4.2 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器（LD）

激光器是利用受激輻射過(guò)程產(chǎn)生光和光放大的一種器件，從它發(fā)出的光具有極好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度，便于人們控制它和利用它。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。

一、

激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是由三部分組成的，即：工作物質(zhì)、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵(lì)源--電源）。

半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)1、工作物質(zhì)我們知道要使受激輻射過(guò)程成為主導(dǎo)過(guò)程，必要條件是在介質(zhì)中造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2、泵浦源激勵(lì)方法有光激勵(lì)、電激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等，而每種激勵(lì)都需要有外加的激勵(lì)源，即泵浦源。它的作用就是使介質(zhì)中處于基態(tài)能級(jí)的粒子不斷地被提升到較高的一些激發(fā)態(tài)能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（N2＞N1）。光纖通信使用的半導(dǎo)體激光器，一般使用電激勵(lì)。3、諧振腔諧振腔的作用正是加強(qiáng)介質(zhì)中的受激放大作用。光學(xué)諧振腔是由兩個(gè)反射鏡組成，如圖所示，其一是全反（M1）的，另一個(gè)是部分透過(guò)（M2）的。諧振腔二、激光器的振蕩條件1、激光器起振的閾值條件考慮諧振腔是平行平面腔，諧振腔反射鏡的反射率分別為

和

，兩鏡間距為

，其間充滿激活介質(zhì)。按照激光原理的理論，其起振的閾值條件是

式中，

表示激光器的閾值增益系數(shù)、

表示激活介質(zhì)（工作物質(zhì)）的損耗系數(shù)。當(dāng)M1是全反鏡時(shí)，其

，則閾值增益系數(shù)

為2、諧振條件與諧振頻率若使激光器能夠在起振后，達(dá)到穩(wěn)定振蕩，需要滿足的條件是：將腔長(zhǎng)L設(shè)計(jì)成等于光輻射的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即式中，

為激活介質(zhì)的折射率、

為縱模模數(shù)、

為激光波長(zhǎng)。利用波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系式，則公式可改寫為諧振腔只對(duì)特定頻率（

）的光波具有選擇放大作用，這樣的一些頻率稱為諧振腔的共振頻率或縱模頻率。

用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（LD），常用的有F-P腔（法布里-泊羅腔）激光器和分布反饋型（DFB）激光器。半導(dǎo)體激光器的泵浦源是直流電源。二、半導(dǎo)體激光器在光纖通信中，F(xiàn)-P腔激光器采用的工作物質(zhì)（半導(dǎo)體材料）一般是砷化鎵（GaAs）或銦鎵砷磷（InGaAsP）.1、同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器砷化鎵半導(dǎo)體激光器（1）基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

長(zhǎng)度L的范圍為250～500μm、寬度W的范圍為55～100μm、有源層的厚度d的范圍為0.1～0.2μm。（2）發(fā)光區(qū)域。同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器的發(fā)光區(qū)域是作為其核心部分的P-N結(jié)。

（3）特點(diǎn)。同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由PN結(jié)發(fā)光,其閾值電流（激光器開始產(chǎn)生激光時(shí)的注入電流）較大；在室溫下工作，發(fā)熱嚴(yán)重，無(wú)法做到連續(xù)的激光輸出；室溫下，只能工作在脈沖狀態(tài)，且脈沖的重復(fù)頻率不高，約為幾十千赫茲，脈沖的寬度很窄約為100ns;適合于小容量、低速率光纖通信系統(tǒng)中使用。砷化鎵半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖所示2、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)（1）基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。長(zhǎng)度L約為400μm，寬度W約為200μm，有源層的厚度d為0.1～0.4μm。（2）發(fā)光區(qū)域。雙異質(zhì)結(jié)。（3）特點(diǎn)。雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器克服了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器缺點(diǎn)：有源區(qū)厚度加大；閾值電流降低（30～80mA）；波長(zhǎng)范圍1.27～1.33μm.雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）DFB-LD激光器結(jié)構(gòu)具有單縱模振蕩、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在高速數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

4、量子阱半導(dǎo)體激光器（QW-LD）QW-LD結(jié)構(gòu)具有有源層很薄（10～100埃（A））、閾值電流很低（可達(dá)0.55mA）、輸出功率高、譜線寬度窄等特點(diǎn)。1、閾值特性閾值電流（

）是指使LD輸出光功率急劇增加，產(chǎn)生激光振蕩的激勵(lì)電流。如圖所示，是某半導(dǎo)體激光器P-I曲線。三、半導(dǎo)體激光器的工作特性

P-I曲線

當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),有源區(qū)無(wú)法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn),也無(wú)法達(dá)到諧振條件,自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出的是熒光;

當(dāng)激勵(lì)電流I>Ith時(shí),有源區(qū)不僅有粒子數(shù)反轉(zhuǎn),而且達(dá)到了諧振條件,受激輻射為主,輸出功率急劇增加,發(fā)出的是激光,此時(shí)P-I曲線是線性變化的。對(duì)于激光器來(lái)說(shuō),要求閾值電流越小越好。

P-I曲線

2、光譜特性

半導(dǎo)體激光器輸出光光譜特性曲線如圖所示,從光譜特性曲線可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。輸出光光譜

當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),說(shuō)明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(幾十納米);當(dāng)激勵(lì)電流I>Ith時(shí),光譜突然變窄(幾納米),譜線中心強(qiáng)度也急劇增加,說(shuō)明發(fā)出的是激光。

對(duì)于半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō),要求其輸出