半导体光电器件第4章

1第第第第4444章章章章半导体激光二极管半导体激光二极管半导体激光二极管半导体激光二极管2主要内容4.34.34.34.3半导体激光器的基本结构4.44.44.44.4半导体激光器的工作特性4.24.24.24.2半导体激光器的工作原理4.54.54.54.5半导体激光器的特点及应用4.14.14.14.1背景介绍31916191619161916年，爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。。。。1958195819581958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。。。。4.14.14.14.1背景介绍4这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。。。。此后，半导体激光器、、、、染料激光器、、、、自由电子激光器相继出现。。。。特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。。。。1962196219621962年，HeHeHeHe－NeNeNeNe气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。。。。1960196019601960年，美国人梅曼(T.H.(T.H.(T.H.(T.H.MaimanMaimanMaimanMaiman))))发明了世界上第一台红宝石激光器。。。。MaimanMaimanMaimanMaiman5LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation表示““““受激辐射的光放大””””1964196419641964年10101010月，物理学家钱学森建议称之为--------------------激光半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD(LaserDiode)LD(LaserDiode)LD(LaserDiode)LD(LaserDiode)，是实用中最重要的一类激光器。64.24.24.24.2半导体激光器的工作原理7工作物质：实现粒子数反转激励源：提供强电流注入谐振腔：光放大与选频半导体激光器的结构示意图81.1.1.1.粒子数反转产生大量的受激辐射激光器产生激光的三个基本条件：2.2.2.2.一个起正反馈、、、、谐振和输出作用的光学谐振腔通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，产生足够多的电子----空穴对，导致粒子数分布发生反转....形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射。。。。3.3.3.3.满足光振荡的阈值条件为了形成稳定振荡，激光介质必须能提供足够大的增益，使光增益等于或大于各种损耗之和。。。。这就要求足够强的电流注入，必须满足一定的电流阈值条件。。。。9如何得到粒子数反转分布的状态????1.1.1.1.粒子数分布反转粒子数分布反转粒子数分布反转粒子数分布反转受激发射的必要条件分布反转光辐射光吸收能引起粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质10PN能带正向电压V时形成的双简并能带结构pn11弱取决于外界泵作用的强能量间隔pFnFEEhEEEgpFnF为了使粒子数反转分布条件易于实现，半导体激光器通常是重掺杂的。。。。。。。。所加的正向偏压必须满足eEeEEVgpFnF受激发射的条件是：(4-2)(4-2)(4-2)(4-2)(4-1)(4-1)(4-1)(4-1)12正向偏压使pnpnpnpn结形成一个增益区：----导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转。粒子数反转。粒子数反转。粒子数反转。pn外加电场注入载流子粒子数反转载流子复合发光hv13粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。。。。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。。。。2.2.2.2.谐振腔与光反馈谐振腔与光反馈谐振腔与光反馈谐振腔与光反馈基本的光学谐振腔由两个面对面的平行反射镜构成，并被称为法布里----珀罗((((FabryFabryFabryFabryPerot,F-P)Perot,F-P)Perot,F-P)Perot,F-P)谐振腔。。。。由半导体晶体的自然解理面构成平行平面腔。。。。14特征：（1111）谐振腔与PNPNPNPN结垂直（2222）出光面是一对互相平行的镜面15①将工作物质置于光学谐振腔(F-P(F-P(F-P(F-P腔))))②少数载流子的自发辐射产生光子a.a.a.a.偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大b.b.b.b.沿腔轴向传播的光子，并引起其它““““电子－空穴””””对的受激辐射，产生更多的性能相同的光子((((方向选择方向选择方向选择方向选择))))③通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里－珀罗(F-P)(F-P)(F-P)(F-P)谐振腔R1R216光在谐振腔内传播，包括：1.1.1.1.增益介质的光放大2.2.2.2.损耗：A)A)A)A)工作物质的吸收B)B)B)B)介质不均匀引起的散射C)C)C)C)端面反射镜的透射及散射3.3.3.3.阈值条件与选频阈值条件与选频阈值条件与选频阈值条件与选频阈值增益与阈值电流幅度条件：增益能克服损耗相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致17gx0eI)x(Ix)g(0eI)x(I光的增益可以表示为：光强为IIII0000的光在半导体中传播一段距离xxxx后，其光强会因介质的光吸收而下降为I(xI(xI(xI(x))))：x0eI)x(I将两式结合起来，则半导体中任何一点的光强可以表示为：(4-3)(4-3)(4-3)(4-3)(4-4)(4-4)(4-4)(4-4)(4-5)(4-5)(4-5)(4-5)18MMMM1111(R(R(R(R1111,T,T,T,T1111))))MMMM2222(R(R(R(R2222,T,T,T,T2222))))LLLLIIII1111反射率分别为RRRR1111、、、、RRRR2222，透射率分别为TTTT1111、、、、TTTT2222)L-(g12eII)L-(g12223eIRIRI)L-2(g12)L-(g34eeIRII)L-2(g121415eIRRIRI22IT31ITLgeRRII)(22115光在谐振腔内振荡一次的光强表达式为：(4-6)(4-6)(4-6)(4-6)19如果来回反射一次之后的光强维持不变，即IIII5555=I=I=I=I1111，则可得增益阈值：21ithRR1lnL21gααααiiii为内部损耗系数，RRRR1111、、、、RRRR2222分别为腔面的反射系数，LLLL为F-PF-PF-PF-P腔长。。。。达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。。。。(4-7)(4-7)(4-7)(4-7)总增益内部损耗端面损耗+总损耗增益系数gggg同注入到半导体中的电流密度JJJJ的关系为：g=g=g=g=ββββJJJJmmmmβ为增益因子，mmmm为常数。。。。20光在谐振腔两端来回反射要产生干涉，由驻波条件知往返光程2mmnL((((mmmm=1=1=1=1、、、、2222、、、、3333、、、、…………．))))mmmm————驻波的波腹数LLLLmmmm=1=1=1=1mmmm=2=2=2=2mmmm=3=3=3=3nnnn————谐振腔内工作物质的折射率谐振腔的谐振频率为nLcmcmm2光学谐振腔的选频cccc————真空光速vc/(4-8)(4-8)(4-8)(4-8)(4-9)(4-9)(4-9)(4-9)21分别对(4-8)(4-8)(4-8)(4-8)式和(4-9)(4-9)(4-9)(4-9)式微分，可得相邻两个谐振的波长差和频率差。。。。nL21nL2mnL22mm2nLcnLmcmm22(4-10)(4-10)(4-10)(4-10)(4-11)(4-11)(4-11)(4-11)从激光器输出的频率个数NNNN((((即纵模数))))，由激活介质的频宽ΔΔΔΔvvvv和纵模间隔ΔΔΔΔvvvvmmmm的比值决定，即：mN/(4-12)(4-12)(4-12)(4-12)22在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模。。。。1111）纵模沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的光振动（驻波）称为一个纵模。。。。增益线宽23式子和光谱图表明：实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间的波长间隔，使大于增益线宽。。。。Lnc22增益线宽242222）横模激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。。。。每个纵模都存在多个横模：1)1)1)1)与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2)2)2)2)工作物质的色散、、、、散射效应及腔内光束的衍射效应等等某些激光横模的光强分布抑制横模的数量----增加输出光的亮度、、、、减小发散角IIIIxyyyyIIII00000000IIIIyyyyIIIIx10101010yyyyIIIIIIIIx11111111251)1)1)1)使激光具有极好的方向性（沿轴线）2)2)2)2)提供光的正反馈，实现光的受激辐射放大。。。。3)3)3)3)使激光具有极好的单色性（选频）光学谐振腔的作用：264.34.34.34.3半导体激光器的基本结构271962196219621962同质结半导体激光器特点：阈值电流密度高达101010104444A/cmA/cmA/cmA/cm2222,,,,液氮温度下工作1967196719671967液相外延法((((LPE)GaAlAs/GaAsLPE)GaAlAs/GaAsLPE)GaAlAs/GaAsLPE)GaAlAs/GaAs单异质结激光器（特点：阈值电流密度高达5.65.65.65.6××××101010103333A/cmA/cmA/cmA/cm2222,,,,室温下脉冲工作))))1970197019701970半导体双异质结激光器（特点：阈值电流密度101010102222A/cmA/cmA/cmA/cm2222,,,,室温下连续工作))))半导器激光器结构的发展：目前，量子阱激光器。。。。。。。。。。。。28半导器激光器材料的发展：•三维同质•异质结构材料•二维量子阱材料•一维量子线材料•零维量子点材料现有激光器材料目前GaNGaNGaNGaN基----------------实现了绿光--------蓝光--------紫光激光器29半导体激光器结构分类图30一、、、、法布里----珀罗(F-P)(F-P)(F-P)(F-P)腔激光二极管31三种结构激光器的阈值电流32F-PF-PF-PF-P腔双异质结激光器管芯结构简图xyz纵向33双异质结激光器在室温下光输出功率不够大，主要是受发光面面积的限制，如果激光输出为几毫瓦，则发光处的光能密度可高达101010106666／cmcmcmcm2222，这一能量密度相当于太阳表面上的能量密度。。。。垂直于腔平面方向上大光腔（LOCLOCLOCLOC）激光二极管分离限制（SCHSCHSCHSCH）激光二极管在yyyy方向上没有任何侧向载流子限制和光波导引结构的称为宽接触半导体激光器。。。。平行于腔平面方向上增益导引型折射率导引型条形激光二极管34三种激光器的剖面结构和对应的折射率分布35大光腔(largeopticalcavity(largeopticalcavity(largeopticalcav