半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)

上節(jié)課回顧：1、躍遷速率與愛因斯坦關(guān)系；2、半經(jīng)典理論求解B12；3、凈受激發(fā)射的條件；4、增益系數(shù)半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!閾值條件和增益分布

此時(shí)建立起粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，吸收系數(shù)就變?yōu)樨?fù)的，半導(dǎo)體材料由光吸收介質(zhì)變成了增益媒質(zhì)。它可以使頻率處在增益帶寬范圍內(nèi)的光輻射得到放大。增益系數(shù)為：

但這只是提供了產(chǎn)生激光的前提條件，要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須將此增益介質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，使光波在兩個(gè)腔面反射鏡之間通過增益介質(zhì)來回反射面得到放大。如果光增益超過諧振腔引起的光損耗及其他損耗之總和，則貯存在腔內(nèi)的光場(chǎng)將不斷增加；同時(shí)光增益是能夠飽和的，它會(huì)使光放大系數(shù)減小。下面討論與此相關(guān)的一些問題。rst(E21):受激發(fā)射率半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!

在該系統(tǒng)中能夠形成自持振蕩的條件是：當(dāng)波在兩個(gè)腔面間經(jīng)過多次反射回到原處時(shí)，波的振幅至少應(yīng)等于起始值，波的相位一致。ai是內(nèi)部損耗系數(shù)，通常是由自由裁流子吸收和光學(xué)不均勻散射引起的，g為增益系數(shù)。半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!2、振蕩的相位條件，即形成穩(wěn)定振蕩的駐波條件光子在諧振腔內(nèi)來回一次所經(jīng)歷的光程必須是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。當(dāng)增益介質(zhì)的折射率nR和腔長(zhǎng)L一定時(shí)，每一個(gè)g值就對(duì)應(yīng)著一個(gè)振蕩頻率或波長(zhǎng)，或者說對(duì)應(yīng)著一個(gè)振蕩的縱模模式。對(duì)式(1)取微分后得到：(1)對(duì)應(yīng)于相鄰的縱模間隔，取：色散項(xiàng)自持振蕩的條件半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!增益譜計(jì)算式中，常數(shù)a0(E21)表示絕對(duì)零度時(shí)的吸收。溫度和激勵(lì)水平的影響包含在(fc—fv)中。若fc>fv，則a0(E21)為負(fù)，吸收介質(zhì)變?yōu)樵鲆娼橘|(zhì)，以受激發(fā)射為主。若fc<fv

，則a0(E21)為正，主要發(fā)生受激吸收．利用增益的定義義可以寫出：半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!增益飽和在低的光子密度時(shí)，載流子的空間和能量分布不受干擾，這時(shí)為不飽和增益。在高光子密度時(shí)是飽和增益。一個(gè)被激勵(lì)的半導(dǎo)體激光器，輻射受到放大時(shí)，它的能量關(guān)系為：諧振控內(nèi)的輻射強(qiáng)度不能無限止增加，因?yàn)樵诟吖庾用芏葧r(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子濃度要顯著降低。這又造成費(fèi)米能級(jí)漂移，使△EF減小，同樣也使?jié)M足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)數(shù)減小。半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!半導(dǎo)體激光的溫漂特性半導(dǎo)體材料帶隙隨溫度變化；半導(dǎo)體激光器腔長(zhǎng)隨溫度變化。半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!電場(chǎng)Ey在三層平板介質(zhì)波導(dǎo)的有源層外可能存在相當(dāng)大的部分。這部分光場(chǎng)不與注入載流子發(fā)生相互作用，因而對(duì)激光器中的受激發(fā)射沒有貢獻(xiàn)。所以必須考慮光場(chǎng)分布在激光器有源層中所占的比率。限制因子-垂直于pn結(jié)方向半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!平行于pn結(jié)方向--折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!半導(dǎo)體激光器常見結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!2、內(nèi)量子效率半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù)由于有源區(qū)內(nèi)存在雜質(zhì)缺陷及異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的非輻射復(fù)合和長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器中的俄歇復(fù)合等因素，使得注入有源區(qū)的每一個(gè)電子—空穴對(duì)不能100％的產(chǎn)生輻射復(fù)合，即ηi總是小于1，但一般也有95％左右，是轉(zhuǎn)換效率很高的激光器件。半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù)4斜率效率(外微分量子效率,P-I曲線的斜率)

半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!afc是有源區(qū)內(nèi)的自由載流子吸收系數(shù)aout包層中的吸收系數(shù)(主要也是自由載流子吸收)as是輻射遭受有源區(qū)晶格缺陷散射和厚度不均勻引起的損耗系數(shù)ac是輻射滲入包層的損耗系數(shù)Je和Jh分別是流過異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘的電子和空穴的漏電流J2為有源區(qū)電流密度；ηi為內(nèi)量子效率；Q2為諧振腔品質(zhì)因素；半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!大功率半導(dǎo)體激光器典型結(jié)構(gòu)

--陣列器件半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!大功率半導(dǎo)體激光器典型結(jié)構(gòu)

--陣列器件半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!自持振蕩的條件閾值增益為：1、振幅半導(dǎo)體和空氣界面處的功率反射系數(shù)R為：半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!該式表明，縱模間隔與腔長(zhǎng)成反比。半導(dǎo)體激光器的腔長(zhǎng)很短，所以它的模間隔比氣體和固體激光器要大得多。但(2)表示的只是諧振腔所允許存在的縱橫，它是一個(gè)無窮的系列，究竟激光器中能出現(xiàn)哪些縱模，還要由激光介質(zhì)的增益譜寬和增益譜展寬機(jī)制等條件來決定。只有那些增益達(dá)到閡值條件而又被諧振腔允許的波長(zhǎng)才能形成激光振蕩。(2)半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!

隨著激勵(lì)水平增加，能帶中載流子數(shù)增加，增益曲線的最大值向更高的光子能量處移動(dòng)gmax(E)也增加。同時(shí)開始出現(xiàn)增益所對(duì)應(yīng)的光子能量向高能方向移動(dòng)。這是因?yàn)殡娮邮菑膶?dǎo)帶底向上填充的．注入電子濃度愈大，填充得就愈高，因而發(fā)光的峰值能量增加.

半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!空間燒孔和光譜燒孔效應(yīng)半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!半導(dǎo)體激光器的光場(chǎng)模式三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中只存在TE模和TM模TE模TM模半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!平行于pn結(jié)方向--增益導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!1、功率效率

加于激光器上的電功率轉(zhuǎn)換為輸出光功率的效率半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù)

降低rs，特別是制備良好的低電阻率的歐姆接觸是提高功率效率的關(guān)鍵。改善管芯散熱環(huán)境，降低工作溫度也有利于功率效率的提高。半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!3、外量子效率半導(dǎo)體激光器的幾個(gè)效率參數(shù)ηex是考慮到有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光子并不能全部發(fā)射出去，腔內(nèi)產(chǎn)生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射鏡端面損耗等。因?yàn)榧す馄饔屑ど涞拈撝堤匦?，所以?dāng)I<Ith時(shí)，ηex很小，當(dāng)I>Ith時(shí)，P直線上升，ηex變大。半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共28頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!閾值電流密度有源區(qū)內(nèi)的局部增益是均勻分布的，則模增益分別是對(duì)應(yīng)模式的增益和限制因子為局部閾值增益系數(shù)是鏡面末端損耗是內(nèi)部損耗半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)共