火狐体育首页进入:第十一章-半导体激光器

　　半导体激光器是运用半导体晶体发生激光的器材。首要鼓励方法有：PN结注入电流鼓励、电子束鼓励，光鼓励、磕碰电离鼓励等。现在研讨和运用最多的是PN结注入电流鼓励。

　　构成半导体激光器的中心是半导体晶体，其因为能级割裂会构成导带、禁带和价带。导带和价带间的禁带宽度用Eg表明。当价带中的电子遭到外界效果激起，跃迁到导带时，价带同时会发生一个空穴（可视为正电荷），电子和空穴皆可导电，统称为“载流子”。

　　当P型半导体和N型半导体触摸时，就会构成PN结，此刻因为PN半导体之间内建电场构成，阻挠载流子进一步分散

　　半导体中的光发射一般因为载流子复合。当半导体PN结外加正向电压使得PN结势垒下降，电子注入N区，空穴注入P区，将会发生复合而发射某种波长的光子。复合宣布光子的波长由半导体禁带宽度Eg确认：λ=hc/E_{g}。

　　当然，并非一切资料在电子和空穴的复合时都宣布光波，有的资料会有一部分能量转化为热耗散而不发生光，这就会导致发光功率的下降。一般直接带隙半导体作为发光资料是很好的挑选，例如砷化镓（GaAs）等。

　　上述这种半导体中电子和空穴自发复合发生的光发生称为自发辐射。当这种自发辐射发生的光子经过半导体内已激起的电子-空穴对邻近时，就能鼓励二者复合再发生一个新的光子，这个进程被称为受激辐射。这样假如注入电流满意强，再加上谐振腔的反射反应满意战胜吸收、散射等损耗，就能经过受激辐射加快光子的发生，然后发生激光。半导体激光二极管（LED）便是根据这种受激辐射发生的激光。

　　如图便是半导体激光二极管的根本结构。经过对入射出射平面抛光构成法布里-珀罗（F-P）谐振腔，另一对面弄粗糙消除其他方向激光效果。当激光二极管施加正向偏压时，就会发生自发辐射，跟着电压上升，在半导体内抵达一个阈值电流时，开端发生受激辐射，从PN结就会发射出高定向性激光。

　　当电流经过半导体激光器，自发辐射和受激辐射构成的粒子数回转而发生光，因为F-P腔的反射，光子屡次来回经过粒子数回转区，发生倍增。当平面距离离为半波长的整数倍时，在激光二极管内构成驻波，模数m可由半波长数值得出：m=2Ln/λ。L为两头面距离，n为激光介质折射率。模的距离由dm/dλ确认，考虑到n随波长改动很快

　　取dm=-1是因为m值减小1对应于F-P腔端面间削减一个半波长，即波长λ添加。

　　一般激光二极管会存在几个纵模，构成光谱展宽，需求按捺主模外的其他模完成单模作业。

　　低温时激光器纵模结构比较明晰，但温度变高时会呈现“丝状发光”现象，激光峰值也向长波移动，作业波长的改动会下降半导体激光器的发光功率。

　　谐振腔的中的光以模的方式存在，每个模都有自己的传达常数βm和横向电场散布，也便是横模。横模经端面射出后构成辐射场，辐射场的角散布沿平行和笔直结面方向别离称为侧横场和正横场。一般谐振腔横向尺度越小，辐射场发散角越大。因为谐振腔平行于结面的宽度远大于笔直于结面的厚度，侧横场发散角远小于正横场，光约束仅在一个横场方向，因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。

　　(1)电流较小时，注入载流子较少，辐射复合缺乏 以战胜吸收的效果，此刻宣布光为荧光，光强较弱， 带宽较宽，增益 G ＜ 0 。

　　(2)电流增大后，注入载流子增多，终究导致 G ＞ 0 ， 受激辐射起主导效果，宣布很强的光，但仍归于荧 光，没有树立必定形式的振动，所以带宽仍较宽， 这种现象称为超辐射 。

　　(3)若电流进一步增大，使得 G值满意阈值条件，这 时宣布的光才称为激光，带宽较窄，光强更强。

　　当电流超越阈值时，会呈现从非受激辐射到受激射 的骤变，对应光功率对鼓励电流曲线上斜率的急速骤变。

　　跟着注入电流添加，受激辐射的纵模向长波方向平移，并且当电流添加到某一值时， 呈现模的跃变，主纵模转移到别的的纵模上。这是形式竞赛的成果。

　　激光器发射的光首要在笔直法布里－泊罗面的方向上。但有部分光子会分散到结两头的非有源区，光强（光子密度）横向空间散布如下图所示：

　　这意味着仅有d/D的部分光子数处在有源区并经过受激辐射发生新的光子，这种效应下降了器材的有用增益。

　　下面推导发生激光所需电流密度表达式，设谐振腔端面功率反射系数为R，腔长为L，腔内损耗系数α，增益系数为g，关于腔内震动，有

　　其间ηin为内量子功率，Δv为自发辐射线宽，e是电子电荷，则能够得到需注入阈值电流密度为：

　　能够注意到，因为光子扩展到无源区导致D的增大，使得阈值电流明显添加，应尽量使得d/D=1以取得最佳功能，这涉及到“场约束”半导体激光器。

　　Pin是激光器内部发生的光功率，L为长度，W是宽度，v是激光频率，Pout是两个端面的输出功率，所以，包含串联电阻效应在内的器材总功率功率为

　　半导体激光器的功率随温度上升而下降，首要是因为温度上升，吸收α添加，其次量子功率ηin下降（热激起使电子空穴能量散布较宽，具有恰当能量距离与受激辐射起效果的电子-空穴对较少）。

　　时刻呼应指半导体激光器发光随注入电流而改动的快慢程度。它决定于注入的非平衡载流子的寿数τs。

　　激光器呼应时刻室温下只稀有纳秒，理论上直接调制的上限可达近千兆赫兹调制频率。

　　界说：PN结选用同种资料制得，因为电子迁移率高于空穴，同质结半导体激光器有源区倾向于P区一侧

　　同质结半导体激光器阈值电流密度高且随温度发生剧烈改动。正向电压下，PN结空间电荷区可忽略不计，有源区厚度首要来自P区电子分散长度（随温度添加而添加），室温时可达5um，则需求大的注入载流子浓度来确保如此厚的有源区完成粒子数回转。

　　室温下，结邻近存在一个小的折射率台阶，使得构成相似光纤（中心折射率高，两头折射率低，因此对光有约束效果）的光波导效应。而温度的升高则会使得折射率台阶被削弱，导致更多的光子进入非有源区，导致光波传达特性变坏。

　　因此要下降阈值电流，需求：将注入载流子有用约束在比电子分散长度小得多的区域内完成受激辐射，以及讲发生的光子在笔直腔长方向上有用约束。因此异质结激光器得以呈现。

　　GaAS/GaAlAs可构成异质结，异质结势垒起到了约束载流子的效果，双异质结的Ga1-xAlxAs的x可取大一些以加强对光波的约束，因为折射率随Al含量的增大而增大，一般x~0.3-0.5。导带不接连对注入电子构成势垒。把它们约束在 p区。n-p结价带的不接连对空穴 构成势垒，把它们约束在n区。然后提高了注入功率。

　　有源层厚度d对阈值电流密度影响很大，过大的d会失掉对载流子的约束效果，过小的d会添加损耗。

　　单异质结激光器多属脉冲器材，适用于大功率输出的场合。而双异质结激光器对光和载流子能起到愈加的约束效果，加上杰出的散热装置，能得到低阈值电流密度的室温接连器材。一般选用多层结构和条形结构

　　激光振动是由周期结构（或衍射光栅）构成光耦合供给的，不再由解理面构成的谐振腔来供给反应，有点事易于取得单模单频输出。

　　制造方法：在激活层GaAs内制备周期性波纹结构，当激活区介质增益与光栅波纹深度满意必定要求时，即可输出激光，激光波长与光栅周期存在必定联系。光栅一般选用离子刻蚀法制备。

　　经过布拉格反射原理，平行线表明晶体的一簇晶面，面距离d，设光线以布拉格角θB射向这族晶面，并以θB反射，发生相长干与的条件是：

　　λ为介质中光波长，关于激光器，为笔直入射，即θB为90°，将d换成光栅周期Λ，有

　　波长挑选性：反射端面激光器的光发射波长，由增益谱和激光器纵模特性一起确认，DFB很简单完成单纵模作业，改动光栅周期Λ，可在必定规模内有操控地挑选激光器的发射波长。

　　发射光的线宽窄：发射谱线的宽度由激光器的增益谱和腔体选模特性的卷积确认。

　　在激光器两头运用两个布拉格光栅，光栅在鼓励有源区外面，不只避免了光栅制造进程中的晶格损害引起的非辐射复合，并且在有源区外面放置两个光栅镜面，能够独自制造以取得激光器独自输出。因为有源区和波纹光栅分隔，减小了损耗，提高了发光功率，下降了阈值电流，以完成室温接连作业。

　　GaAs和GaAlAs构成骤变结构构成骤变结构，当每一层厚度都很薄时，在GaAs层呈现势阱。

　　跟着量子阱个数的添加，能级劈裂的数目成份额添加，当量子阱个数趋于无量多个时，单量子阱中的单个量子化能级必定扩展成能带，这就在本来的导带中构成许多子带，子带之间有禁带。电子除了能够沿量子阱平面自在运动，也能够在子带内沿z方向运动。

　　改动激光波长：量子阱激光器的受激辐射来自导带中的基态电子和价带中基态空穴的复合，导带和价带中基态间的能极差随势阱宽度而改动，减小势阱宽度课取得短波长激光发射。

　　阈值电流小：答应带中单位能量距离内的粒子密度较高，因此到达粒子数回转所需的阈值电流就小。

　　高温度稳定性：能带之间存在禁带，温度在必定规模内改动时，不可能引起载流子散布的扩展，然后大大提高了激光器作业的稳定性。