半导体光电子学第五章第九章

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1、第五章 半导体激光器的性能 LD的性能分为:在直流偏置下的稳态（或静态）特性；在调制情况下的瞬态（动态）特性。静态：阈值特性，量子转换效率，输出线性，光谱特性（模式和谱线宽度），近场和远场（光束发散角），短期和长期稳定性（退化和寿命）等。动态：调制带宽，调制畸变，自脉冲等等。 5.1 LD的阈值特性5.2 LD的效率5.3 LD的远场特性5.4 LD的模式特性5.5 LD的光谱线宽5.6 LD的瞬态特性5.7 LD的退化和失效5.1 LD的阈值特性激光器阈值的特点.Jth和Jt 的区别？一、半导体激光器结构对 其阈值的影响条形激光器：阈 值电流和阈值电 流密度 侧向增益波导和 侧向折射率波导二

2、、LD的几何尺寸（有源区d，w，l）对阈值电流 密度的影响1. 与有源层厚度d的关系有源层厚度对阈值电流的影响来自于在垂直于结平面的方向上异质结对注入的载流子和光场的限制能力。我们知道 在单异质结中d小于电子扩散长度，由于存在一个同异质结，弱波导，不能太小。在双异质结中，d可以很小，但d过小，光场在有源区外的非增益区的损耗会增加，即限制因子下降。 名义电流：d=1m时，有源区内全部用来产生辐射复合所需要 的电流密度 2. Jth与有源层宽 度的关系3. Jth与腔长的关系 腔长为什么 不能太小？三、温度对阈值电流的影响T0为一个表征半导体激 光器温度稳定性的重要 参数称为特征温度，T0 与材料

3、和结构相关，由 式看出T0越高LD的温度 稳定性越高，T0趋于无 穷则Jth不随温度而变化GaAlAs/GaAs特征温度120-180 InGaAsP/InP T0=65K 四、阈值特性关系小结1、低维量子材料2、增益介质3、侧向折射率波导作业: 教材181页第1、2题另：1、半导体激光器的性能可以分为哪两种？各包含哪些具 体的特性？2、半导体激光器的阈值特性有哪些特点？实际测量中如 何获得准确的阈值？3、为什么侧向增益波导条形激光器的阈值电流密度要高 于折射率条形激光器？4、对于条形激光器，条宽减少引起阈值电流密度增加的 因素有哪些?5、具体地说，半导体激光器的阈值特性与哪些因素相关 ？5.

4、2 半导体激光器的效率 1. 功率效率 LD等效电路 功率效率：表征加在LD上的电能（或电功率）转换为 输出的光能（或光功率）的效率。 提高此功率效率的方法是减小串联电阻 2.内量子效率 3. 外量子效率 4. 外微分量子效率 是P-I曲线在阈值以上线性部分的斜率（斜率效率， 斜效率），可以用它很直观的比较不同激光器之间 效率的差别。 PI0斜效率作业:1、名词解释：功率效率、內量子效率、外量子效率、外微分量子效率2、写出外微分量子效率的表达式，并指出哪些具体措施能提 高半导体激光器的微分量子效率。5.3 半导体激光器的远场特性 LD输出光场分近场与远场。近场分布是指光强在解理面上或解理面一个

5、光波长范围内的分布（与横模 ，侧模有关）。远场是指距输出这常常与光束的发 散角相联系。腔面一个波长以外的的光束在空间上 的分布。LD的许多应用都要求远场有圆对称的光斑，便于用 透镜系统聚焦成小光点，便于与光纤高效耦合。光 信息处理中，提高存储密度也希望发散角小。而通 常的半导体LD的发散角不对称。 30-40 10-20 一、 定义为I（）/I（0）=1/2的角度二、 三波导结构对远场特性的影响 作业:教材181页第4题1、针对半导体激光器的许多应用，对半导体激光器的光场有 什么要求？2、名词解释：半导体激光器的近场分布、半导体激光器的远场分布5.4 半导体LD的模式特性激光器中的光场模式分为

6、横 电（TE）和横磁(TM)模两组 。每组模式对应着电（或磁 ）场在垂直于LD结平面方向 （横向）平行于结平面（侧 向）和传播方向（纵向）的 稳定驻波形式。分别称为横 模，侧模和纵模，并分别用 模指数，m，s和q来表示这 三种模式数 通信系统：高速调 制下仍能单纵模。 光纤耦合：单横模 和单侧模基横模的条件是有源层厚度最高的侧向模式数纵模模谱包括：1.由谐振条件所决定的振荡波长或频率2.各个模之间强度（或频率）分布 一、纵模模谱自发发射因子：定义为进入每一腔模的自发发射 速率与总的自发发射速率之比二、影响纵模谱的因素1. 自发发射因子对模谱的影响半导体材料的自发发射因子较大，一般为10-4，这

7、远比气体 或固体激光器的自发发射因子（约10-9）大得多，这也是为 什么半导体激光器的光谱宽度比一般气体和固体激光器宽得 多的原因 。2. 模谱与注入电流的关系模式竞争3. 腔长对模谱的影响 三、 激光器的单纵模工作条件中心模q=0，q阶模的饱和光子密度 用减少次模的饱和功率来实现单纵模（单频）工作，需要减少 自发发射因子和腔长，增加腔面的反射率和采取侧向折射率波 导结构（k=1）。 12.8dB 四、“空间烧洞”效应对单模功率的限制 五、温度对模谱的影响 六、单纵模激光器 1.采用对主模选择反馈放大，从而提高边模抑制比 ，如采用DFB、DBR激光器，也可采用外光栅对主模的 反馈加强，还可以用

8、外反射镜来减少次模的饱和输出 功率和提高主模的饱和输出功率。 2.短腔激光器 3.用侧向折射率波导和其它提高侧向光限制能力的 波导结构，以提高光场限制因子，减少自发发射因子 ，如埋层异质结激光器，一般有比较好的单模特性 。作业:教材181页第5，6题1、在大容量、单模光纤通信系统中，对半导体激光器的输出 模式有什么要求？为什么？2、名词解释：自发发射因子、空间烧洞3、为得到单纵模激光器输出，通常采用哪些手段？5.5 半导体激光器的光谱线宽 光谱线宽：定义为光谱曲线半峰处的全宽。 （Full Width at Half-MaximumFWHM） 由于有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化 增加

9、了激光输出中相位的随机起伏。跃迁发生在能带之间，增益谱宽。自发发射因子大得多（10-4对10-9）对。减少模式和压窄线宽的措施是一样的。线宽主要来源于相位的随机起伏。然而与固体、气 体激光器不同，半导体LD中激光跃迁不是发生在两 个分立的能级之间，而是发生在两个能带之间。肖洛-汤斯线宽相位噪声导致的线宽：半导体激光器的线宽与输出功率无关的线宽原因：见教材。作业:教材181页第7题1、名词解释：光谱线宽2、造成与功率无关的线宽原因是什么？5.6 半导体激光器的瞬态特性 半导体激光器是电子与光子相互作用并能进 行能量直接转换的器件。但当在激光器上施加 瞬变的阶跃函数电注入时，在激光器内部将产 生一

10、些与稳态时所不同的物理过程，如光子对 注入载流子响应延迟，张驰（或松弛）振荡和 自持脉冲振荡等。这些瞬态过程将对LD的调制 特性产生重要影响。 高速调制对半导体激光器性能提出了严格的要求：1、对输入的电信号不能产生调制畸变。2、不因直接调制而使LD光谱明显加宽。3、要求光源有窄的谱线宽度。4、不产生自持脉冲。瞬态响应的物理模型 5.7 半导体激光器的退化和失效 整个半导体激光器的发展历史也是一个不断提高其可靠性的过程12分钟数十万小时对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料，有源区与限制

11、层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素的综合效果。 半导体激光器的工作方式 （1）在阈值以上某一个连续输出功率下工作。（2）将激光器偏置在接近阈值（例如0.9Ith），然后在 其上叠加电信号调制。（3）无直流电流偏置下的直接电流调制。热阻rT是重要参数：减少它的有效方法是提高热沉的 散热效果，一般使用无氧铜，倒装，良好的欧姆接触 和熔焊接触。 通常认为LD输出功率下降到其额定功率值的一半时 所经历的工作时间称为寿命 。1.腔面损伤：反射率下降，非辐射复合增加，电流增 加，功率密度更大，失效，可以从输出下降和两个腔 面不对称判断损伤。增透膜、和保护膜。 2.

12、 LD退化的内部因素半导体激光器的退化三、欧姆接触的退化 金属电极接触层与半导体之间保持很小的和线性的接 触电阻对任何LD都是所必需的，这不仅是为了提高效 率，是阻止产生热量，影响器件稳定性和长期工作的 可靠性，使用合适的电极材料和较高的半导体掺杂浓 度，这种退化一般不常发生。 四、温度对LD退化的影响，高温老化实验 作业:教材181页第12题1、高速调制对半导体激光器性能提出了哪些严格的要求？2、名词解释：半导体激光器的寿命3、通常，半导体激光器的工作方式有哪几种？第九章 半导体中的光吸收和光探测 光子-电子转换器件，如光探测器半导体对光的吸收机构大致可分为：本征吸收； 激子吸收；晶格振动吸

13、收；杂质吸收；自由载 流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种：价电子；内 壳层电子；自由电子；杂质或缺陷中的束缚电子 ，本征吸收4、直接带隙半导体材料的吸 收边更陡。讨论：特殊 的直接跃迁 （Ge）。1、半导体中对光的吸收可以分为哪几种？参与光跃 迁的电子涉及到哪些？ 2、什么是本征吸收？直接带隙半导体材料和间接带 隙半导体材料的吸收曲线有什么差异？作业:教材268页第3题1、什么叫激子？什么叫激子吸收 ？ 2、什么叫半导体中的自由载流子 ？什么叫自由载流子吸收？ 3、什么叫杂质吸收？它和激子吸 收有什么区别？在半导体中发生杂 质吸收有哪几种情况？9.3 半导体光电探测器的材料和性能参数

14、一、常用的半导体光电探测器材料 半导体光电探测器材料的基本要求是希望对所探测的入射光在半导体材料内部能引起大的受激吸收速率，因此直接带隙材料是最理想的。但有些间接带隙跃迁材料对一定波长范围的入射光也能产生明显的吸收，含有异质结的光电探测器，异质结材料的晶格常数匹配是应该讨论的。 Si、Ge、GaAs、InGaAsP是 几种光纤通信中常用的探测 器材料。在波长1.0um时，Ge是可供选 择的材料。 -族化合物半导体光探测 器是适合于在1.3um和1.55um 波段的光纤通信系统中使用 的，同时还可以调整组分， 使吸收边正好处在工作波段 之外。二、半导体光电探测器的性能参数 1. 量子效率和响应度

15、 响应度R：定义为单位入射光功率作用到探测器上后在 外电路中产生的光电流的大小，2. 暗电流和噪声 散粒噪声3. 响应速度 是探测器的响应时间 高频响应特性可以用带宽来表示 光生非平衡载流子输送到探测器外部电路这一过程的几个时 间常数： 1、越过pn结的非平衡载流子的扩散时间。 2、载流子的漂移时间。 3、光电等效电路的RC时间常数。半导体光探测器的高频响应带宽或截止频率的定义：在固 定输入功率下，探测器锁探测的光电流下降到直流或低频 值一般时所对应的频率，即常称的3dB响应带宽。在光纤通信中要求半导体光探测器对入射的高速调制光信号能产生快速响应（光-电），有利于提高通信速 度，降低误码率，要

16、提高响应速度就需减少耗尽层电容 ，这意味着大面积的探测器探测高频调制信号不好用。 加大耗尽层宽度可减少结电容，同时可提高量子效率， 但却增加了载流子的渡越时间，所以吸收区的厚度要兼顾量子效率和响应速度，减小面积来减少结电容的同时 还要考虑小面积与光纤耦合的问题。在设计时需要综合考虑4. 探测器灵敏度1、半导体材料的材料参数对半导体光电探测器的的性 能有哪些影响？ 2、什么是半导体光电探测器的量子效率和响应度？ 3、在光电探测器中，暗电流的产生机制有哪些？ 4、什么是光电探测器的响应带宽？如何提高其响应带 宽？9.4 无内部倍增的半导体光电探测器一、半导体中的光电效应1. 外光电效应：电子溢出体外，制造各种阴极管、光电倍增 管，半导体光电阴极2. 内光电效应：光电导效应、光生伏特效应。二、光电二极管光生伏特效应：pn结形成 内建电场方向n到p 在n区和p区分别积累电子和空穴，形成光生电动势，方 向p到n，饱和时NP空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层X XN NX XP PEE太阳能电池的工作原理。 原理？为什么不适合