第2章-半导体发光材料及器件-LD

第2章半导体发光材料及器件-LD光电子材料与器件半导体激光器(Laserdiode)半导体激光器(laserdiode)1.激光：英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射放大光)的缩写。2.半导体激光器（LD）：又名激光二极管（LaserDiode），是以半导体材料作为工作物质的激光器，是实际应用中最重要的一类激光器。3.特点：超小型、高效率、寿命长、结构简单、价格便宜；采用注入电流的方式泵浦；工作电压电流与集成电路兼容，可与之单片集成。4.应用：在光纤通信、激光唱片、光存储、全息照相、数码显示，激光打印，激光测距、医疗军事等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算等新领域也将发挥重要的作用。1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。2.自发辐射与受激辐射：导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为受激辐射。半导体激光器历史和发展1917年，爱因斯坦提出“受激辐射”的概念；1954年，微波量子放大器出现；1960年，红宝石激光器；1962年，GaAs激光器，77K的温度下，脉冲输出；1970年，半导体激光器的室温下连续输出；波长范围履盖了可见光到长波红外，寿命百万小时，室温下连续工作，输出功率由几毫瓦到千瓦级。半导体激光器的基本原理电子能导带跃迁进入价带，典型的情况是从导带底跃迁进入价带顶。费米-狄拉克统计规律：导带电子优先占据能量低的能级；价带电子优先占据能量低的能级，等同于价带空穴优先占据能量高的能级。缺点:激光性能受温度影响大；光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)。准直器（两个半柱透镜）半导体激光器的特点优点：结构简单；电流泵浦，功率转换效率高(最大可达50%)，便于调制；半导体激光器的特点产生激光的4个条件：合适的工作物质例如：氦氖激光器-氖原子红宝石激光器-CrO3泵浦（气体放电-光泵浦）粒子数反转（能级、热平衡）在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。谐振腔半导体激光器的一般构成LD的通用结构构成部分：1.有源区有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。2.光反馈装置在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。3.频率选择元件用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。4.光波导用于对所产生的光波在器件内部进行引导。有源区频率选择元件光波导光反馈装置输出光LD的结构：简并型半导体、费米能级与PN结半导体激光器的工作原理简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导体。简并参杂半导体pn结的能带结构图半导体激光器的工作原理粒子数反转：当加在PN结上的正向电压超过某一值（eVEg）后，PN结的某段区域中导带底的电子数大于价带顶电子数，出现粒子数反转。该区域称为增益区(有源区)。半导体激光器的工作原理粒子数反转的理解：外电场、电子和空穴的注入、扩散、复合。在PN结的某段区域，自由电子、空穴的浓度同时增大（电子占据导带的概率提高，占据价带的概率减小）。当电流增加到某个值时，自由电子、空穴的浓度足够大，实现粒子数反转。半导体激光器的工作原理简并半导体形成的PN结，在热平衡时，N区导带底被电子占据的概率P区价带顶被电子占据的概率N区和P区被耗尽层分割，N区自由电子不能进入P区复合。当正偏时，外加加压减小了耗尽层厚度，当外加电压为Eg时，耗尽层消失，P区和N区接触。半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理GaAs的禁带宽度：1.42eV普朗克常数=6.626068×10-34m2kg/se=1.6021892×10-19C半导体激光器的工作原理常用半导体材料的禁带宽度：Ge、Si、GaAs0.66eV、1.12eV、1.42eV半导体激光器的材料P－N结的厚度仅几十微米；谐振腔一般是直接利用垂直于P－N结的两个端面（解理面）GaAs的折射率n＝3.6，反射率0.32，另一面镀全反射膜。法布里-珀罗腔，简记为F-P腔半导体激光器的工作原理•F-P腔：平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。又称为法布里-珀罗干涉仪，简记为F-P腔。半导体激光器的工作原理半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布.半导体激光器的工作原理初始的光场来源于导带电子的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。半导体激光器的工作原理这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出。半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性光学特性：一.光谱：峰值波长、光谱宽度、波长温度系数二.模式：纵模（频率）横模（与谐振腔垂直的平面上光场的分布）半导体激光器的工作原理纵模的性质：纵模数随注入电流而变，电流越高，模数约少（主模增益增加。边模增益减少）；峰值波长随温度变化动态谱线展宽（注入电流变化、载流子浓度改变、有源区折射率改变）半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性三.发光面积、发散角激光在输出镜上的面积；垂直于PN结的发散角大，几十度（快轴）平行于PN结的发散角小，几度（慢轴）四.光功率半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性五、偏振：TE：电场的振动方向平行于有源层（横电场）TM：电场振动方向垂直于有源层（横磁场）TE模更容易产生，特别是光功率较小时。半导体激光器的特性电学特性：五.工作电压：2~3V左右半导体激光器的电源是恒压源还是恒流源？六.阈值电流七.PI特性八.调制带宽半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性PI特性半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性LD的远场特性几种典型的LD•1.同质结半导体激光器最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度0.1微米）P型和N型限制层构成。同质结LD双异质结半导体激光器有效降低阈值电流，一方面要对载流子进行限制，即将注入的载流子限制在结附近的极小区域内，这样可以以较小的注入电流实现粒子数反转所需要的载流子浓度；另一方面，也需要一定的波导结构将光子限定在有源区附近，这可以增加光子密度，提高受激辐射的概率。利用双异质结结构的半导体激光器可以同时实现对载流子和光子的限制。半导体双异质结是窄带隙的半导体有源层夹在宽带隙的半导体材料之间形成的结构。由于宽带隙的半导体材料相比于窄带隙的半导体材料具有更低的折射率，这就使得该结构相当于二维层状介质波导，因此可以在垂直于结平面方向上同时有效地限制载流子和光子。异质结半导体激光器为了获得较高的势垒要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。双异质结半导体激光器p-GaAs(a)n-AlGaAsp-AlGaAsEcEv导带电子价带空穴2eV2eV1.4eV(b)折射率(c)光场分布2xy)1(aayx2xy~5%n-+(d)双异质结半导体激光器由于p-p异质结和p-n异质结对注入有源层的电子和空穴分别存在势垒，阻止电子和空穴的继续漂移，电子和空穴因此在有源层大量聚集，形成粒子数反转。另外，GaAs相比于AlGaAs具有更高的折射率，因此形成二维介质波导将光子约束在有源层中，从而降低了光子的损耗，提高了光子密度。1、谐振腔对激光频率的约束：nL=(λ/2)Kλ=2nL/K(K=1,2,3…..)f=ck/2nL(K=1,2,3)Δf=c/2nL分布反馈及分布布拉格半导体激光器分布反馈式LD分布反馈及分布布拉格半导体激光器2、法布里-珀罗（F-P）半导体激光器的缺点：腔长一般为数百个微米，难以实现单纵模输出。满足不了光纤通信的需要（单模光纤）分布反馈激光二极管3、DFB-LD的谐振：沿有源层长度方向的折射率周期性变化（波纹状）的Bragg光栅。分布布拉格半导体激光器1.4半导体激光器(laserdiode)1.4.3、分布反馈激光二极管4、分布反馈原理：分布反馈激光二极管光沿有源层传播时，一部分在光栅波纹峰反射（折射率不同），另一部分透射。如果邻近的反射光具有相同的相位，则叠加增强。分布反馈激光二极管反射光同相相加条件：2nL=mλL：栅距分布反馈激光二极管5、分布反馈式激光器的优点：单纵模输出；谱线窄；动态特性好；线性好。分布反馈激光二极管6、其它类型的半导体激光器：量子阱激光器:QW-LDquantumwelllaser量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（SingleQuantumWell）；由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（MultipleQuantumWell）。效率高、阈值电流小分布反馈激光二极管垂直腔表面发射激光器：VCSEL(VerticalCavitySurfaceEmittingLasers）发光面积大，发散角小。随着激光器功率的不断提高，激光器内部发热量的不断增加，要求提高散热效率、降低单位面积发热功率，在这种情况下就产生面发射激光器。7、激光二极管阵列：单个激光二极管管芯尺寸很小，腔长几百微米，厚度几十微米，宽度几十微米。输出功率一般几十mW.大功率的半导体激光器使用多个二极管排列成阵列，功率可以达到几十、几百W。分布反馈激光二极管二极管阵列条分布反馈激光二极管LD与LED的比较半导体发光二极管与半导体激光器在结构上的根本区别在于：LED没有光学谐振腔，它是以自发辐射的方式发光的，发出的光称为荧光。LD的优点LD的响应速度快，可以用于较高的调制速率；LD的光谱较窄，应用于光纤通信时，光信号在光纤中的色散较小，因而通信容量较大；而LED谱线范围较大一般只用于短距离光纤通信或者显示、照明行业；LD的发散角较小，与光纤耦合时，入纤功率较大；LD输出光功率和效率较高。LD的缺点温度特性差。因为LD的阈值电流依赖于温度，所以其输出功率也依赖于温度。而LED没有阈值电流，故温度特性较好。易损坏，寿命短。LD的损坏主要有三种原因：内部损坏；接线损坏；光学谐振腔损坏。前两种LED与LD共有，而后一种LD独有；LD结构复杂，价格昂贵；LD的P-I特性曲线线性范围小，调制时动态范围小。