半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素

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(zhǎng)·光功率·光譜·激光束的空間分布2波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)

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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)AlGaAs/GaAs(b)

長(zhǎng)波長(zhǎng)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?！?/p>

當(dāng)

|

<

|th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，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(zhǎng)波長(zhǎng)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描述：·近

場(chǎng)是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布·

遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)圖總

是單橫模。激光束的空間分布w

W遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣5010yun近場(chǎng)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