半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素

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1、半導(dǎo)體激光器 輸出特性的影響因素 半導(dǎo)體激光器的輸出特性波長(zhǎng)光功率光譜激光束的空間分布 波長(zhǎng) 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)是由導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量決定的，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)。 ) ( )(24.1 meVEg 導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶Egcfhf = Egf (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)c=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J 決定波長(zhǎng)的主要因素 半導(dǎo)體材料 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)： GaAlAs-GaAs材料適用于0.85 m波段 InGaAsP-InP材料適用于1.31.55 m波段溫度

2、溫度的升高會(huì)使半導(dǎo)體的禁帶寬度變小，導(dǎo)致波長(zhǎng)變大。 光功率)( thdth IIehfPP 半導(dǎo)體激光器的輸出光功率 I為激光器的驅(qū)動(dòng)電流Pth為激光器的閾值功率Ith為激光器的閾值電流d為外微分量子效率hf 為光子能量e為電子電荷 )( thdth IIehfPP P IIth 半導(dǎo)體激光器發(fā)光特性由此可知，輸出光功率主要取決于驅(qū)動(dòng)電流I、閾值電流Ith以及外微分量子效率d。除此之外，溫度也是影響光功率的重要因素。Pth：拐點(diǎn)縱坐標(biāo)，很小，可忽略Ith：拐點(diǎn)橫坐標(biāo)hf、e：常數(shù)，不影響曲線形狀d：決定曲線線型部分的斜率 光功率-閾值電流當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，這時(shí)將

3、產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱為閾值電流。當(dāng)I Ith時(shí)：有源區(qū)不僅有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而且達(dá)到了諧振條件，受激輻射為主，輸出功率急劇增加，發(fā)出激光 光功率-影響閾值電流的因素晶體的摻雜濃度越大，閾值電流越小諧振腔的損耗越小，閾值電流越小 與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)小得多 溫度越高，閾值電流越大 光功率-外微分量子效率 外微分量子效率d定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達(dá)式為 ththththd /)( /)( II PPeII hfPP hfe 外微分量子效率代表了半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，它與內(nèi)量子效率、載流子對(duì)有源區(qū)的注入效率、光在諧振腔內(nèi)的損耗

4、情況、諧振腔端面的反射系數(shù)和溫度等因素有關(guān)。 光功率-溫度 光功率隨溫度變化曲線 溫度對(duì)光功率的影響 0/0 TTth eII 激光器的閾值電流隨溫度升高而增大 溫度對(duì)閾值電流的影響，可用下式描述： I0表示室溫下的閾值電流T表示溫度T0稱為特征溫度（表示激光器對(duì)溫度的敏感程度）InGaAsP激光器，T0 =5080KA1GaAs/GaAs激光器， T0 =100150K。 溫度對(duì)光功率的影響外微分量子效率隨溫度升高而減小 如GaAs激光器絕對(duì)溫度77K時(shí)，d約為50%當(dāng)絕對(duì)溫度升高到300K時(shí), d只有約30% 光譜影響半導(dǎo)體激光器輸出光譜的因素：驅(qū)動(dòng)電流溫度 圖（a）：當(dāng)IIth時(shí)，光譜很

5、寬，發(fā)出熒光圖（b）：當(dāng)I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，發(fā)出激光光譜-驅(qū)動(dòng)電流 光譜-驅(qū)動(dòng)電流當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到閾值后，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模 光譜-溫度隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的禁帶寬度變小，將導(dǎo)致整個(gè)光譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。 激光束的空間分布激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描述：近場(chǎng)是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度 w 和垂直于PN結(jié)平面的厚度 t 所決定的，并稱為激光器的橫模。 激光束的空間分布平行于結(jié)平面的諧振腔寬度 w 由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度 t 很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫模。 激光束的空間分布 圖中和分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。