半导体激光器原理及应用

半导体激光器原理及应用姓名：徐钦锋学号：20164208084半导体激光器工作原理1半导体激光器的主要性能2密集波分复用半导体激光器3半导体激光器的应用4目录CONTENTS自发辐射与受激辐射（a）自发辐射：特点：独立、杂乱无章的非相干光、寿命取决于半导体禁带宽度及复合中心密度等，一般为10-9~10-3量级（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子相同。（c）受激吸收：原子接收辐射能从基态能级E1越入受激能级E2。产生激光的必要条件：受激辐射占主导地位12EEhvhh自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。受激辐射激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射E1E2hvE1E2hvhv受激辐射示意图粒子数反转在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数和统计权重。由于E2E1，T0，故N1N2，即高能态上的粒子总少于低能态上的粒子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势。采用适当的激励，破坏热平衡状态，使高能态粒子数多于低能态粒子数，即为粒子束反转。半导体激光器通过光激励或正向PN结注入等，来实现载流子的粒子束反转。])(exp[121212kTEEggNN谐振腔为使发射光具有激光的特点，必须使其产生谐振。能使光产生共振的装置即为谐振腔。只有与轴线平行的辐射光子产生共振现象而被增强，不在这个方向上的将被反射出腔外。两相反方向的光波，只有叠加形成驻波时，才能形成稳定的振荡。驻波条件：纵模：共振腔内沿腔轴方向形成的各种可能的驻波称为谐振腔的纵模)2(nmL激光器稳定工作的条件法布里-珀罗光学谐振腔0int210)2exp()exp()exp(EKLiLRRgLE)1ln(2121intRRLgmKL22nLmcvvm2/稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度E0保持不变，有：g为功率增益系数，L为腔长，K=nw/c为平面波的波数，αint为腔内总损耗率将等式两边的振幅和相位分别相等，得：两个公式前者规定了增益和电流的最小值，后者规定激光器的振荡频率——纵向模式，其与光学谐振腔有关激光器稳定工作条件激光器纵模分布及增益曲线激光束的锁模：锁模技术就是采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系，即各纵模相邻频率间隔相等。在一般谐振腔内，处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围内的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射由许多纵模间隔为C/2L的谱线组成。这些模彼此互不相关地进行振荡，其相位随机地分布在一π到十π之间。其时域输出特征类似热噪声。但是，如果迫使振荡模彼此之间的相位关系保持固定，那么激光输出将以完全确定的形式变化。此时，我们说激光是锁模或锁相的。锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。锁模的分类：主动锁模：周期性调制谐振腔的损耗或光程n被动锁模：利用可饱和吸收体的非线性吸收特性，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的自锁模：激活介质本身的非线性效应能够保持各个纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系同步泵浦锁模：周期性调制谐振腔的增益半导体激光器的模谱半导体激光器在不同工作电流下的模谱观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移半导体激光器的特性转换效率高：70%。体积小：1mm3寿命长，可达数十万小时输出波长范围广：0.6-1.1um，2~3um。易调制：直接调制缺点：发散角大，光束质量差。阈值特性阈值是所有激光器的属性，标志着增益与损耗的平衡点。阈值常用电流密度Jth或者电流I表示。影响激光器阈值特性的主要因素：1）器件结构2）有源区材料3）器件工作温度有源区材料的影响：有源区的材料必须选用直接带隙材料，材料的组分变化将会引起直接带隙和间接带隙跃迁的比率发生变化，从而改变辐射频率的波长。故：可通过薄膜生长工艺获得不同的有缘材料温度的影响温度变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅度因材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：Jth（T）和Jth（Tr）分别为在某一温度T和室温Tr下所测得阈值电流密度，T0是一个由实验拟合的参数，称为特征温度。容易看出，当时，阈值电流将不随温度变化，故提高T0是一个重要的研究内容。阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素：1）增益系数2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的内部损耗3）热载流子的泄露)/)exp(()()(0TTTTJTJtrthth0T半导体激光器的效率描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。分别用功率效率和外微分量子效率描述。1）功率效率sgexsprIeIEPrI22ex)/(IVP激光器所消耗的电功率激光器所发射的光功率外微分量子效率外微分量子效率定义为输出光子数随注入的电子数增加的比率，考虑到hv=Eg=eVb,有而其中的定义为斜率效率：在实际测量中，由下式得出bDVdIdPedIhvdP1//bthexsVIIP)()/(dIdPss1212IIPPs半导体激光器的空间模式分为空间模和纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某处的光强分布，亦称为远场分布。有横模和侧模之分。纵模是一种频谱，表示所发射的光束功率在不同频率分量上的分布。半导体激光器横模与侧模有多侧模的半导体激光器的近场和远场纵模谱的影响因素可见，若要选频，就要控制温度，要稳定功率输出，也要选择恒温控制半导体激光器的光束发散角理想的高斯场分布半导体激光器的远场并非严格的高斯光束，有较大的且在横向和侧向不对称光束发散角。由于半导体激光器有缘层较薄，因而在横向有较大的发散角ө221222122)/(2.1/)(05.41/)(05.4dnndnn式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度；n1为限制层的折射率；λ为激射波长半导体激光器的光束发散角显然，当d很小时，可忽略上式分母中的第二项，有可见，ө随d的增加而增加dnn)(05.42122半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直高斯光速的准直利用自聚焦透镜准直半导体激光束激光器的单纵模工作条件)/(110qsatoqPPPP)1/log(*10110PPPPosat第q阶模与主模功率之比为：要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使激光器单模工作。以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边模抑制比可以得出，激光器单纵模工作时，应使P0超过P1sat至少12.8dB。半导体激光器的线宽表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm左右，在阈值以上的谱线宽度大约在2—3nm或更小。半导体激光器的线宽比其他类型的激光器宽很多，主要有以下原因：1）LD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q值低；2）有源区内载流子密度的变化引起折射率变化，增加了激光输出相位的随机起伏半导体激光器的线宽上面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响半导体激光器的动态特性半导体激光器有别于其它激光器的最重要特点之一在于它有被交变信号直接调制的能力，这在信息技术中具有重要的意义。与工作在直流状况的半导体激光器不同，在直接高速调制情况下会出现一些有害的效应，成为限制半导体激光器调制带宽能力的主要因素。一、张弛振荡与类谐振现象数字信息（以0或1编码）直接调制的半导体激光器，如果电流突然上升到高电平，在电流脉冲前沿与被其激励的光之间会有一个时延，所产出的光需经一个张弛过程才能达到稳态。半导体激光器的动态特性由电子与光子相互作用的动力学过程所产生的时延，可通过求解他们的速率方程得到：式中，τth为在阈值处的载流子寿命（一般为2~5ns）。显然，在高速调制下，td将产生调制畸变。减少td最简单的方法是在激光器上再加上一个接近阈值电流Ith的偏流Ib，这时有这使这个过度过程开始的突变幅度减小。但是，如果偏置到阈值或阈值以上，消光比减小，导致接收机灵敏度降低。故在低速调制下，一般偏置到0.94Ith左右。ththdIIItln)(lnbththdIIIIt半导体激光器的动态特性半导体激光器的动态特性加于半导体激光器上的调制电流会引起谐振现象，调制频率达到某一值时出现谐振峰，这使调制频率的提高受到限制。归一化输出与调制频率的关系半导体激光器的动态特性张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率，为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制多纵模的出现。2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。3）窄条半导体激光器。条宽减窄能减少载流子扩散的影响，稳定横模，也能抑制张弛振荡和类谐振现象。寄生电容和电感半导体激光器等效电路图中是一个π型低通滤波LCR电路与LD的等效电路并联。其中C1和rs分别是半导体激光器的寄生电容（1pF）和串联电阻（一般为数欧姆，在正向偏置下有源区的电阻1欧姆），L1为引线电感Cs为旁路电容，选择并控制Cs和L1可明显抑制类谐振现象。半导体激光器的热特性引发机制：在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使外微分量子效率只能达到20％~30％，意味着相当部分注入的电功率转换为了热量，引起激光器的升温。这会导致LD的阈值电流增大、发射波长红移、模式不稳定、增加内部缺陷，严重影响器件的寿命。解决办法：1）加风扇或者冷水循环降温；2）使用帕尔贴半导体制冷器。半导体激光器的可靠性半导体激光器都有工作寿命，工作寿命有两种定义方式：1）激光器在额定工作电流下连续工作，当其输出功率下降到初始值一半所经历的时间。（恒流）2）激光器在额定功率下连续工作，当其阈值电流比初始值升高一倍所经历的时间。（恒功率）上述两种方式下激光器寿命的延续过程是一种性能退化过程，最终导致其失效。造成激光器退化有多种原因，有环境因素，人为的因素，根本原因还是激光器本身内部的因素。二、半导体激光器1962年，美国，同质结GaAs半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。1967年，液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作。1970年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。70年代以后。量子阱技术、MBE、MOCVD新型外延技术---量子阱激光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。3.1同质结半导体中的光增益激光二极管采用注入电流直接驱动。pn结加正向电压，空穴将会向n型区移动，电子向p型区移动。在pn结处，电子和空学复合，产生光电子。注入的电荷密度1018~1019cm-3，产生的光子就会大于损失的光子。早期激光二极管采用的是GaAs同质结结构。有源层的厚度由扩散长度决定，一般为2μm。异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，提高效率。一.异质结激光器的结构A.单异质结激光器与双异质结激光器（从