半導(dǎo)體激光器原理61

1、上世紀六十年代初開始將半導(dǎo)體材料作為激光媒質(zhì)，伯納德（Bernard）和杜拉福格（Duraffourg）提出在半導(dǎo)體中實現(xiàn)受激輻射的必要條件：對應(yīng)于非平衡電子，空穴濃度的準費米能級差必須大于受激發(fā)射能量。由此，半導(dǎo)體激光器開始了從同質(zhì)結(jié)到異質(zhì)結(jié)的快速發(fā)展過程，單異質(zhì)結(jié)最初由美國的克羅默（Kroemer）和前蘇聯(lián)的阿爾費洛夫于1963年提出，其實質(zhì)是把一個窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩個寬帶隙半導(dǎo)體之間，從窄帶隙半導(dǎo)體中產(chǎn)生高效率復(fù)合和輻射，這個設(shè)想很大程度上取決于異質(zhì)結(jié)材料的生長工藝，1967年IBM公司的伍德爾（Woodall）用液相外延方法（LPE）在GaAs上生長出AlGaAs，兩三年后，貝爾

2、實驗室的潘尼希（Panish）等人研制成功AlGaAs/GaAs單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。雖然單異質(zhì)結(jié)能夠利用其勢壘將注入電子限制在GaAs P-N結(jié)的P區(qū)內(nèi)使室溫閾值電流密度降到水平，但真正的突破是雙異質(zhì)結(jié)（DH）的發(fā)明：把p-GaAs半導(dǎo)體夾在N-AlxGa1-xAs層和P-AlxGa1-xAs層之間，兩個異質(zhì)結(jié)勢壘能有效地將載流子和光場限制在p-GaAs薄層有源層內(nèi)，使室溫閾值電流密度減小了一個數(shù)量級。這項重要的發(fā)明由阿爾費洛夫，Hayashi，潘尼希等人共同完成。整個七十年代的工作重點是提高半導(dǎo)體激光器的各項基本參數(shù)要求：低的閾值電流密度；室溫工作；連續(xù)大功率輸出；長壽命；含蓋可見光與近紅

3、外的多種單頻激光器；窄線寬；波長可調(diào)諧激光器等。八十年代以來，隨著分子束外延（MBE），金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和化學束外延（CBE）技術(shù)取得重大突破，誕生了諸如量子阱激光器（MQW），應(yīng)變量子阱激光器（SL-MQW），垂直腔面發(fā)射激光器及高功率激光器陣列等所謂“能帶工程”的產(chǎn)物半導(dǎo)體激光器的最重要應(yīng)用是光纖通信：比如將1.55m，窄線寬的分布反饋布拉格半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）用于光纖通信，單信道碼率可達10Gb/s，為適應(yīng)更高碼率的波分復(fù)用（WDM）和時分復(fù)用（TWM）等光纖信號傳輸技術(shù)，發(fā)展了量子阱有源，多段結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧DFB-LD或DBR-LD（分布布拉格反射激光器），由于

4、其線寬窄，微分增益系數(shù)大，有利于降低調(diào)制啁啾引起的展寬，這樣即有助于提高信道碼率；半導(dǎo)體激光器另一項重要應(yīng)用在光盤技術(shù)領(lǐng)域，光盤技術(shù)是門綜合技術(shù)，融會了計算機，激光與數(shù)字通信技術(shù)，半導(dǎo)體激光器用于光盤寫入時，關(guān)鍵技術(shù)有光斑聚焦和光束圓化，強度和波長漲落以及光反饋影響方面的控制等。半導(dǎo)體激光器原理1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是指由兩種基本物理參數(shù)不同的半導(dǎo)體單晶材料構(gòu)成的晶體界面（過度區(qū)），不同物理參數(shù)可以是禁帶寬度（），功函數(shù)（），電子親和勢（）介電常數(shù)（），對它們進行適當選擇就可以獲得諸如高注入比，超注入效應(yīng)，對載流子和光場的限制作用，“窗口效應(yīng)”等。對于直接帶隙

5、半導(dǎo)體，在熱平衡狀態(tài)下，電子基本上處于價帶中（如圖），半導(dǎo)體介質(zhì)對光輻射只有吸收而沒有放大作用，但當電流注入結(jié)區(qū)時，熱平衡狀態(tài)被破壞（如圖），電子處于導(dǎo)帶中能量為E的狀態(tài)的幾率為電子處于階帶中能量為E的狀態(tài)的幾率為和是導(dǎo)帶和價帶的準費米能級，為了在結(jié)區(qū)中心有源區(qū)內(nèi)得到受激輻射，要求，即要求伯納德-杜拉福格條件成立該式表明，半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的必要條件是非平衡電子和空穴的準費米能級之差應(yīng)大于受激輻射的光子能量，也就是說，無任用光照還是電流激勵，在激射發(fā)生之前，導(dǎo)帶和價帶的準費米能級之差應(yīng)大于帶隙，在這個條件下可形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)密度同時可得到凈的總受激躍遷增益系數(shù)。只是提出了產(chǎn)生激光的前提條件，要

6、實際獲得相干受激輻射，必須將增益介質(zhì)置于光學諧振腔內(nèi)，實現(xiàn)光放大，一般利用半導(dǎo)體材料的兩個解理面（比如110晶面）構(gòu)成部分反射（通過蒸鍍抗反射或增透薄膜）的F-P腔，理論上沿z方向形成縱模分布。另外，DFB-LD（分布反饋半導(dǎo)體激光器）或DBR-LD（分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器）則是由內(nèi)含布拉格光柵來實現(xiàn)選擇性反饋。2. 半導(dǎo)體介質(zhì)光波導(dǎo)典型的F-P腔條形結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)可見光半導(dǎo)體激光器（中心波長780nm）的典型結(jié)構(gòu)如圖，其中是有源區(qū)，它在x方向上的厚度為0.10.2m。有源區(qū)被兩層相反摻雜的包圍層所夾持。受激輻射的產(chǎn)生與放大就是在有源區(qū)中進行的。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體二極管激光器中的二維光場約束（以及

7、載流子約束）在x 方向（橫向）通常是通過折射率的階躍變化來實現(xiàn)的，一般有DH（雙異質(zhì)結(jié)），LOC（大光腔）和SCH（分別限制異質(zhì)結(jié)）三種，而在y方向（側(cè)向）則既可以通過折射率的階躍變化（強折射率波導(dǎo)，實折射率差大于0.01），也可以通過折射率的逐漸變化（弱折射率波導(dǎo)，實折射率差介于0.005和0.01之間）實現(xiàn)，或通過增益的適當空間分布來實現(xiàn)，就如氧化物限制條形方式使得在有源層中沿y方向形成一定的載流子濃度分布。上述兩種光場約束方法分別稱為折射率波導(dǎo)和增益波導(dǎo)，用電磁理論可以證明由增益所形成的波導(dǎo)作用將產(chǎn)生沿y方向的高斯光場分布，不過要想獲得模式穩(wěn)定的激光振蕩，一般要用實折射率導(dǎo)波機制。條形半

8、導(dǎo)體激光器當滿足橫向尺寸（y方向）時視做三層介質(zhì)平板波導(dǎo)，在x方向的場分布可分為TE模和TM模（即只考慮沿z方向傳播的光波模），應(yīng)當指出，零階橫模始終存在，但要在弱導(dǎo)條件下實現(xiàn)基模運轉(zhuǎn)（只有零階橫模），有源層厚度可能達微米量級。半導(dǎo)體激光器的主要特性1） 閾值電流密度光波模的起振條件為該模式的光波在半導(dǎo)體激光器內(nèi)沿z向往返一周獲得的增益大于該模式經(jīng)受的損耗，模式的增益等于模式的損耗稱為模式振蕩的閾值條件。由于有源層載流子密度與增益系數(shù)成正比，因此光波模的閾值振蕩條件是否滿足取決于注入載流子密度，有源層厚度以及光約束因子等因素，在穩(wěn)態(tài)振蕩時，載流子注入有源層的速率應(yīng)與有源層內(nèi)載流子的復(fù)合速率相等

9、，即為使光波模振蕩的閾值注入電流密度；S為注入載流子密度；為單位時間內(nèi)載流子的復(fù)合幾率。2） 半導(dǎo)體激光器的輸出功率受激輻射的光功率為I為二極管激光器的注入電流，是有源區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合而發(fā)射輻射的幾率，稱為內(nèi)量子效率?？紤]到有源層的增益和損耗，通過有源層兩端輸出的光功率為r 是z方向間隔為L的兩端面的能量反射率，是有源層的損耗系數(shù)，由此可見，只有超過閾值電流的那部分注入電流才能產(chǎn)生激光輸出，根據(jù)圖所示寬接觸激光器的典型電光特性，可以計算外微分量子效率3） 半導(dǎo)體激光器的遠場特性對于三層對稱平板介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，垂直于結(jié)平面的發(fā)散角近似等于4） 光譜特性當驅(qū)動電流密度增加時，激光器有源區(qū)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)增

10、強，具有高Q值的模的功率增加，這些模的頻率接近于增益譜特性的峰值附近，使譜寬變窄，Q值上升，光功率集中到幾個占優(yōu)勢的縱模。實際上，典型的DH結(jié)型半導(dǎo)體激光器的光譜一般較寬，這是因為空間燒孔效應(yīng)的存在使得在時域分割的各個瞬間多個單模競爭出現(xiàn)，在一個長的時間段內(nèi)平均譜特性呈現(xiàn)多模特性。F-P腔半導(dǎo)體激光器在直接調(diào)制工作狀態(tài)下都將發(fā)生譜線展寬，展寬的原因很多，一般為洛侖茲型。5） 調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器是電子和光子間直接進行能量轉(zhuǎn)換的器件，因此具有直接信號調(diào)制的能力，高速調(diào)制要求激光器有很高的動態(tài)性能，表現(xiàn)為窄的光譜線寬不應(yīng)調(diào)制而展寬；保持動態(tài)單縱模工作；對輸出信號不產(chǎn)生調(diào)制畸變；發(fā)光與電流輸出之間的

11、延遲要小；不產(chǎn)生自持脈沖等。半導(dǎo)體激光器的調(diào)制方式有強度（幅度）調(diào)制（IM），頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）；按信號類型分有模擬信號調(diào)制和脈碼（數(shù)字）信號調(diào)制，按信號強弱有小信號調(diào)制和大信號調(diào)制。調(diào)制特性與器件結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，由于在半導(dǎo)體激光器中載流子和光子場之間存在強耦合，強度調(diào)制會同時造成頻率或相位的調(diào)制，原因在于有源區(qū)內(nèi)載流子濃度的變化會引起光增益的變化使有效折射率發(fā)生變化，這種調(diào)制的相關(guān)性導(dǎo)致譜線的動態(tài)展寬即頻率漂移，這種頻移現(xiàn)象叫做頻率啁啾（Chirp），它是高速光纖通信的制約因素，但卻在相干光通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。實驗內(nèi)容1 條形半導(dǎo)體激光器電光特性的測量測量室溫下條形半導(dǎo)體激

12、光器的注入電流與輸出光強之間的關(guān)系（I-P曲線），確定激光器的閾值電流大小和外微分量子效率。2 光譜特性的測量以光柵光譜儀作為分光儀器測量半導(dǎo)體激光器的光譜（曲線），要求激光器分別工作在低于閾值電流和高于閾值電流兩種狀態(tài)，確定兩種光譜的中心波長和半高寬，試比較這兩種光譜和展寬類型。3 調(diào)制特性的測量（可選設(shè)計性實驗）應(yīng)用干涉方法測量半導(dǎo)體激光器在以正弦信號做強度直接調(diào)制時的輸出光頻的變化即頻率漂移或頻率啁啾。將調(diào)制激光引入Michelson干涉儀，從強度調(diào)制和頻率調(diào)制雙重假設(shè)出發(fā)導(dǎo)出光強干涉方程，通過測量干涉項的相位噪聲確定頻率漂移值。最大頻率漂移（它是正弦調(diào)制信號頻率的隱函數(shù)）其中，是干涉信

13、號在相位（quadrature）處的峰-峰值（pp值），另外分別測定二路光各自在某頻率點的峰-峰值，2dI1用它們的和值代入，I0 則以二路光各自的均值（直流分量）的平均值代入，是光程差。相位波形是取波形最大均值與最小均值的平均值時的波形。實驗儀器1.     半導(dǎo)體激光器裝置              2.     半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源   &#

14、160;     3.     1830-C光功率計及光電探頭        4.     光柵單色儀預(yù)習與思考1 測量電光特性時，單色儀輸出光波長偏離激光器中心波長將有什么不同？如果事先不知道激光器中心波長又該如何去做？2 有什么辦法可以提高激光器的外微分量子效率。3 根據(jù)所得光譜數(shù)據(jù)如何判斷其展寬類型。4 同時考慮正弦強度調(diào)制和正弦調(diào)頻時，激光器的輸出光強和輸出頻率如何表示，Mich

15、elson干涉儀的相位差又如何表示。5 在用干涉方法測量半導(dǎo)體激光器頻率漂移時，為何將干涉條紋定位在相位處。注意事項1 完成實驗后一定要將LD調(diào)制電流調(diào)回到零，先按一次激光輸出按鈕（燈滅），再撥鑰匙至off，最后才能關(guān)電源。2 LD器件勿用手摸，否則它們將因靜電而被擊壞。3 LD為近紅外激光，小心不得直視或反射直視。4 光學鏡面勿用手觸摸。xRtjpflb8.40-K*H!DXzTvPsioeka:6>3N)J%FZCWySuOqgmd9;51+M(I$EYAUwRtjpflb8.40-K&G!DXzTvPrhoeka:6<2N)J%FZBVySuOqgmc9;51+L*I

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