(chǔ)效應(yīng) 諧振頻率 LD最大響應(yīng)頻率r t td d電子穩(wěn)態(tài)值光子穩(wěn)態(tài)值光子穩(wěn)態(tài)值LDLD上載流子瞬態(tài)脈沖形狀上載流子瞬態(tài)脈沖形狀諧振頻率r輸入電信號(hào)輸入電信號(hào)101200/()(1/)/spphJ gSedSjgSgS3.4.273.4.272000111()(1)2rph

39、spphspphthgSgSIgSI 3.4.303.4.30諧振頻率光子數(shù)交流幅值與頻率的關(guān)系圖3.4.7 LD芯片的小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)特性減小減小 phph-芯片設(shè)計(jì)芯片設(shè)計(jì)增大光增益增大光增益g-g-芯片設(shè)計(jì)與芯片設(shè)計(jì)與 應(yīng)用方法應(yīng)用方法增大穩(wěn)態(tài)光子濃度增大穩(wěn)態(tài)光子濃度-應(yīng)用方應(yīng)用方法（增加偏置電流）法（增加偏置電流）光電延遲（閾值之前的速率方程求出dN-dt,積分到閾值)：3.4.333.4.33lnlnpdspspthpbthIJtJJIII12111ln2thiphccgnnLR R10-9s10-12sLD封裝分布參數(shù)的影響DFB-LDDFB-LD小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路同軸（同

40、軸（TOTO）封裝）封裝DFB-LDDFB-LD器件結(jié)構(gòu)示意圖器件結(jié)構(gòu)示意圖蝶形（蝶形（BF)BF)封裝封裝DFB-LDDFB-LD器件結(jié)構(gòu)示意圖器件結(jié)構(gòu)示意圖封裝的分布參數(shù)嚴(yán)重封裝的分布參數(shù)嚴(yán)重影響影響LDLD器件的帶寬器件的帶寬解決方法解決方法-微波光電微波光電子封裝技術(shù)子封裝技術(shù)圖3.4.8 GaAs-LD 的直流光輸出譜特性圖3.4.9 脈沖持續(xù)期內(nèi)的動(dòng)態(tài)譜特性-模式分配引起；產(chǎn)生色散-接收機(jī)的強(qiáng)度脈動(dòng)t t靜態(tài)光譜靜態(tài)光譜動(dòng)態(tài)光譜動(dòng)態(tài)光譜原因：原因：I增加，g增大，模式間競爭加劇-模式抑制與增強(qiáng)模式脈動(dòng)效應(yīng)模式脈動(dòng)效應(yīng)5.3.5 5.3.5 噪聲特性噪聲特性n噪聲源噪聲源n相位或頻率

41、噪聲-分立和隨機(jī)的自發(fā)發(fā)射（LD固有)，1/f，1MHz以上平坦n扭折和自脈動(dòng)等引起的-模式的跳變（LD固有)n光纖端面與LD端面反射引起的（外部)n模噪聲增益導(dǎo)引LD橫模變化引起多模光纖中光場分布的抖動(dòng)（外部）n模分配噪聲-縱模變化在單模光纖中引起色散的脈沖寬度的隨機(jī)變化（外部）n噪聲表示方法噪聲表示方法-相對(duì)強(qiáng)度噪聲相對(duì)強(qiáng)度噪聲22()(/)10lgPRIN dB HzPf3.4.36均方功率脈動(dòng)平均光功率 噪聲范圍：噪聲范圍：FP-LDFP-LD：-110-130dB/Hz-110-130dB/HzDFB-LD: -130-160dB/HzDFB-LD: -130-160dB/Hz如何減小如何減小RINRIN： 選用選用RINRIN小的小的LDLD（如折射率導(dǎo)引大大優(yōu)于增益導(dǎo)引）（如折射率導(dǎo)引大大優(yōu)于增益導(dǎo)引） 增加工作電流可以明顯減少增加工作電流可以明顯減少RINRIN調(diào)制頻率小于數(shù)百兆調(diào)制頻率小于數(shù)百兆R(shí)INRIN平坦，平坦， 再提高會(huì)出現(xiàn)再提高會(huì)出現(xiàn)RINRIN的諧振峰的諧振峰光纖反射將使光纖反射將使RINRIN增大增大1020dB1020dB，對(duì)，對(duì)RINRIN要求高的場合要求高的場合 必須使用光隔離器必須使用光隔離器311b