半導(dǎo)體激光器原理

半導(dǎo)體激光器原理主要內(nèi)容1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)2、半導(dǎo)體激光器工作原理3、工作特性及參數(shù)4、結(jié)構(gòu)及制造工藝5、面發(fā)射激光器半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)能帶理論直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體能帶中電子和空穴得分布量子躍遷半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器得材料選擇能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中得電子作共有化運(yùn)動(dòng),所以電子不再屬于某一個(gè)原子,而就是屬于整個(gè)晶體共有晶體中原子間相互作用,導(dǎo)致能級(jí)分裂,由于原子數(shù)目巨大,所以分裂得能級(jí)非常密集,認(rèn)為就是準(zhǔn)連續(xù)得,即形成能帶電子總就是先填充低能級(jí),0K時(shí),價(jià)帶中填滿(mǎn)了電子,而導(dǎo)帶中沒(méi)有電子導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體能帶中電子和空穴得分布導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底。Ef為費(fèi)米能級(jí),她在能帶中得位置直觀得標(biāo)志著電子占據(jù)量子態(tài)得情況。費(fèi)米能級(jí)位置高,說(shuō)明有較多能量較高得量子態(tài)上有電子。能帶中電子和空穴得分布N型半導(dǎo)體中得電子和空穴在能級(jí)中得分布(熱平衡狀態(tài))能帶中電子和空穴得分布P型半導(dǎo)體中得電子和空穴在能級(jí)中得分布(熱平衡狀態(tài))量子躍遷光得自發(fā)發(fā)射(就是半導(dǎo)體發(fā)光得基礎(chǔ))光得受激吸收(就是半導(dǎo)體探測(cè)器工作得基礎(chǔ))量子躍遷光得受激發(fā)射:光子激勵(lì)導(dǎo)帶中得電子與價(jià)帶中得空穴復(fù)合,產(chǎn)生一個(gè)所有特征(頻率、相位、偏振)完全相同得光子。她就是半導(dǎo)體激光器得工作原理基礎(chǔ)。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜量子躍遷非輻射躍遷:異質(zhì)結(jié)界面態(tài)得復(fù)合缺陷復(fù)合:有源區(qū)都就是本征材料俄歇復(fù)合:對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器得量子效率、工作穩(wěn)定性和可靠性都有不利影響量子躍遷特點(diǎn):直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體躍遷幾率高,適合做有源區(qū)發(fā)光材料(如GaAs,InP,AlGaInAs)間接帶隙半導(dǎo)體電子躍遷時(shí):始態(tài)和終態(tài)得波矢不同,必須有相應(yīng)得聲子參與吸收和發(fā)射以保持動(dòng)量守恒,所以躍遷幾率低。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)得作用:異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子得限制作用異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)得限制作用異質(zhì)結(jié)得高注入比異質(zhì)結(jié)對(duì)光場(chǎng)得限制作用半導(dǎo)體激光器得材料選擇1-能在所需得波長(zhǎng)發(fā)光2-晶格常數(shù)與襯底匹配半導(dǎo)體激光器得工作原理基本條件:1有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布2諧振腔:使受激輻射多次反饋,形成振蕩3滿(mǎn)足閾值條件,使增益>損耗,有足夠得注入電流。雙異質(zhì)結(jié)激光器分別限制異質(zhì)結(jié)單量子阱激光器橫模(兩個(gè)方向)半導(dǎo)體激光器通常就是單橫模(基模)工作。當(dāng)高溫工作,或電流加大到一定程度,會(huì)激發(fā)高階模,導(dǎo)致P-I曲線(xiàn)出現(xiàn)扭折(Kink),增加了躁聲。垂直橫模側(cè)橫模垂直橫模:由異質(zhì)結(jié)各層得厚度和各層之間得折射率差決定。橫模(側(cè)橫模)1、強(qiáng)折射率導(dǎo)引得掩埋異質(zhì)結(jié)激光器(BH-LD)折射率導(dǎo)引激光器(IndexguideLD)橫模(側(cè)橫模)2、弱折射率導(dǎo)引激光器:脊波導(dǎo)型激光器(RWG-LD)折射率導(dǎo)引激光器(IndexguideLD)橫模(側(cè)橫模)條形激光器增益導(dǎo)引激光器(GainguideLD)幾種典型得折射率導(dǎo)引激光器遠(yuǎn)場(chǎng)特性θ⊥隨有源區(qū)厚度及折射率差得減小而減小。θ∥隨有源區(qū)寬度得減小而增大。減小有源區(qū)得寬度,可以使遠(yuǎn)場(chǎng)更趨向于圓形光斑。減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止?？v模F-P腔激光器:多縱模工作DFB激光器單縱模工作F-P腔激光器DFB激光器DFB-LD與DBR-LDF-P-LD與DFB-LD得縱模間隔DFB-LD得增益與損耗工作特性1、閾值電流

Ith

影響閾值電流得因素:有源區(qū)得體積:腔長(zhǎng)、條寬、厚度材料生長(zhǎng):摻雜、缺陷、均勻性解理面、鍍膜電場(chǎng)和光場(chǎng)得限制水平隨溫度增加,損耗系數(shù)增加,漏電流增加,內(nèi)量子效率降低,這些都會(huì)使閾值電流密度增加工作特性2、特征溫度To(表征激光器得溫度穩(wěn)定性):

測(cè)試:To=ΔT/ΔLn(Ith)影響To得因素:限制層與有源層得帶隙差ΔEg對(duì)InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器,To隨溫度升高而減小

ΔEg工作特性3、外微分量子效率ηd

(斜率效率):可以直觀得用來(lái)比較不同得激光器性能得優(yōu)劣。ηd=ΔP/ΔI外微分量子效率并不就是越大越好,如果太大,光功率輸出隨注入靈敏度太高,器件容易被損壞。工作特性4、峰值波長(zhǎng)隨溫度得改變?chǔ)う薭/ΔT:對(duì)F-P-LD,當(dāng)激光器得溫度升高時(shí),有源區(qū)得帶隙將變窄,同時(shí)波導(dǎo)層得有效折射率發(fā)生改變,峰值波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。約為0、5nm/℃。對(duì)DFB-LD,激射波長(zhǎng)主要由光柵周期和等效折射率決定,溫度升高時(shí)光柵周期變化很小,所以Δλb/ΔT小于0、1nm/℃。F-P-LD與DFB-LD得頻率啁啾工作特性5、光譜寬度6邊模抑制比7上升/下降時(shí)間8串聯(lián)電阻9熱阻各特性得關(guān)系DFB-LD芯片制造一次外延生長(zhǎng)光柵制作二次外延生長(zhǎng)脊波導(dǎo)制作歐姆接觸、減薄解理成條端面鍍膜解理成管芯TO-CAN1、光柵制作1、全息曝光2、干法或濕法刻蝕2、二次外延生長(zhǎng)生長(zhǎng):1、低折射率層2、腐蝕停止層3、包層4、帽層:接觸層3、一次光刻一次光刻出雙溝圖形4、脊波導(dǎo)腐蝕選擇性腐蝕到四元停止層5、套刻PECVD生長(zhǎng)SiO2自對(duì)準(zhǔn)光刻SiO2腐蝕6、三次光刻:電極圖形7、歐姆接觸P面濺射TiPtAu減薄N面TiAu端面鍍膜先解理成條端面鍍膜:高反膜\增透膜端面鍍膜得作用:

1、增大出光功率,2、減小閾值電流高反膜80-90%,增透膜5-10%面發(fā)射激光器VerticalCavitySurfaceEmittingLaserVCSEL得優(yōu)點(diǎn)●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成;

●圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖得有效耦合;