半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光儀器簡(jiǎn)介半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過(guò)一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。分類1）異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器2）條形結(jié)構(gòu)激光器3）GaAIAs/GaAs激光器4）InGaAsP/InP激光器5）可見(jiàn)光激光器6）遠(yuǎn)紅外激光器7）動(dòng)態(tài)單模激光器8）分布反饋激光器9）量子阱激光器10）表面發(fā)射激光器11）微腔激光器半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電源注入式光子激勵(lì)電子束激勵(lì)工作物質(zhì)PN結(jié)（同質(zhì)結(jié)）異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DH）諧振腔解理面布拉格反饋分布反饋式DFB分布布拉格反射式DBR半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖示。有源層夾在P型和N型限制層中間，由此產(chǎn)生的PN異質(zhì)結(jié)通過(guò)歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個(gè)激光器芯片的較大面積注入。這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。由于在平行于結(jié)平面的側(cè)向無(wú)光限制結(jié)構(gòu)，沿激光器的整個(gè)寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要特點(diǎn)。為解決側(cè)向輻射和光限制問(wèn)題，實(shí)際的激光器采用了增益導(dǎo)引型和折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。(熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，在較低能級(jí)上比較高能級(jí)上存在較多的電子)

電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收（本征吸收）自發(fā)輻射受激輻射PN結(jié)的能帶和電子分布在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec

和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v

之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef

稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。PN結(jié)的特性當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們之間就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度底的地方擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果破壞了原來(lái)P區(qū)和N區(qū)的電中性，P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的雜質(zhì)離子，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因，它們不能任意移動(dòng)，形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。其電場(chǎng)的方向由N指向P，稱為內(nèi)電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）擴(kuò)散的方向相反，因而它對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散有阻擋作用，稱為勢(shì)壘。半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件在一個(gè)具有N個(gè)粒子相互作用的晶體中，每一個(gè)能級(jí)會(huì)分裂成為N個(gè)能級(jí)，因此這彼此十分接近的N個(gè)能級(jí)好象形成一個(gè)連續(xù)的帶，稱之為能帶，見(jiàn)圖(5-23)。純凈(本征)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對(duì)溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個(gè)充滿電子的價(jià)帶和一個(gè)完全沒(méi)有電子的導(dǎo)帶組成，如圖(5-24)。

圖(5-23)固體的能帶圖(5-24)本征半導(dǎo)體的能帶同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性伏安特性:與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，如圖(5－29)所示。閾值電流密度:影響閾值的因素很多方向性:圖(5-30)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性

光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時(shí)的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達(dá)到或大于閾值時(shí)的激光光譜，譜寬達(dá)幾十埃。半導(dǎo)體激光器的的主要特性1、伏安特性半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ娦?。其伏安特性曲線如圖所示。由于工作時(shí)加正向偏壓，所以其結(jié)電阻很小。其正向電阻值主要由材料的體積電阻和引線的接觸電阻來(lái)決定。這些電阻雖然很小，但由于工作電流很大，其作用不能忽略。

2.量子效率與閾值電流

在復(fù)合區(qū)內(nèi)，有兩種復(fù)合。一種叫輻射復(fù)合，一種叫無(wú)輻射復(fù)合。前者發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而注入的電子只有一部分對(duì)發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率ηi表示輻射復(fù)合所占的比例。

3.方向特性

普通氣體激光器和固體激光器方向性很好，光束的發(fā)散角只有(球面度)。而半導(dǎo)體激光器的方向性要差得多。半導(dǎo)體激光器的作用區(qū)矩形光學(xué)諧振腔，其長(zhǎng)、寬、高分別為l、w和d。其端面可近似看做面積為A=wd的相干光源。其輻射圖樣近似一個(gè)矩形狹縫的衍射圖形。它的方向性用光束發(fā)散角表示。光束在與P-N結(jié)垂直方向的半功率點(diǎn)的張角叫垂直發(fā)散角，以θd表示，光束在平行P-N結(jié)方向半功率點(diǎn)的張角叫水平發(fā)散角，以θw表示。一般θd為40度，θw為10度。在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項(xiàng)指標(biāo)更為重要。

4.光譜特性由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價(jià)帶都有一定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵(lì)電流而變化，當(dāng)激勵(lì)電流低于域值電流時(shí)，發(fā)出的光是熒光。這時(shí)的光譜很寬，其寬度常達(dá)百分之幾微米。如圖(a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如圖(b)所示。由此可見(jiàn)知光譜變窄，單色性增強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征，因而可通過(guò)激光器光譜的測(cè)量來(lái)確定閾值電流。

半導(dǎo)體激光器的的主要特性半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜隨溫度而變化，GaAs激光器在77K下，其光譜寬度為百分之幾微米，室溫下寬度為千分之幾微米，目前分布反饋型激光器的譜寬只有10-4μm左右。另一方面，溫度升高時(shí)，激光峰值向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這是由于禁帶寬度隨溫度升高而變小，因而發(fā)射光子的頻率變小的原故（Eg=hv）。右圖表示激光峰值位置隨溫度變化的情況，縱坐標(biāo)分別是禁帶寬度的能量值和對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值。

LD的優(yōu)點(diǎn)1）LD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。2）LD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時(shí)，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒(méi)有選擇波長(zhǎng)的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.03~0.04μm。3）由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠(yuǎn)，而LED的發(fā)散角一般在40°～20°范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。4）LD的輸出光強(qiáng)及效率較高，LED的輸出光強(qiáng)及效率較低。LD的缺點(diǎn)1）溫度特性較差。由于激光管的閾值電流依賴于溫度T，故其輸出功率也依賴于T。發(fā)光二極管沒(méi)有閾值電流，故其溫度特性較好。2）易損壞，壽命短。半導(dǎo)體光源的損壞一般由三種原因引起，即內(nèi)部損壞（如P-N結(jié)損壞），接觸損壞（如引線斷掉）和光學(xué)諧振端面的損壞（如光纖碰角或端面污染引起）。前兩種為發(fā)光二極管和激光二極管所共有，而后一種損壞卻是激光二極管所獨(dú)有的，由于這一因素而大大降低了激光二極管使用壽命。3）半導(dǎo)體激光器價(jià)格昂貴，發(fā)光二極管比較便宜。4）半導(dǎo)體激光器的P-I曲線不如發(fā)二極管的P-I曲線線性范圍大，調(diào)制時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小。LD的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過(guò)300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，