半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)介

1、半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)介 目錄 半導(dǎo)體激光器分類 半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理 半導(dǎo)體的分類 半導(dǎo)體激光器的原理和結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器性質(zhì) 幾種典型半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器應(yīng)用及舉例 半導(dǎo)體激光器分類 半導(dǎo)體激光器的種類很多，下圖進(jìn)行了簡(jiǎn)單示意。半導(dǎo)體激光器可以根據(jù)有源層材料、發(fā)射波長(zhǎng)、器件結(jié)構(gòu)、輸出功率和應(yīng)用領(lǐng)域等不同方式進(jìn)行劃分，分類方式靈活，相互交錯(cuò)。半導(dǎo)體激光器不同種類示意圖 固體由原子組成，原子具有量子化的能級(jí)。由于化學(xué)環(huán)境及物理的原因，原子的能級(jí)要發(fā)生變化 每個(gè)原子核外電子的能級(jí)疊合成彼此相差很小的一組能帶：原子內(nèi)層能級(jí)被電子填滿，由它們形成的能帶也被電子占滿，稱為滿帶(價(jià)帶)；外層能級(jí)未被電子填滿，它

2、們形成的能帶亦未被填滿，稱為導(dǎo)帶。兩者間的能量距離g，稱為禁帶。 下圖簡(jiǎn)略表示出半導(dǎo)體、絕緣體、及金屬的能帶，這里僅畫出了導(dǎo)帶和滿帶。從能帶角度看，半導(dǎo)體和絕緣體的差別僅在于兩者的禁帶不同，前者較窄，后者很寬，而金屬的 g =0 。固體的能帶理論一、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)光機(jī)理物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的圖象： 半導(dǎo)體固體能帶結(jié)構(gòu)(由多個(gè)原子的能級(jí)組成)：（1）半導(dǎo)體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子在外場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)而參與導(dǎo)電。（3）金屬導(dǎo)體沒(méi)有禁帶，可顯示很強(qiáng)的導(dǎo)電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性很差。E外 場(chǎng)E E滿帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶（1）半導(dǎo)體eVEg1 禁帶e

3、VEg10 禁帶外 場(chǎng)（2） 絕緣體（3）金屬（1）本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體，如硅、鍺等。 半導(dǎo)體禁帶寬度窄、在外場(chǎng)的作用下, 導(dǎo)帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。（本征導(dǎo)電性。見(jiàn)下圖）外 場(chǎng)滿帶導(dǎo)帶E半導(dǎo)體的分類硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu) (平面圖)本征半導(dǎo)體材料 Si電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的Si電子受到激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)E此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子/空穴移動(dòng)導(dǎo)電（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體 當(dāng)四價(jià)的元素中 摻入少量五價(jià)元素時(shí)形成n 型半導(dǎo)體。如：硅中摻入雜質(zhì)磷后，磷原子在硅中形成局部能級(jí)位于導(dǎo)帶底附近（稱為施主能級(jí)）。 一般溫度下，雜質(zhì)的價(jià)電子很容易 被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電電子，使導(dǎo)

4、帶中的電子濃度大大增加。 n 型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主。* n 型半導(dǎo)體E外場(chǎng)滿帶導(dǎo)帶施主能級(jí)n 型半導(dǎo)體As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P, 砷As, 銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量ED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)* P 型半導(dǎo)體 四價(jià)的元素中摻入 少量三價(jià)元素時(shí)形成 P 型半導(dǎo)體，如：在硅中摻入三價(jià)的雜質(zhì)硼，雜質(zhì)原子的局部能級(jí)位于價(jià)帶頂附近（稱為受主能級(jí)）。 一般溫度下，滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質(zhì)能級(jí)上，滿帶中留下的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。P 型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。

5、外場(chǎng)E滿帶導(dǎo)帶受主能級(jí)P 型半導(dǎo)體4Si4Ge5P5As5Sb3In3Al3B3Ga附：幾個(gè)3、4、5價(jià)的元素非本征半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量EA 損耗)3.相位條件 波長(zhǎng)選擇 粒子的正常玻爾茲曼分布： KTEAeN 要得到激光，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，為保證實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須有:（1）激勵(lì)能源（泵浦）電、光、氣體放電、化學(xué)、核能等。（2）工作物質(zhì)（激活物質(zhì)），實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。),( NE諧振腔 腔內(nèi)受激發(fā)射的光子，沿軸來(lái)回反射、強(qiáng)度增大，凡傳播方向偏離軸方向的逸出而淘汰。 反射鏡鍍有多層膜，適當(dāng)選擇其厚度，使所需波長(zhǎng)得到

6、“相長(zhǎng)干涉” 后，反射加強(qiáng)，光強(qiáng)度得到放大。 精心設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)，使所需頻率的波形成駐波(兩端為波)， 形成穩(wěn)定的振蕩得到加強(qiáng)。 兩端裝有布儒斯特窗，得到所需的偏振態(tài)。 諧振腔的作用：產(chǎn)生與維持光的振蕩加強(qiáng)；使激光有極好的方向性、單色性。即對(duì)光放大實(shí)行 選擇、控制、增強(qiáng) 的作用。光學(xué)諧振腔：法布里珀羅 (F-P) 諧振腔1. 將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔 (F-P腔)2. 光的產(chǎn)生及方向選擇 1) 少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子 2) 偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大 3) 軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子3. 通過(guò)來(lái)回反射，特定波長(zhǎng)的光最終得到放大，并被輸出法布里珀羅 (F-P)

7、諧振腔100%90%半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu) LD的通用結(jié)構(gòu)如圖所示，一個(gè)典型的半導(dǎo)體激光器應(yīng)當(dāng)由下面幾部分組成：有源區(qū)（又稱為增益區(qū)） 有源區(qū)是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、有光增益的區(qū)域。有源區(qū)通常由一個(gè)或多個(gè)垂直方向的PN結(jié)構(gòu)成。光反饋裝置 在光學(xué)諧振腔內(nèi)提供必要的正反饋以促進(jìn)激光振蕩。頻率選擇元件 用來(lái)選擇由光反饋裝置決定的所有縱模中的一個(gè)模式。光束的方向選擇元件 光反饋裝置可以選擇激光器光束的方向。光波導(dǎo) 用于對(duì)所產(chǎn)生的光波在器件內(nèi)部進(jìn)行引導(dǎo)。 簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由帶隙能量較高的P型和N型半導(dǎo)體材料和一層很薄的有源層構(gòu)成。在PN結(jié)加上正向偏置電壓后，電子從N區(qū)向P區(qū)流動(dòng)，空

8、穴從P區(qū)向N區(qū)流動(dòng)，在作用區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。當(dāng)注入電流較小時(shí)，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴數(shù)目較少，此時(shí)只能自發(fā)輻射（熒光），光向四面八方傳播；當(dāng)注入電流大到一定程度時(shí)，便向外輸出激光。半導(dǎo)體激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件：(1)增益條件：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的

9、載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)，將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。 (2)要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對(duì)F-P腔(法布里一玻羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P一n結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F一P腔. (3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及激光從腔面輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng)。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入

10、，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閾值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閾值，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出?？梢?jiàn)在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過(guò)程。半導(dǎo)體激光器的性質(zhì) 1、伏安特性 伏安特性描述的是半導(dǎo)體激光器的純電學(xué)性質(zhì)，通常用V-I曲線表示。V-I曲線的變化反映了激光器結(jié)特性的優(yōu)劣。與伏安特性相關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)是LD的串聯(lián)電阻。對(duì)V-I曲線進(jìn)行一次微商即可確定工作電流（I）處的串聯(lián)電阻（dV/dI）。對(duì)LD而言總是希望存在較小的串聯(lián)電阻。典型的V-I曲線和相應(yīng)的dV/dI曲線 2、P-I特

11、性 P-I 特性揭示了激光器輸出光功率與注入電流之間的變化規(guī)律，因此是激光器最重要的特性之一。典型的激光器P-I曲線 由P-I曲線可知，半導(dǎo)體激光器是閾值型器件，隨注入電流的不同而經(jīng)歷了幾個(gè)典型階段。 當(dāng)注入電流較小時(shí)，有源區(qū)里不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位，半導(dǎo)體激光器發(fā)射普通的熒光，光譜很寬，其工作狀態(tài)類似于一般的發(fā)光二極管。 隨著注入電流的加大，有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射開始占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流仍小于閾值電流時(shí)，諧振腔里的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nèi)建立起一定模式的振蕩，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的僅僅是較強(qiáng)的熒光，稱為“超輻射”狀態(tài)。 只有當(dāng)注入電流達(dá)到閾值以后，才能發(fā)射

12、譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄并出現(xiàn)單峰（或多峰）。 P-I 特性曲線決定了一系列半導(dǎo)體激光器參數(shù)與特性： 半導(dǎo)體激光器的工作特性1閾值電流。當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時(shí)，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素： （1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。 （2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。 （3）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。

13、 （4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。 2方向性。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20-30；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10左右（見(jiàn)下圖）。3效率 量子效率 每秒發(fā)射的光子數(shù)每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)數(shù) 77K時(shí)，GaAs激光器量子效率達(dá)7080；300K時(shí)，降到30左右。 功率效率1輻射的光功率加在激光器上的電功率 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時(shí)的1最高10，只有在低溫下才能達(dá)到3040。 4光譜特性。由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，所以

14、激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見(jiàn)其單色性較差。輸出激光的峰值波長(zhǎng)：77K時(shí)為840nm；300K時(shí)為902nm。 半導(dǎo)體激光器的模式特性LD的模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵(lì)，它的頻率才會(huì)出現(xiàn)在輸出光中。在實(shí)際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的兩個(gè)參量。LD工作在基橫模時(shí)，相干性最好，因此要求LD在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上保證基橫模工作。根據(jù)基橫模的條件通過(guò)對(duì)光載流子的橫向以及垂直向限制、減小有源區(qū)寬度和厚度等措施可以實(shí)現(xiàn)LD的基橫模工作。 半導(dǎo)體激光

15、器的空間模式可以將半導(dǎo)體激光器的模式分為空間模和縱模(軸模)。前者描述圍繞輸出光束軸線某處的光強(qiáng)分布，或者是空間幾何位置上的光強(qiáng)(或光功率)的分布，也稱遠(yuǎn)場(chǎng)分布；后者則表示是一種頻譜，它反映所發(fā)射的光束其功率在不同頻率(或波長(zhǎng))分量上的分布。二者都可能是單?；蛘叨嗄?。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有非圓對(duì)稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且，在垂直于異質(zhì)結(jié)平面方向(稱橫向)和平行于結(jié)平面方向(稱側(cè)向)有不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光場(chǎng)限制情況，因此半導(dǎo)體激光器的空間模式又有橫模與側(cè)模之分。圖3.3.1表示了這兩種空間模式。由于有源層厚度很薄(約為0.15m)，都能保證在單橫模工作；而在側(cè)向，則其寬度相對(duì)較寬，因而視其寬度可能出現(xiàn)多側(cè)

16、模。如果在這兩個(gè)方向都能以單模(或稱基模)工作，則為理想的TEM00模，此時(shí)出現(xiàn)光強(qiáng)峰值在光束中心且呈“單瓣”。這種光束的光束發(fā)散角最小、亮度最高，能與光纖有效地耦合，也能通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到較小的斑點(diǎn)，這對(duì)激光器的應(yīng)用是非常有利的。相反，若有源區(qū)寬度較寬，則發(fā)光面上的光場(chǎng)(稱近場(chǎng))在側(cè)向表現(xiàn)出多光絲，好似一些并行的發(fā)光絲，在遠(yuǎn)場(chǎng)的側(cè)向則有對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布，如圖3.3.2所示。這種多側(cè)模的出現(xiàn)以及它的不穩(wěn)定性，易使激光器的P-I特性曲線發(fā)生“扭折”(kink)，使P-I線性變壞，這對(duì)信號(hào)的模擬調(diào)制不利；同時(shí)多側(cè)模也影響與光纖高效率的耦合，側(cè)模的不穩(wěn)定性也影響光纖功率的穩(wěn)定性；不能將這種多側(cè)模

17、的激光束聚焦成小的光斑。 由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對(duì)稱，其遠(yuǎn)場(chǎng)呈橢圓狀，其長(zhǎng)、短軸分別對(duì)應(yīng)于橫向與側(cè)向。在許多應(yīng)用中需用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)這種非圓對(duì)稱的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑進(jìn)行圓形處理。激光器縱模的概念激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時(shí)，發(fā)射光譜是導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬；只有當(dāng)激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場(chǎng)強(qiáng)，這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級(jí)間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個(gè)或幾個(gè)模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。 在眾多的縱模中，

18、只有那些頻率落在增益介質(zhì)的增益曲線范圍內(nèi)，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。在縱向，光波以駐波形式振蕩。相鄰縱模的頻率間隔為 激光器的多模（a）及單模（b）輸出譜 (2)2)縱模的性質(zhì)縱模數(shù)隨注入電流而變：隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個(gè)模式開始占優(yōu)勢(shì)，直到出現(xiàn)單個(gè)窄線寬的光譜為止。峰值波長(zhǎng)隨溫度變化：半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨結(jié)區(qū)溫度而變化。當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的禁區(qū)帶寬變窄，因而使激光器發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)譜線展寬：對(duì)激光器進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制會(huì)使發(fā)射譜線增寬，振蕩模數(shù)增加。這是因?yàn)閷?duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，注入電流不斷變化，使有源區(qū)

19、里載流子濃度隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致折射率隨之變化，激光器的諧振頻率發(fā)生漂移，動(dòng)態(tài)譜線展寬。調(diào)制速率越高，調(diào)制電流越大，譜線展寬的越多。動(dòng)態(tài)譜線展寬對(duì)高速光纖通信非常不利，各種動(dòng)態(tài)單模激光器已得到迅速發(fā)展，如DFB LD及DBR LD。激光器在不同注入電流下的發(fā)射光譜與輸出功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨結(jié)區(qū)溫度而變化。當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度變窄，因而使激光器發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波長(zhǎng)。 (3)動(dòng)態(tài)單模半導(dǎo)體激光器 實(shí)現(xiàn)LD單縱模工作的方法：采用短腔結(jié)構(gòu)，增大相鄰縱模間隔,使增益譜線范圍內(nèi)只有一個(gè)譜線存在，短腔制造困難，LD輸出功率低。 采用波長(zhǎng)選擇反饋，使不同的縱模有不同的損耗，包括：分

20、布反饋結(jié)構(gòu)和耦合腔結(jié)構(gòu)。單縱模LD的性能通常由邊模抑制比（MSR）來(lái)表征，定義為MSR=Pmm/Psm。Pmm為主模功率； Psm為最大邊模功率。一個(gè)較好的單縱模LD，MSR應(yīng)大于30dB。 (4)線寬 線寬是LD輸出光譜的另一個(gè)重要參量。窄的線寬有利于減小光纖的色散。LD輸出的影響線寬源于兩個(gè)因素：一是激光腔內(nèi)自發(fā)輻射引起的光場(chǎng)相位脈動(dòng)；二是載流子濃度脈動(dòng)引起的折射率變化，使光腔諧振頻率發(fā)生變化。單縱模LD 沿著諧振腔前后的軸線方向，形成的駐波。條件為： L=m(/2n)M:模的級(jí)次；n: 折射率；:波長(zhǎng)。性能評(píng)價(jià)：邊模抑制比(MSR): MSR=Pmm/PsmPmm主模的功率， Psm最大

21、邊模的功率。 單縱模LD的設(shè)計(jì)原則：基于縱模的損耗差，即損耗小的模先達(dá)到閾值條件而成為振蕩主模。橫模每個(gè)縱模都存在多個(gè)橫模：基模亮度高、光斑小1) 與諧振腔軸有微小夾角的光束經(jīng)多次反射仍滿足閾值條件2) 工作物質(zhì)的色散、散射效應(yīng)及腔內(nèi)光束的衍射效應(yīng)等等抑制橫模的數(shù)量 - 增加輸出光的亮度、減小發(fā)散角半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì) 半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)直接影響到調(diào)制光信號(hào)的質(zhì)量，研究激光器瞬態(tài)性質(zhì)的出發(fā)點(diǎn)是耦合速率方程。激光器在調(diào)制時(shí)的主要瞬態(tài)現(xiàn)象和效應(yīng)有： （1）對(duì)激光器進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)，激光輸出與注入電脈沖之間存在電光延遲時(shí)間。 （2）激光器在瞬態(tài)過(guò)程中存在張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖

22、注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振蕩。是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的固有特性。張弛振蕩頻率與注入電流有關(guān)。 （3）由于在瞬態(tài)過(guò)程中激光器有電光延遲現(xiàn)象，而在電脈沖過(guò)后，載流子有一定的存儲(chǔ)時(shí)間，導(dǎo)致高速數(shù)字調(diào)制時(shí)激光輸出出現(xiàn)碼型效應(yīng)。（4）由于激光器對(duì)溫度很靈敏及注入電流的熱效應(yīng)，在比特速率不是很高時(shí)，輸出光會(huì)出現(xiàn)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。 （5）某些激光器在某些注入電流下還會(huì)出現(xiàn)自脈動(dòng)現(xiàn)象。 自脈動(dòng)：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。 張弛振蕩和自脈動(dòng)的結(jié)合：激光器激射以后，先出現(xiàn)一個(gè)張弛振蕩的過(guò)程，隨后則開始持續(xù)自脈動(dòng)。 調(diào)制 外調(diào)制：使用調(diào)制器(如MZM)對(duì)輸出的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制激

23、光器的調(diào)制技術(shù)內(nèi)調(diào)制：信息流直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流 ( 40GHz)內(nèi)調(diào)制基本依據(jù)：P-I曲線例：OTIP的超短脈沖光源U2T TMLL 1550 閾值電流在40 mA左右LD的調(diào)制是通過(guò)改變其驅(qū)動(dòng)電流的辦法實(shí)現(xiàn)的若在每次脈沖調(diào)制之后都完全停止發(fā)光，會(huì)產(chǎn)生碼型效應(yīng)。因?yàn)樵陔娒}沖開始作用時(shí)，激光器需要一個(gè)時(shí)延來(lái)獲得足以克服光損耗的增益。這個(gè)時(shí)延由自發(fā)載流子壽命決定。內(nèi)調(diào)制速率限制：電光時(shí)延解決辦法是在LD上持續(xù)加一個(gè)IBias = Ith，但會(huì)降低消光比2/12/11121thphspIIf激光場(chǎng)的張弛振蕩頻率為：直接調(diào)制頻率需小于張弛振蕩頻率。否則，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生張弛振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線

24、性失真。當(dāng)電流脈沖突然加到LD上時(shí)，其光輸出呈現(xiàn)圖示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生光子間相互作用的量子力學(xué)過(guò)程。內(nèi)調(diào)制速率限制：張弛振蕩解決的辦法是在LD上持續(xù)加一個(gè)IBiasLD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器00 0溫度升高：- 閾值電流呈指數(shù)增長(zhǎng)- 輸出功率則明顯下降，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)LD不激射0/0)(TTtheITILD的溫度特性溫控對(duì)LD的正常使用至關(guān)重要LD的溫控設(shè)備F-P腔半導(dǎo)體激光器 F-P腔激光器是指采用法布里-珀羅諧振腔作為光反饋裝置的半導(dǎo)體激光器的統(tǒng)稱。它的基本原理如圖： F-P腔激光器一般沿垂直PN結(jié)方向構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié)，有源區(qū)薄層夾在P-型和N-型限制層中間。工作電流通

25、過(guò)電極注入有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和電子空穴對(duì)的復(fù)合發(fā)光。有源區(qū)還同時(shí)起到光波導(dǎo)作用，利用兩端晶體的天然解理面作為反射鏡，構(gòu)成矩形介質(zhì)波導(dǎo)諧振腔，并在腔內(nèi)產(chǎn)生自激振蕩。F-P腔激光器通常以邊發(fā)射方式由諧振腔的一端輸出激光光束。量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱激光器（QW LD）是指有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。（a）SQW （b）MQW （c）應(yīng)變MQW 量子阱方案的能帶示意圖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩種不同成分的半導(dǎo)體材料在一個(gè)維度上以薄層的形式交替排列而形成的周期結(jié)構(gòu)，從而將窄帶隙的很薄的有源層夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間，形成勢(shì)能阱 。量子阱激光器的有源區(qū)非常薄，普通F-P腔激光器的有源區(qū)厚度為1002

26、00nm，而量子阱激光器的有源區(qū)只有110nm。當(dāng)有源區(qū)的厚度小于電子的德布羅意波的波長(zhǎng)時(shí)，電子在該方向的運(yùn)動(dòng)受到限制，態(tài)密度呈類階梯形分布，從而形成超晶格結(jié)構(gòu)。 特性：閾值電流很低，而激光器的輸出功率卻相當(dāng)高；譜線寬度窄，頻率啁啾改善；調(diào)制速率高。量子阱半導(dǎo)體大功率激光器在精密機(jī)械零件的激光加工方面有重要應(yīng)用，同時(shí)也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致了固體激光器的不斷更新。垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)1990年：閾值電流低(100 mA) ，輸出功率大，激光純度高； 發(fā)光面大、易于耦合； 體積小、易于集成，可應(yīng)用于WDM多波長(zhǎng)系統(tǒng)中分

27、布反饋式 (DFB) 激光器內(nèi)置布拉格光柵FBG： 只有符合反射條件的 光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng) 歷放大過(guò)程輸出的波長(zhǎng)為：)2/1(22mLneeBBm是縱模的階數(shù)分布反饋激光器DFB基本工作原理：波紋光柵是由于材料折射率的周期性變化而形成，它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定的條件下，所有的反射光同相相加，形成某方向光的主極強(qiáng)。 特性：?jiǎn)慰v模振蕩；譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好；動(dòng)態(tài)譜線好；線性度好。 分布反饋激光器DFB是隨著集成光學(xué)的發(fā)展而出現(xiàn)的，具有動(dòng)態(tài)單模特性和良好的線性。DFB激光器結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：激光振蕩不是由反射鏡面來(lái)提供，而是由折射率周期性變化的波紋結(jié)構(gòu)（波紋光柵）來(lái)提供，即在有

28、源區(qū)的一側(cè)生長(zhǎng)波紋光柵。DFB激光器照片分布布拉格反射 (DFR) 激光器- DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端- DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似，但其閾值 電流要比DFB激光器的閾值電流高半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用一、 在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用：）光纖通信。光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實(shí)用化的光源。）光盤存取。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤存儲(chǔ)器，其最大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤的存儲(chǔ)密度。）光譜分析。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測(cè)大氣污染、汽車尾氣等。）光信息處理。半導(dǎo)體激光器已用于光信息處理系統(tǒng)。表面發(fā)射

29、半導(dǎo)體激光器，二維列陣是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，可用于光計(jì)算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 ）激光微細(xì)加工。借助于Q開關(guān)產(chǎn)生的高能量超短光脈沖，對(duì)集成電路進(jìn)行切割、打孔等。）激光報(bào)警器。半導(dǎo)體法庭光報(bào)警器的用途甚廣，包括防盜竊案報(bào)警、水位報(bào)警、車距報(bào)警等。）激光機(jī)打印機(jī)。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機(jī)，采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。）激光條碼掃描器。激光條碼掃描器已廣泛用于商品的銷售以及圖書和檔案的管理。）抽運(yùn)固體激光器。這是高功率半導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要應(yīng)用，采用它來(lái)取代原來(lái)的氙燈，可以構(gòu)成全固態(tài)激光系統(tǒng)。）高清晰度激光電視。不久的將來(lái)，沒(méi)有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機(jī)可以投放市場(chǎng)，它利

30、用紅、藍(lán)、綠三色激光，估計(jì)其耗電量比現(xiàn)有的電視機(jī)低20%。激光電視是利用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種波長(zhǎng)的連續(xù)激光作為彩色激光電視的光源，通過(guò)電視信號(hào)控制三基色激光掃描圖像。一個(gè)激光器總是發(fā)射確定波長(zhǎng)和顏色的光線，可以通過(guò)在激光器前面安裝專門的晶體或光導(dǎo)生成紅綠藍(lán)顏色，然后在這些材料內(nèi)通過(guò)所謂的聚焦將激光轉(zhuǎn)化成期望的顏色。放映時(shí)，將紅綠藍(lán)數(shù)據(jù)送到激光單元內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)器上，視頻數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)幅轉(zhuǎn)換成光學(xué)信息，帶有紅綠藍(lán)光線的三分射線組合成單一的激光射線，而包含所有圖像信息的激光束再通過(guò)光纜送到放映頭，最后投射到銀幕上。激光電視合成圖像的原理與電視機(jī)相似。激光束從上到下、從左到右進(jìn)

31、行“掃射”。水平偏轉(zhuǎn)（行掃描）通過(guò)放映頭中的一個(gè)多面旋轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)，垂直偏轉(zhuǎn)（幀掃描）通過(guò)一個(gè)傾斜鏡實(shí)現(xiàn)。激光電視與傳統(tǒng)電視相比具有如下特點(diǎn)：(1) 激光電視清晰度高、屏幕尺寸靈活。由于不存在聚焦問(wèn)題，鮮艷的圖像可以投射到各種材料表面，甚至是彎曲的表面，仍然可以清晰成像。(2) 激光電視可以發(fā)展成為特超大屏幕電視、電影和投影一體化多功能產(chǎn)品。它較等離子體和液晶電視機(jī)工藝簡(jiǎn)單，亮度比大屏幕液晶電視機(jī)亮，且不受視角的方向性影響。(3) 激光是100單色光，紅、綠、藍(lán)三色激光可利用數(shù)字信號(hào)分別調(diào)制，因?yàn)樯V純凈，所以彩色效果非常理想。現(xiàn)有的電視技術(shù)其實(shí)只能顯示出肉眼可見(jiàn)色彩中的30%, 而激光電視則能讓

32、你看到可見(jiàn)色彩中的70%。激光晶體管的室溫壽命一般可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，經(jīng)高溫老化試驗(yàn)推算出的室溫壽命可達(dá)百萬(wàn)小時(shí)，因此它是一種長(zhǎng)壽命高可靠性的產(chǎn)品。(4) 激光電視是利用激光束投射成象, 所以在大屏幕高亮度情況下，投射出的大功率激光束如直接照射到觀看者的眼睛，其安全性就不容忽視。所以在目前封閉式光路的背投激光電視是主要方向。(5) 用于桌面的正投式激光電視由于顯示的屏幕尺寸小, 所以激光功率很小, 觀看安全。在將電源和無(wú)線接收單元外置的情況下, 主機(jī)可以制成象香煙盒大小的尺寸，國(guó)外已有相應(yīng)產(chǎn)品出現(xiàn)。 二、 在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用：）激光手術(shù)治療。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固

33、和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項(xiàng)技術(shù)。）激光動(dòng)力學(xué)治療。將對(duì)腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過(guò)半導(dǎo)體激光照射使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對(duì)健康組織毫無(wú)損害。）生命科學(xué)研究。使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以捕捉活細(xì)胞或染色體并移至任意位置，已經(jīng)用于促進(jìn)細(xì)胞合成、細(xì)胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù)。 脈沖激光的透切原理: 脈沖激光的透切原理，可以是光致發(fā)熱作用，也可以是由于光致電場(chǎng)及光致壓強(qiáng)作用?，F(xiàn)在使用的Q開關(guān)Nd：YAG激光，可以對(duì)眼內(nèi)的無(wú)色素組織施行光切術(shù)。Nd：YAG激光是波長(zhǎng)為1064nm的近紅外光，對(duì)于半透明的無(wú)

34、色素組織，約有50%的吸收率，因而對(duì)眼底組織作用很小。臨床上主要是用來(lái)對(duì)膜性的白內(nèi)障等無(wú)色素組織進(jìn)行透切。它是利用調(diào)Q方式，使激光脈沖寬度窄至毫微米級(jí)，從而達(dá)到高強(qiáng)度低能量的目的，主要利用其壓強(qiáng)作用和強(qiáng)電場(chǎng)的擊穿作用進(jìn)行光切。由于持續(xù)時(shí)間極短，熱馳豫時(shí)間幾乎為零，所以切口處幾乎無(wú)熱損傷。至于Nd:YAG激光倍頻后得到的Fd-Nd:YAG激光，由于其波長(zhǎng)532nm與A+激光中的綠光（514.5nm）接近，所以其透切原理也是利用光致發(fā)熱作用。 1. 光學(xué)計(jì)算機(jī)斷層術(shù)即光學(xué)CT（optical computed tomography） 激光斷層攝影激光斷層攝影（1）X射線CT圍繞人體旋轉(zhuǎn)小型X射線源，由檢測(cè)器陣列測(cè)定X射線透射量后進(jìn)行數(shù)字化，再對(duì)這些數(shù)據(jù)以特定的算法（CT算法）利用計(jì)算機(jī)求解后構(gòu)成斷層像（tomography）。如下圖所示，光從A點(diǎn)入射到生物體內(nèi)，在點(diǎn)B上觀察透射光，此時(shí)透射光中包含著三種不同的光線，一種是受到散射后向任意方向散射的成分；第二種是具有較小的散射角且向前傳播的成分；第三種是向前透射直