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文檔簡介
半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素半導(dǎo)體激光器的輸出特性·波長·光功率·光譜·激光束的空間分布2波長半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長是由導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量決定的,這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV
)。
導(dǎo)帶hf
=Eg
Eg
禁帶f
(Hz)和λ(μm)
分別為發(fā)射光的頻率和波長
價(jià)帶c=3×108m/s,h=6.628×10-34Js,leV=1.60×10-19
Jλ=1.24Eg(eV)(μm)3決定波長的主要因素·半導(dǎo)體材料不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg,
因而
有不同的發(fā)射波長λ:GaAlAs-GaAs材料適用于0.85μm波段InGaAsP-InP材料適用于1.3~1.55μm波段·
溫度溫度的升高會(huì)使半導(dǎo)體的禁帶寬度變小,導(dǎo)
致波長變大。
4光功率半導(dǎo)體激光器的輸出光功率P=Pn
Pahf
-(I-I)l為激光器的驅(qū)動(dòng)電流Pth為激光器的閾值功率lth為激光器的閾值電流nd
為外微分量子效率hf
為光子能量e
為電子電荷5Pth:
拐點(diǎn)縱坐標(biāo),很小,可忽略
lth:拐點(diǎn)橫坐標(biāo)hf、e:
常數(shù),不影響曲線形狀nd:決定曲線線型部分的斜率由此可知,輸出光功率主要取決于
驅(qū)動(dòng)電流I、閾
值電流lth以及外微分
量子效率ηd。除此之外,
溫度也是
影響光功率的重要因素。Iln半導(dǎo)體激光器發(fā)光特性6·
當(dāng)l>|th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
(a)
(b)功率急劇增加,
發(fā)出激光
典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a)
短波長AlGaAs/GaAs(b)
長波長InGaAsP/InP光功率--閾值電流當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí),輸出光功率急劇增加,這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩,這個(gè)電流稱為閾值電流。·
當(dāng)
|
<
|th時(shí):有源區(qū)無法達(dá)到
粒子數(shù)反轉(zhuǎn),也無法達(dá)到諧
振條件,以自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出熒光Mu/d單面輸出功率工作電流I/mA輸出率Mu/d光功率--影響閾值電流的因素·晶體的摻雜濃度越大,閾值電流越小·諧振腔的損耗越小,閾值電流越小·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)小得多·溫度越高,閾值電流越大8光功率--外微分量子效率·外微分量子效率ηd定義為激光器達(dá)到閾值后,輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增
量之比,其表達(dá)式為外微分量子效率代表了半導(dǎo)體激光器的電——
光轉(zhuǎn)換效率,它與內(nèi)量子效率、載流子對(duì)有源區(qū)的注入效率、
光在諧振腔內(nèi)的損耗情況、諧振腔
端面的反射系數(shù)和溫度等因素有關(guān)。9I(mA)光功率隨溫度變化曲線
10光功率--溫度P(mw)溫度對(duì)光功率的影響·激光器的閾值電流隨溫度升高而增大溫度對(duì)閾值電流的影響,可用下式描述:In=I?e?
/7lo表示室溫下的閾值電流T表示溫度To稱為特征溫度(表示激光器對(duì)溫度的敏感程度)InGaAsP激光器,
T0
=50~80KA1GaAs/GaAs
激光
器
,T0=100~150K。11溫度對(duì)光功率的影響·外微分量子效率隨溫度升高而減小如GaAs激光器絕對(duì)溫度77
K
時(shí)
,ηd約
為50%當(dāng)絕對(duì)溫度升高到300
K
時(shí),ηd只有約30%12光譜影響半導(dǎo)體激光器輸出光譜的因素:·驅(qū)動(dòng)電流·
溫度13·
圖
(b):當(dāng)l>lth后,發(fā)射光譜突然變窄,譜線中心強(qiáng)
度急劇增加,發(fā)出激光14·
圖
(a):
當(dāng)l<lth
時(shí),光譜很寬,發(fā)出熒光光譜--驅(qū)動(dòng)電流(b)
高于閾值時(shí)相對(duì)光強(qiáng)8550A832830828826824832830828826824832
830828826824·
當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到閾值后,隨著驅(qū)動(dòng)電流的
增大,縱模模數(shù)變小,譜線寬度變窄·
當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí),多縱模變?yōu)閱慰v模光譜--驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流增加15光譜--溫度·隨著溫度的升高,半導(dǎo)體的禁帶寬度變小,
將導(dǎo)致整個(gè)光譜向長波長方向移動(dòng)。16激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述:·近
場是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布·
遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布近場和遠(yuǎn)場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸,即平行于PN
結(jié)平面的寬度w
和垂直于PN
結(jié)平面的
厚度t
所決定的,并稱為激光器的橫模。17·
平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w
由寬變
窄,場圖呈現(xiàn)出由
多橫模變?yōu)閱螜M?!ご怪庇诮Y(jié)平面的諧振腔厚度t
很薄,
這個(gè)方向的場圖總
是單橫模。激光束的空間分布w
W遠(yuǎn)場圖樣GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠(yuǎn)場圖樣5010yun近場圖樣μmμmμm202030μmμm30圖
中θIl和θ⊥
分別為平行于結(jié)平
面和垂直于結(jié)平面
的輻射角,整個(gè)光
束的橫截面呈橢圓形。60
4
0
20
0
20
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