半導(dǎo)體光電子學(xué)課程報告綜述

半導(dǎo)體光電子學(xué)課程報告——半導(dǎo)體激光器1、半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的激光器的半導(dǎo)體材料有砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)、銻化銦(InSb)等等幾十種材料，在半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種,即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注入,即給p-n結(jié)加正向電壓,以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射,因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光2.1選擇原因到藍(lán)綠光。通過各種不同的結(jié)合方式使得激光器的激射閾值電流由幾mAmAmA,其壽命達(dá)到上百萬小時。從最初的低溫(77K)下運轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作,輸出功率由幾毫瓦提些優(yōu)點，在選擇激光器運用于其他方面時，半導(dǎo)體激光器更優(yōu)于其他2.2使用要求2)以半導(dǎo)體晶體的自然解理面為反射鏡構(gòu)成諧振腔，多次反饋振蕩3)選擇合適的激勵介質(zhì)，注入足夠強(qiáng)的電流，實現(xiàn)大增益，特點波2.3應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)；在光電子學(xué)領(lǐng)域，激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面有廣泛的應(yīng)用。由于半術(shù)緊密結(jié)合在一起,就能實現(xiàn)光通信中各個方面功能。半導(dǎo)體激光沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn),就沒有當(dāng)今的光通信。度信息讀寫、深水探測及應(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視醫(yī)方面2.3主要性能參數(shù)對于各種激光器的常見性能參數(shù)括電壓一電流特性、光功率一電流特性、閾值特性、光譜性質(zhì)、光強(qiáng)分布、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率、激注入激光器時,隨著注入電流的變化,激光器端電壓的變化情況,其特性曲線與二極管電流電流電壓方程類似mkt0從上圖可以看出,在第一象限隨著輸入激光器的電流的增加，電流變化較快時,電壓變化很慢,激光器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，其正常工作狀態(tài)應(yīng)處于第一象限2.5.2光功率-電流特性激光器總的發(fā)射功率(P)與注入電流(I)的關(guān)系為功率一電流(P-I)曲線由圖可以看出隨著激光器注入電流的增加,其輸出光功率增加,但是不成直線關(guān)系,存在一個閥值Ith,當(dāng)注入電流大于I后,輸出光功率隨注入I增加而th2.5.3閾值特性當(dāng)半導(dǎo)體器件的注入電流I增大,有源區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn),受激輻射占主導(dǎo)地位,才能發(fā)射激光。閾值電流可以由單模速率方程的穩(wěn)態(tài)解其中,N(t)表示有源區(qū)中的電子密度;S(t)表示有源區(qū)中的光子密激光器的閾值條件說明,只有諧振腔里的增益增大到能夠克服損耗,才能建立起穩(wěn)定的光振蕩,輸出譜線尖銳,方向性好的激光。而增光譜指的是不同成分的光所占的比例,光波成分在激光器的工作過程中不斷發(fā)生變化,以電流閾值為界：當(dāng)電流由小變大時,激光器I=Ith時以受激發(fā)射為主,因而譜線變得尖銳,出現(xiàn)一個或幾個又窄2.5.5輸出光強(qiáng)分布激光器的光強(qiáng)分布主要指的是垂直于波的傳播方2.5.6溫度特性半導(dǎo)體激光器是對溫度很敏感的器件,不僅環(huán)境的變化會使激光器的閾值電流和輸出光功率發(fā)生變化,注入電流的熱效應(yīng)也會發(fā)生類似的式中第一項表示結(jié)溫升高所吸收的熱功率,第二項表示結(jié)溫升高2.5.7瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高,響應(yīng)速度快,可以直接用于調(diào)制,因此被視為光纖通信中理想的光源,但是對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時,激光器往往呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的動態(tài)性質(zhì)，可以歸納為:1)激光輸出與注入的電脈沖之間存在延時,稱為電光延遲時間(ns)；2)當(dāng)電脈沖注入激光器之后,輸出光脈沖呈現(xiàn)出衰減式的振蕩,稱為張馳振蕩(百MHz到2GHz),這是激光器內(nèi)部光電相互作用表現(xiàn)出來的固有特性；3)某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩,叫自脈動現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在P-I曲線中間有明顯扭折變換的激器中。3、能實現(xiàn)與半導(dǎo)體激光器相同功能的器件半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管的材料完全一樣的，使用砷化鎵(GaAs)同質(zhì)結(jié)能都能實現(xiàn)激光振蕩。區(qū)別激光器只能在液氮冷卻下工作，發(fā)出單脈沖振蕩。在后續(xù)發(fā)展中使用了異質(zhì)結(jié)，使得激光器能在常溫下工作。且半導(dǎo)體發(fā)光二極管沒有諧振腔，是無閾值器件，它的發(fā)光只限于自發(fā)輻射過程，其最大的特點是：光譜較寬、線性好、波長的光，壽命長輸出功率效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高。光纖激光器的主要優(yōu)點是:(1)轉(zhuǎn)換效率高，激光閾值低。光纖的幾可長、體積小、效率高等優(yōu)勢，使得在實際應(yīng)用中更為廣闊。氣體激光器如氦氖激光器的輸出波長為準(zhǔn)確的632.8nm，光束質(zhì)量方出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬。綜上所述，半導(dǎo)體激光器是在能帶間進(jìn)行躍遷,因此其譜線寬度比固體或氣體激光器的光譜寬度要大,即差一些，在十幾納米范圍。3與半導(dǎo)體有關(guān)的期刊文章ResearchonthekeytechnologyoftheemissionsystemforsemiconductorlaserrangefinderYongjieCheng(Nat.KeyLab.ofHighPowerSemicond.Lasers,ChangchunUniv.ofSci.&Technol.,Changchun,China);DeshengXin;JianjiaZhangSource:2012InternationalConferenceonOptoelectronicsandMicroelectronics(ICOM),p56-60,2012Analysisandcharacterisationofexperimentalreal-timeseriesofasemiconductorlaserunderopticalinjectionSchires,K.(Sch.ofComput.Sci.&Electron.Eng.,Univ.ofEssex,Colchester,UnitedKingdom);Hurtado,A.;Henning,I.D.;Adams,M.J.Source:2011ConferenceonLasers&Electro-OpticsEurope&hEuropeanQuantumElectronicsConferenceCLEOEUROPEEQECpppSemiconductorlaserintegratedwithathermoelectrophotoniclightemittingdiodeheatpumpDeppeDeppe,D.G.(Coll.ofOpt.&Photonics,Univ.ofCentralFlorida,Orlando,FL,UnitedStates);Liu,X.;laserintegratedwithathermoelectrophotoniclightemitting理論上，將半導(dǎo)體激光器與自發(fā)輻射二極管(LED)光泵集成在發(fā)光泵。因熱光電子(TEG)效應(yīng)，輻射與內(nèi)部制冷有關(guān)。控制LED熱吸收，如GaAs發(fā)光二極管的材料就可以泵在理想操作中也可以當(dāng)做一個加熱泵是由于它的基本條件和高效率的內(nèi)量子效應(yīng)，決定于LED的厚度。周圍(包括激光器)的熱量傳導(dǎo)到LED。例如設(shè)計中包括未摻雜GaAs的自發(fā)發(fā)射被耦合到量子阱激光器波導(dǎo)。AlGaAsKK室溫下排放效率，砷化鎵LED區(qū)域的內(nèi)部量子效98％。這種高內(nèi)部量子效率與表面自由GaAs體材料等的測量一致。illustrationillustrationoftheGaAsLEDsemiconductoilaser.TheLEDisandopticallypumpsthelaserwaveguideandquantumwell.)ModD」n(