半导体激光器【优制材料】

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1、 6.3.1 6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、一、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 受激辐射和受激辐射和粒子粒子数反转分布数反转分布 PNPN结的能带结的能带和和电子分布电子分布 激光振荡和激光振荡和光学光学谐振腔谐振腔 二、半导体激光器二、半导体激光器基本基本结构结构 6.3.2 6.3.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、一、发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 二、二、激光束的空间分布激光束的空间分布 三、三、转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 四、四、 频率特性频率特性 五、五、 温度特性温度特性

2、 6.3.3 6.3.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 一、一、 工作原理工作原理 二、二、DFBDFB激光器的优点激光器的优点 半导体激光器（半导体激光器（Laser Diode Laser Diode 即即LDLD）1高级教学 6.3.1 6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半半导导体体激激光光器器是是向向半半导导体体PNPN结结注注入入电电流流，实实现现粒粒子子数数反反转转分分布布，产产生生受受激激辐辐射射，再再利利用用谐谐振振腔腔的的正正反反馈馈，实现实现光放大光放大而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。 光受激辐射、发出激光必须具备三个光受激辐射、

3、发出激光必须具备三个要素要素：1 1、激活介质激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；经受激后能实现能级之间的跃迁；2 2、能使激活介质产生、能使激活介质产生粒子数反转粒子数反转的泵浦装置；的泵浦装置；3 3、放放置置激激活活介介质质的的谐谐振振腔腔，提提供供光光反反馈馈并并进进行行放放大大，发发出激光。出激光。2高级教学1.1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有有源源器器件件的的物物理理基基础础是是光光和和物物质质相相互互作作用用的的效应效应。 在在物物质质的的原原子子中中，存存在在许许多多能能级级，最最低低能能级级E E1 1称称为为基基态态，能能量量比比基基态态大大的的能

4、能级级E Ei i(i=2, (i=2, 3, 3, 4 4 ) )称称为为激激发发态态。( (热热力力学学平平衡衡状状态态下下，在在较较低低能级上比较高能级上存在较多的电子能级上比较高能级上存在较多的电子) ) 电电子子在在低低能能级级E E1 1的的基基态态和和高高能能级级E E2 2的的激激发发态态之之间间的的跃跃迁迁有有三三种种基基本本方方式式：受受受受激激激激吸吸吸吸收收收收（本本本本征征征征吸吸吸吸收）收）收）收） 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射3高级教学(a) (a) 自发辐射自发辐射h=E2-E1初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E

5、1光子的特点：非相干光光子的特点：非相干光4高级教学h初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(b) (b) 受激辐射受激辐射光子的特点：相干光光子的特点：相干光5高级教学 (c) (c) 受激吸收受激吸收 h终态终态终态终态E2E1初态初态初态初态E2E1 产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位h初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(b) (b) 受激辐射受激辐射6高级教学(1)(1)自发辐射自发辐射 在在高高能能级级E E2 2的的电电子子是是不不稳稳定定的的，即即使使没没有有外外界界的的作作用用， 也也会会自自动动地地跃跃迁迁

6、到到低低能能级级E E1 1上上与与空空穴穴复复合合，释释放放的的能能量量转转换换为为光光子子辐射出去，这种跃迁称为辐射出去，这种跃迁称为自发辐射自发辐射，见图，见图6 615(a)15(a)。 (2)(2)受激辐射受激辐射 在在高高能能级级E E2 2的的电电子子，受受到到入入射射光光的的作作用用，被被迫迫跃跃迁迁到到低低能能级级E E1 1上上与与空空穴穴复复合合，释释放放的的能能量量产产生生光光辐辐射射，这这种种跃跃迁迁称称为为受受激激辐辐射射，见图，见图6 615(b)15(b)。(3)(3)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级在正常状态下，电子处于低能级E1E1，在入射光作

7、用下，它会，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级吸收光子的能量跃迁到高能级E2E2上，这种跃迁称为受激吸收。电上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图6 615(c)15(c)。 7高级教学受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生区别在于是否有外来光子的参与，且产生的光的特点很不相同。的光的特点很不相同。 受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为这种光称为相干光相干光。 自发辐射自发辐射光是由大量不同激发

8、态的电子自发跃迁产生的，其光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为光称为非相干光非相干光。受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受受激激辐辐射射是是受受激激吸吸收收的的逆逆过过程程。电电子子在在E E1 1和和E E2 2两两个个能能级级之之间间跃跃迁迁，吸吸收收的的光光子子能能量量或或辐辐射射的的光光子子能能量量都都要要满满足足波波尔尔条条件件，即即 E E2 2-E-E1 1=h=h式式中中，h=6.628h=6.6281010-34-34J Js

9、s，为为普普朗朗克克常常数数， 为为吸吸收收或或辐辐射射的的光子频率。光子频率。 8高级教学 产产生生受受激激辐辐射射和和产产生生受受激激吸吸收收的的物物质质是是不不同同的的。 设设在在单单位位物物质质中中，处处于于低低能能级级E E1 1和和处处于于高高能能级级E E2 2(E(E2 2EE1 1) )的的原原子子数数分分别别为为N N1 1和和N N2 2。 当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布时，存在下面的分布 式式中中， k=1.381k=1.3811010-23-23J/KJ/K，为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T T为为热热力力学学温温度度。由由于于(E(E2

10、2-E-E1 1)0)0，T0T0，所所以以在在这这种种状状态态下下，总总是是N N1 1NN2 2。 这这是是因因为电子总是首先占据低能量的轨道。为电子总是首先占据低能量的轨道。9高级教学 受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射的的速速率率分分别别比比例例于于N N1 1和和N N2 2，且且比比例例系数系数( (吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率) )相等。相等。 如如果果N N1 1NN2 2，即即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当当光光通通过过这这种种物物质时，光强按指数衰减，质时，光强按指数衰减， 这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。 如如果果N N2 2NN1 1，即即

11、受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收，当当光光通通过过这这种种物物质时，会产生放大作用，这种物质称为质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。 N N2 2NN1 1的的分分布布，和和正正常常状状态态(N(N1 1NN2 2) )的的分分布布相相反反，所所以以称称为为粒子粒子( (电子电子) )数反转分布数反转分布。 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? ? 10高级教学 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布11高级教学产生粒子数反转的方

12、法产生粒子数反转的方法注入载流子半导体激光器注入载流子半导体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器气体电离气体激光器气体电离气体激光器12高级教学 图图 3.2 3.2 半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布 (a) (a) 本征半导体；本征半导体； (b) N(b) N型半导体；型半导体； (c) P(c) P型半导体型半导体 2. PN2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在在半半导导体体中中，由由于于邻邻近近原原子子的的作作用用，电电子子所所处处的的能能态态扩扩展展成成能能级级连连续续分分布布的的能能带带。能能量量低低的的能能带带称称为为价

13、价带带，能能量量高高的的能能带带称称为为导导带带，导导带带底底的的能能量量E Ec c 和和价价带带顶顶的的能能量量E Ev v 之之间间的的能能量量差差E Ec c- -E Ev v=E=Eg g称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不可能占据禁带。电子不可能占据禁带。13高级教学在在热热平平衡衡状状态态下下，能能量量为为E E的的能能级级被被电电子子占占据据的的概概率率为为费费米米分分布布 式式中中，k k为为波波兹兹曼曼常常数数，T T为为热热力力学学温温度度。E Ef f 称称为为费费米米能级能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。

14、在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 (3.3)14高级教学 一一般般状状态态下下，本本征征半半导导体体的的电电子子和和空空穴穴是是成成对对出出现现的的，用用E Ef f 位于禁带中央来表示，见图位于禁带中央来表示，见图3.2(a)3.2(a)。 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入施施主主杂杂质质，称称为为N N型型半半导导体体，见见图图3.2(b)3.2(b)。 在在本本征征半半导导体体中中，掺掺入入受受主主杂杂质质，称称为为P P型型半半导导体体，见见图图3.2(c)3.2(c)。 在在P P型型和和N N型型半半导导体体组组成成的的P

15、NPN结结界界面面上上，由由于于存存在在多多数数载载流流子子( (电电子子或或空空穴穴) )的的梯梯度度，因因而而产产生生扩扩散散运运动动，形形成成内内部部电电场场， 见见图图3.3(a)3.3(a)。 内内部部电电场场产产生生与与扩扩散散相相反反方方向向的的漂漂移移运运动动，直直到到P P区区和和N N区区的的E Ef f 相相同同，两两种种运运动动处处于于平平衡衡状状态态为为止止，结结果果能能带带发发生生倾倾斜斜，见见图图3.3(b)3.3(b)。15高级教学 （a) P-Na) P-N结内载流子运动；结内载流子运动； P区区PN结空结空间电间电荷区荷区N区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂

16、移漂移势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpvN区区Env(b) (b) 零零偏偏压压时时P-NP-N结结的能带倾斜图的能带倾斜图图图 3.33.3PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布16高级教学h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，电子，空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-NP-N结能带图结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 17高级教学增益区（作用区）的产生：增益区（作用区）的产生： 在在PNPN结结上上施施加加正正向向电电压压，产产生生与与内内部部电电场场相相反反方方向向的的外外加加电电场

17、场，结结果果能能带带倾倾斜斜减减小小，扩扩散散增增强强。电电子子运运动动方方向向与与电电场场方方向向相相反反，便便使使N N区区的的电电子子向向P P区区运运动动，P P区区的的空空穴穴向向N N区区运运动动，最最后在后在PNPN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。 增增益益区区的的导导带带主主要要是是电电子子，价价带带主主要要是是空空穴穴，结结果果获获得得粒粒子数反转分布子数反转分布，见图，见图3.3(c)3.3(c)。 在在电电子子和和空空穴穴扩扩散散过过程程中中，导导带带的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到价价带带和和空空穴穴复复合合，产产生生自自发发辐辐射射光光, ,这这些些光光

18、子子将将引引起起处处于于反反转转分分布布状状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。 产生粒子数反转分布的条件：产生粒子数反转分布的条件：18高级教学3 3 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔工作物质工作物质19高级教学光光增增益益ECEV产生激光的必要条件三：有光学谐振腔产生激光的必要条件三：有光学谐振腔20高级教学激光振荡的产生激光振荡的产生 粒粒子子数数反反转转分分布布（必必要要条条件件)+ )+ 激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中，对光的频率和方向进行选择对光的频率和方向进行选择 = = 连续的光放大和激光振荡

19、输出。连续的光放大和激光振荡输出。 基基本本的的光光学学谐谐振振腔腔由由两两个个反反射射率率分分别别为为R1R1和和R2R2的的平平行行反反射射镜构成，并被称为法布里镜构成，并被称为法布里- -珀罗珀罗(Fabry(FabryPerot, FP)Perot, FP)谐振腔。谐振腔。 由由于于谐谐振振腔腔内内的的激激活活物物质质具具有有粒粒子子数数反反转转分分布布，可可以以用用它它产生的产生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。作为入射光。3 3 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔21高级教学激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件1 1：合适的谐振腔：合适的谐振腔产生稳定振荡的条件（相位条件）产

20、生稳定振荡的条件（相位条件）m m 纵模模数，纵模模数，n n 激光媒质的折射率激光媒质的折射率22高级教学注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L 法布里珀罗腔法布里珀罗腔 23高级教学 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求。为达到阈值增益所要求的注入电流称为的注入电流称为阈值电流阈值电流。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出

21、。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。 激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件2 2：光增益等于或大于总损耗：光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th =+ 式式中中，th th 为为阈阈值值增增益益系系数数，为为谐谐振振腔腔内内激激活活物物质质的的损损耗系数，耗系数，L L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R R1 1，R R2 211为两个反射镜的反射率为两个反射镜的反射率24高级教学 式式中中，为为激激光光波波长长，n n为为激激活活物物质质的的折折射射率率，m=1, m=1, 2, 2, 3 3 称为纵模模数。称

22、为纵模模数。 在共振腔内在共振腔内沿腔轴方向沿腔轴方向形成的各种形成的各种驻波驻波称为谐振腔的称为谐振腔的纵模。纵模。 有有2 2个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器。通过在光。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。 L= m 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为25高级教学LDLD的发光过程的发光过程注入电流，即注入载流子；注入电流，即注入载流子；在在有有源源区区形形成成粒粒子子数数

23、反反转转，导导带带电电子子不不稳稳定定，少少数电子自发跃迁到价带，产生光子；数电子自发跃迁到价带，产生光子；1个个光光子子被被导导带带中中电电子子吸吸收收跃跃迁迁到到价价带带，同同时时释释放放出出2个个相相干干光光子子，持持续续这这个个过过程程，直直到到释释放放出出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光光子子稳稳定定振振荡荡，光光能能量量大大于于总总损损耗耗时时，LD开开始始工工作。作。26高级教学 4. 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构驱动电源驱动电源工作物质工作物质谐振腔谐振腔注入式注入式光子激励光子激励电子束激励电子束激励PN结（同质

24、结）结（同质结）异质结异质结单异质结单异质结双异质结（双异质结（DH）解理面解理面布拉格反馈布拉格反馈分布反馈式分布反馈式DFB分布布拉格反射式分布布拉格反射式DBR27高级教学 4. 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m0.1m）、）、P P型和型和N N型限制层构成，如下图所示。型限制层构成，如下图所示。解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P型型N型型300m100m200m大面积半导体激光器大面积半导体激光器1 1）、同质结（）、同质结（PNPN结）半导体激光器结）半导体激

25、光器 28高级教学PNPN能带能带正向电压正向电压V V时形成的双简并能带时形成的双简并能带结构结构PN结结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足所加的正向偏压必须满足1 1）、同质结半导体激光器）、同质结半导体激光器 4. 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构29高级教学2 2）、异质结半导体激光器）、异质结半导体激光器 同质结、异质结结构示意图同质结、异质结结构示意图为了获得高势垒为了获得高势垒, ,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。4. 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基

26、本结构30高级教学 4. 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 这种结构由这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。不同的光波长。 结构结构中间中间有一层厚有一层厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的窄带隙的窄带隙P P型半导体，称为型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P P型和型和N N型半导体，称为型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于三层半导体置于基片基片( (衬底衬底) )上，前后两个晶体解理面作为反射上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里镜构成法布里- -珀罗珀罗(FP)(F

27、P)谐振腔。谐振腔。 图图3.53.5是是双异质结双异质结(DH)(DH)平面条形结构。平面条形结构。 3 3）、双异质结（）、双异质结（DHDH）半导体激光器）半导体激光器 31高级教学32高级教学 DHDH激光器工作原理激光器工作原理 由由于于限限制制层层的的带带隙隙比比有有源源层层宽宽，施施加加正正向向偏偏压压后后， P P层层的的空穴和空穴和N N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。 P P层层带带隙隙宽宽，导导带带的的能能态态比比有有源源层层高高，对对注注入入电电子子形形成成了了势势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P P层。层。 同理，同理， 注

28、入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N N层。层。 这这样样，注注入入到到有有源源层层的的电电子子和和空空穴穴被被限限制制在在厚厚0.1-0.3 0.1-0.3 mm的的有有源源层层内内形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布，这这时时只只要要很很小小的的外外加加电电流流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另另一一方方面面，有有源源层层的的折折射射率率比比限限制制层层高高，产产生生的的激激光光被被限限制制在在有有源源区区内内，因因而而电电/ /光光转转换换效效率率很很高高，输输出出激激光光的的阈阈值值电电流流很低，很小的散热体就

29、可以在室温连续工作。很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 33高级教学 图图 3.6 DH3.6 DH激光器工作原理激光器工作原理(a) (a) 双异质结构；双异质结构； (b) (b) 能带；能带； (c) (c) 折射率分布；折射率分布； (d) (d) 光功率分布光功率分布 34高级教学 3.1.2 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1. 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的半导体激光器的发射波长发射波长等于等于禁带宽度禁带宽度E Eg g(eV)(eV) h h f f = =E Eg g(3.6)不同半导体材料有不同的不同半导体材料有

30、不同的禁带宽度禁带宽度E Eg g，因而有不同的，因而有不同的发射波长发射波长。 镓铝砷镓铝砷- -镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)(GaAlAs-GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m0.85 m波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷 - - 铟磷铟磷(InGaAsP-InP)(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.3-1.55 m1.3-1.55 m波段波段式式中中，f f=c/=c/，f f (Hz)(Hz)和和(m)(m)分分别别为为发发射射光光的的频频率率和和波波长长， c=3c=310108 8 m/sm/s为为光光速速，h=6.628h=6.6281010-34-34J JS

31、 S为为普普朗朗克克常常数数， 1eV=1.61eV=1.61010-19-19 J J，代入上式得到，代入上式得到35高级教学峰值波长峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。波长。中心波长中心波长：在激光器发出的光谱中，连接：在激光器发出的光谱中，连接50最大幅度值线段的中点所对应的波长。最大幅度值线段的中点所对应的波长。1. 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性36高级教学 图图 3.7 GaAlAs-DH3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a)

32、 (a) 直流驱动直流驱动; (b) 300 Mb/s; (b) 300 Mb/s数字调制数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)37高级教学 在在直直流流驱驱动动下下， 发发射射光光波波长长只只有有符符合合激激光光振振荡荡的的相相位位条

33、条件件式式(3.5)(3.5)的的波波长长存存在在。这这些些波波长长取取决决于于激激光光器器纵纵向向长长度度L L，并并称称为为激光器的激光器的纵模纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。，谱线宽度变窄。 这这种种变变化化是是由由于于谐谐振振腔腔对对光光波波频频率率和和方方向向的的选选择择，使使边边模模消失消失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。 当当驱驱动动电电流流足足够够大大时时，多多纵纵模模变变为为单单纵纵模模，这这种种激激光光器器称称为为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。 图图3.7(b)3.7(b)是是300 300 Mb/sMb/s数

34、数字字调调制制的的光光谱谱特特性性， 由由图图可可见见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。38高级教学 2. 2. 激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用激光束的空间分布用近场近场和和远场远场来描述。来描述。 近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图图3.83.8是是GaAlAs-DHGaAlAs-DH激激光光器器的的近近场场图图和和远远场场图图，近近场场和和远远场场是是由由谐谐振振腔腔( (有有源

35、源区区) )的的横横向向尺尺寸寸，即即平平行行于于PNPN结结平平面面的的宽宽度度w w和和垂垂直于结平面的厚度直于结平面的厚度t t所决定，并称为激光器的所决定，并称为激光器的横模横模。 由由图图3.83.8可可以以看看出出，平平行行于于结结平平面面的的谐谐振振腔腔宽宽度度w w由由宽宽变变窄窄，场场图图呈呈现现出出由由多多横横模模变变为为单单横横模模；垂垂直直于于结结平平面面的的谐谐振振腔腔厚厚度度t t很很薄，这个方向的场图总是薄，这个方向的场图总是单横模单横模。 39高级教学图图 3.8 GaAlAs-DH3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样条形激光器的近场和远场图样

36、40高级教学 3.9 3.9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) (a) 光强的角分布；光强的角分布； (b) (b) 辐射光束辐射光束 图图3.93.9为为典典型型半半导导体体激激光光器器的的远远场场辐辐射射特特性性，图图中中和和分分别别为为平平行行于于结结平平面面和和垂垂直直于于结结平平面面的的辐辐射射角角，整整个个光光束束的的横横截面呈椭圆形。截面呈椭圆形。41高级教学3. 3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激激光光器器的的电电/ /光光转转换换效效率率可可用用功功率率效效率率和和量量子子效效率率表表示示。量量子效

37、率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。(3.7a)由此得到由此得到(3.7b)式式中中，P P和和I I分分别别为为激激光光器器的的输输出出光光功功率率和和驱驱动动电电流流，P Pth th 和和I Ith th 分分别为相应的阈值，别为相应的阈值，h h f f 和和e e分别为光子能量和电子电荷。分别为光子能量和电子电荷。 外微分量子效率外微分量子效率d d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的产生的光子数光子数外量子效率为：外量子效率为：42高级教学 图图 3.10 3.10 典

38、型半导体激光器的光功率特性典型半导体激光器的光功率特性 (a) (a) 短波长短波长AlGaAs/GaAs (b) AlGaAs/GaAs (b) 长波长长波长InGaAsP/InP InGaAsP/InP 43高级教学4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输输出出功功率率/ mWLEDLED的的P-IP-I特性特性543210 0 50 100 I /mA发发射射光光功功率率P/mWP/mW 22 50 70 LDLD的的P-IP-I特性特性44高级教学 Ith=I0 exp(3.9) 4. 4. 温度特性温度特性半半导导体体激激光光器器对对温温度度十十分分敏敏感

39、感，其其输输出出功功率率随随温温度度会会发发生生很很大大变变化化，其其主主要要原原因因为为：（1 1）激激光光器器的的阈阈值值电电流流I Ithth 随随温温度度升升高高而而增增大大（2 2）外微分）外微分量子效率量子效率d d随随温度温度升高而升高而减小减小。 温温度度升升高高时时，I Ith th 增增大大，d d减减小小， 输输出出光光功功率率明明显显下下降降，达达到到一一定定温温度度时时，激激光光器器就就不不再再受受激激辐辐射射了了。当当以以直直流流电电流流驱驱动动激激光光器器时时，阈阈值值电电流流随随温温度度的的变变化化更更加加严严重重。当当对对激激光光器器进进行行脉脉冲冲调调制制时

40、时，阈阈值值电电流流随随温温度度呈呈指指数数变变化化，在在一一定定温温度度范范围围内内，可可以以表表示为示为45高级教学 式式中中，I I0 0为为常常数数，T T为为结结区区的的热热力力学学温温度度，T T0 0为为激激光光器器材材料的特征温度。料的特征温度。 GaAlAs GaAlAs GaAs GaAs 激光器激光器T T0 0=100-150 K=100-150 K InGaAsP-InP InGaAsP-InP 激光器激光器T T0 0=40=4070 K70 K 所所以以长长波波长长InGaAsP-InPInGaAsP-InP激激光光器器输输出出光光功功率率对对温温度度的的变变化更

41、加敏感。化更加敏感。 图图3.123.12示示出出脉脉冲冲调调制制的的激激光光器器，由由于于温温度度升升高高引引起起阈阈值值电电流流增增加加和和外外微微分分量量子子效效率率减减小小，造造成成的的输输出出光光功功率率特特性性P P I I曲曲线线的变化。的变化。 46高级教学图图 3.12 3.12 P P I I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 47高级教学 3.1.3 3.1.3 分布反馈半导体激光器分布反馈半导体激光器 分分布布反反馈馈(DFB)(DFB)激激光光器器用用靠靠近近有有源源层层沿沿长长度度方方向向制制作作的的周周期期性性结结构构( (波波纹纹状状) )衍衍射射光光栅栅实实现现

42、光光反反馈馈。这这种种衍衍射射光光栅栅的的折折射射率率周周期期性变化，使光沿有源层分布式反馈。性变化，使光沿有源层分布式反馈。 分布反馈激光器分布反馈激光器的要求：的要求： （1 1）谱线宽度谱线宽度更窄更窄 （2 2）高速率脉冲调制下保持）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特性 （3 3）发射）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐更加稳定，并能实现调谐 （4 4） 阈值电流阈值电流更低更低 （5 5）输出）输出光功率光功率更大更大48高级教学 图图 3.13 3.13 分布反馈分布反馈(DFB)(DFB)激光器激光器 (a) (a) 结构；结构； (b) (b) 光反馈光反馈 4

43、9高级教学 如图如图3.133.13所示，由所示，由有源层有源层发射的光，一部分在发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反反射射( (如光线如光线a)a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反反射射( (如光线如光线b)b)。 光栅周期光栅周期=m (3.10) n ne e 为材料有效折射率，为材料有效折射率，B B为布喇格波长，为布喇格波长，m m为衍射级数。为衍射级数。 在在普普通通光光栅栅的的DFBDFB激激光光器器中中，发发生生激激光光振振荡荡的的有有两两个个阈阈值值最最低、增益相同的低、增益相同的纵模纵模，其波长为，其波长为 (3.1

44、1)50高级教学 DFBDFB激激光光器器与与F-PF-P激激光光器器相相比比， 具具有有以以下下优优点点： 易形成单纵模振荡；易形成单纵模振荡； 谱线窄，谱线窄， 方向行性好；方向行性好； 高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好； 输出线性度好。输出线性度好。51高级教学 LD LD 的特点及应用的特点及应用 特特特特点点点点：效效效效率率率率高高高高、体体体体积积积积小小小小、重重重重量量量量轻轻轻轻、结结结结构构构构简简简简单单单单，适适适适宜宜宜宜在在在在飞飞飞飞机机机机、军军军军舰舰舰舰、坦坦坦坦克克克克上上上上应应应应用用用用以以以以及及

45、及及步步步步兵兵兵兵随随随随身身身身携携携携带带带带，如如如如在在在在飞飞飞飞机机机机上上上上作作作作测测测测距距距距仪仪仪仪来来来来瞄瞄瞄瞄准准准准敌敌敌敌机机机机。其其其其缺缺缺缺点点点点是是是是输输输输出出出出功功功功率率率率较较较较小小小小。目目目目前前前前半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器可可可可选选选选择择择择的的的的波波波波长长长长主主主主要要要要局限在红光和红外区域。局限在红光和红外区域。局限在红光和红外区域。局限在红光和红外区域。 LD LD LD LD 和和和和LEDLEDLEDLED的主要区别的主要区别的主要区别的主要区别 LDLD发射的是发射的是受激辐射光

46、受激辐射光 LEDLED发射的是发射的是自发辐射光自发辐射光 LEDLED的结构和的结构和LDLD相似，大多是采用相似，大多是采用双异质结双异质结(DH)(DH)芯片芯片，把有源层夹在，把有源层夹在P P型和型和N N型限制层中间，不同的型限制层中间，不同的是是LEDLED不需要光学谐振腔，不需要光学谐振腔， 没有阈值。没有阈值。52高级教学 半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 3

47、01005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD53高级教学分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 2040 1530输出功率输出功率 P/mW (连续单纵模连续单纵模,25C) 20 15外量子效率外量子效率 /% 1520 2030阀值电流阀值电流 Ith/mA0.08频谱漂移频谱漂移 /(nm/C)3035边模抑制比边模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模直接调制单纵模连续波单纵模连续波单纵模谱线宽度谱线宽度 1.3 1.55工作波长工作波长54高级教学