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第五章 半導(dǎo)體激光器原理 深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院 目錄 5.1 半導(dǎo)體中的光發(fā)射 5.1.1 光的吸收與發(fā)射 5.1.2 半導(dǎo)體的光發(fā)射 5.2 半導(dǎo)體激光器原理與結(jié)構(gòu) 5.3 半導(dǎo)體激光器的特性 5.4 光源與光纖的耦合 5.1 半導(dǎo)體中的光發(fā)射 光子與物質(zhì)（電子）的相互作用 5.1.1 光的吸收與發(fā)射 ☆普朗克定律：電子在兩個能級之間的躍遷是能量為hf=E2-E1的光子被吸收和發(fā)射的過程 5.1.2 半導(dǎo)體中的光發(fā)射 1、pn結(jié)及電致發(fā)光 能帶 費米能級及載流子分布的規(guī)律 摻雜 能帶圖及pn結(jié)的電流電壓特性 載流子的復(fù)合與發(fā)光 載流子的復(fù)合與發(fā)光 載流子（過剩EHP）的復(fù)合 復(fù)合 外加電壓引起pn結(jié)的載流子注入，產(chǎn)生“過剩載流子---過剩的電子空穴對”，處于“高能態(tài)”的它們必須以某種能量交換的方式恢復(fù)到穩(wěn)定的“低能態(tài)”，把“高能態(tài)”電子（如導(dǎo)帶、施主雜質(zhì)能級ED等）躍遷到相應(yīng)的價帶(EA)、同時釋放能量的過程叫做復(fù)合； 輻射復(fù)合 “高能態(tài)”電子（如導(dǎo)帶、施主雜質(zhì)能級ED等）躍遷到相應(yīng)的價帶(EA) 、同時釋放能量等于其高低能量差的光子 非輻射復(fù)合 不伴隨光輻射的復(fù)合過程 復(fù)合模型 光子 用量子力學(xué)描述的能量為hv（v為光波頻率）的不帶電粒子 聲子 用量子力學(xué)描述的能量為hvk（vk為聲波頻率）的不帶電粒子， hvk～0.06eV，晶格的振動---熱 激子 在某種能量作用下使得原子處于激發(fā)態(tài)，其電子能級處于Ec以下附近（空穴能級處于Ev以上附近）（電子的波函數(shù)在禁帶兩端有拖尾---類似光波導(dǎo)的能量分布） 復(fù)合模型：“碰撞” ★ 電子和空穴的輻射復(fù)合 本征輻射躍遷與涉及雜質(zhì)能級的輻射復(fù)合 本證輻射躍遷---帯間躍遷 、自由激子湮滅、能帶勢能起伏處的激子復(fù)合 涉及雜質(zhì)能級的輻射復(fù)合 ☆直接帶隙半導(dǎo)體中的輻射復(fù)合躍遷 間接帶隙半導(dǎo)體中的輻射復(fù)合躍遷 ★ 非輻射復(fù)合 階段性放出聲子的復(fù)合 完全把電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶的能量轉(zhuǎn)換到聲子（~需要20個聲子）概率太小，通過一個或少數(shù)幾個聲子過程轉(zhuǎn)移到雜質(zhì)能級的概率更大 ★ 過剩載流子的復(fù)合時間e---復(fù)合率 由圖可知p區(qū)瞬態(tài)載流子分布 少子(平衡態(tài)電子+注入產(chǎn)生的過剩電子）： 多子(平衡態(tài)電子+注入產(chǎn)生的過�？昭ǎ�： 弱注入 輻射復(fù)合率Rr與輻射復(fù)合壽命r 定義： 單位時間發(fā)生輻射復(fù)合的載流子數(shù)為輻射復(fù)合率 非輻射復(fù)合率Rnr與非輻射復(fù)合壽命nr 定義： 單位時間發(fā)生非輻射復(fù)合的載流子數(shù)為輻射復(fù)合率 ★ 載流子總復(fù)合率R和總壽命 討論內(nèi)量子效率i 內(nèi)量子效率 =每秒產(chǎn)生的光子數(shù)/每秒注入有源區(qū)的載流子數(shù) =每秒輻射復(fù)合的載流子數(shù)/每秒注入有源區(qū)的載流子數(shù) 直接帶隙半導(dǎo)體材料的內(nèi)量子效率i 5.2 半導(dǎo)體激光器原理與結(jié)構(gòu) 5.2.1 半導(dǎo)體激光器工作原理 2、FP腔與光反饋---縱向模式(縱模） 3、激光振蕩的閾值條件 有源區(qū)的損耗 ☆自由載流子吸收、缺陷散射，用i表示[1/cm] ☆端面透射對光信號的損失，用m表示[1/cm] 有源區(qū)的增益g 載流子注入有源區(qū)使得受激發(fā)生增強的狀態(tài)，用g表示[1/cm] 腔內(nèi)光功率隨距離Z的變化 4、激光振蕩模式 ①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益，輸入電流越大，增益越高； ②粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不在單能級間，而是能帶間，故有增益譜線寬度； ③同樣注入條件下，量子阱材料的增益比體材料高，增益線寬更窄 如何獲得單縱模工作？？ 5.2.2 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)與發(fā)散角--有源波導(dǎo)中的光波場 FP-LD管芯 5.3 半導(dǎo)體激光器的工作特性 5.3.1 P-I-V（L-I-V）特性 5.3.2 模式特性與線寬 5.3.3 調(diào)制特性 5.3.4 波長調(diào)節(jié)特性 5.3.5 噪聲特性 5.3.6 安全使用 物理意義：LD工作時光腔中某模式的光場與電子的相互作用的規(guī)律 光子壽命 實驗結(jié)果－非球透鏡 D＋H的LIV測試曲線：封帽后激光器的線性變差 非球透鏡LD ☆ FP-LD的溫度特性 5.3.2 模式特性與線寬 縱模—單縱模 光譜寬度，影響色散 橫模—基橫模 光場橫向分布，影響耦合效率 1、折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu) LD的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：2、增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 光譜線寬 引起線寬△v增大的因素 自發(fā)發(fā)射引起的相位無序變化 載流子變化--折射率變化—光腔諧振頻率變化 載流子分布 體材料與量子阱材料增益的光譜特性 5.3.3 調(diào)制特性 ☆直接電流調(diào)制是LD的最大優(yōu)點之一 LD封裝分布參數(shù)的影響 5.3.5 噪聲特性 噪聲源 相位或頻率噪聲---分立和隨機的自發(fā)發(fā)射（LD固有)，∝1/f，1MHz以上平坦 扭折和自脈動等引起的---模式的跳變（LD固有) 光纖端面與LD端面反射引起的（外部) 模噪聲—增益導(dǎo)引LD橫模變化引起多模光纖中光場分布的抖動（外部） 模分配噪聲---縱模變化在單模光纖中引起色散的脈沖寬度的隨機變化（外部） 噪聲表示方法---相對強度噪聲 5.3.6 半導(dǎo)體激光器的安全使用 人眼安全---決不能直視LD出光面 安全使用---Ⅲ-Ⅴ化合物半導(dǎo)體材料pn異質(zhì)結(jié)，反向擊穿電壓僅3～6VDC 靜電---人體摩擦～KV，防靜電腕帶 漏電---電烙鐵～幾十VAC以上，接地 極性判別---晶體管圖示儀、萬用表（1K檔） 電流沖擊--- 散熱--- 5.4 光源與光纖的耦合 耦合：把光源發(fā)出的光盡可能多地送入光纖纖芯的過程 參數(shù)：耦合效率 耦合方法：直接、間接 測試精度的問題：繞模 LD與單模光纖的耦合 光纖微透鏡及耦合例子 常用半導(dǎo)體激光器指標OSC紅軟基地

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