半導體激光器原理及應(yīng)用

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1、半 導 體 激 光 器 原 理 及 應(yīng) 用姓 名 ： 徐 欽 鋒 學 號 ： 20164208084 半 導 體 激 光 器 工 作 原 理 1 半 導 體 激 光 器 的 主 要 性 能2 密 集 波 分 復 用 半 導 體 激 光 器3 半 導 體 激 光 器 的 應(yīng) 用4目錄CONTENTS 自 發(fā) 輻 射 與 受 激 輻 射 （ a） 自 發(fā) 輻 射 ： 特 點 ： 獨 立 、 雜 亂 無 章 的 非 相 干 光 、 壽 命 取 決 于 半導 體 禁 帶 寬 度 及 復 合 中 心 密 度 等 ， 一 般 為 10 -910-3 量 級 （ b） 受 激 輻 射 ： 受 激 發(fā) 射 出

2、 的 光 子 頻 率 ， 相 位 和 方 向 都 與 入 射 光 子 相 同 。 （ c） 受 激 吸 收 ： 原 子 接 收 輻 射 能 從 基 態(tài) 能 級 E1越 入 受 激 能 級 E2。 產(chǎn) 生 激 光 的 必 要 條 件 ： 受 激 輻 射 占 主 導 地 位 12 EEhv hh 自 發(fā) 輻 射 的 特 點 這 種 過 程 與 外 界 作 用 無 關(guān) 。 各 原 子 的 輻 射 都 是 獨 立 地 進 行 。 因 而 所 發(fā) 光 子 的 頻率 、 初 相 、 偏 振 態(tài) 、 傳 播 方 向 等 都 不 同 。 不 同 光 波 列 是 不 相 干 的 。 例 如 霓 虹 燈 管 內(nèi)

3、充 有 低 壓 惰 性 氣 體 ， 在 管 兩 端 加 上 高 電 壓 來 激 發(fā) 氣 體 原 子 ， 當它 們 從 激 發(fā) 態(tài) 躍 遷 返 回 基 態(tài) 時 ， 便 放 出 五 顏 六 色 的 光 彩 。 受 激 輻 射 激 發(fā) 態(tài) 的 原 子 ， 受 到 某 一 外 來 光 子 的 作 用 ， 而 且 外 來 光 子的 能 量 恰 好 滿 足 hv=E2-E1， 原 子 就 有 可 能 從 激 發(fā) 態(tài) E2躍 遷至 低 能 態(tài) E1， 同 時 放 出 一 個 與 外 來 光 子 具 有 完 全 相 同 狀 態(tài)的 光 子 。 這 一 過 程 被 稱 為 受 激 輻 射E 1E2 hv E1E2

4、 hvhv受 激 輻 射 示 意 圖 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 在 熱 平 衡 狀 態(tài) 下 ， 粒 子 數(shù) 按 能 態(tài) 的 分 布 遵 循 玻 耳 茲 曼 分 布 律 ：k為 玻 耳 茲 曼 常 數(shù) ， N2、 g2和 N1、 g1分 別 為 高 能 態(tài) E2和 低 能 態(tài) E1的 粒 子 數(shù)和 統(tǒng) 計 權(quán) 重 。 由 于 E2E1， T0， 故 N1N2 ， 即 高 能 態(tài) 上 的 粒 子 總 少 于 低能 態(tài) 上 的 粒 子 數(shù) 。 于 是 原 子 系 統(tǒng) 的 受 激 吸 收 過 程 總 占 優(yōu) 勢 。 采 用 適 當 的 激 勵 ，破 壞 熱 平 衡 狀 態(tài) ， 使 高 能 態(tài) 粒 子 數(shù) 多

5、 于 低 能 態(tài) 粒 子 數(shù) ， 即 為 粒 子 束 反 轉(zhuǎn) 。 半 導 體 激 光 器 通 過 光 激 勵 或 正 向 PN結(jié) 注 入 等 ， 來 實 現(xiàn) 載 流 子 的 粒 子 束 反轉(zhuǎn) 。 )(exp 121212 kTEEggNN 諧 振 腔 為 使 發(fā) 射 光 具 有 激 光 的 特 點 ， 必 須 使 其 產(chǎn)生 諧 振 。 能 使 光 產(chǎn) 生 共 振 的 裝 置 即 為 諧 振腔 。 只 有 與 軸 線 平 行 的 輻 射 光 子 產(chǎn) 生 共 振 現(xiàn) 象而 被 增 強 ， 不 在 這 個 方 向 上 的 將 被 反 射 出腔 外 。 兩 相 反 方 向 的 光 波 ， 只 有 疊

6、加 形 成 駐 波 時 ，才 能 形 成 穩(wěn) 定 的 振 蕩 。 駐 波 條 件 ：縱 模 ： 共 振 腔 內(nèi) 沿 腔 軸 方 向 形 成 的 各 種 可 能 的 駐 波 稱 為 諧 振 腔 的 縱 模 )2( nmL 激 光 器 穩(wěn) 定 工 作 的 條 件 法 布 里 -珀 羅 光 學 諧 振 腔 0int210 )2exp()exp()exp( EKLiLRRgLE )1ln(21 21int RRLg mKL 22 nLmcvv m 2/穩(wěn)定工作時，平面波在腔內(nèi)往返一次強度E0保持不變，有：g為功率增益系數(shù)，L為腔長，K=nw/c為平面波的波數(shù)，int為腔內(nèi)總損耗率將等式兩邊的振幅和相位

7、分別相等，得： 兩個公式前者規(guī)定了增益和電流的最小值，后者規(guī)定激光器的振蕩頻率縱向模式，其與光學諧振腔有關(guān) 激 光 器 穩(wěn) 定 工 作 條 件 激 光 器 縱 模 分 布 及 增 益 曲 線 激光束的鎖模：鎖模技術(shù)就是采用一定的調(diào)制方法，使激光振蕩不同頻率各縱模之間有確定的相位關(guān)系，即各縱模相鄰頻率間隔相等。在一般諧振腔內(nèi)，處于激光介質(zhì)的增益大于諧振腔損耗頻率范圍內(nèi)的縱模有幾百個。在頻域范疇內(nèi)，激光輻射由許多縱模間隔為 C/2L 的譜線組成。這些模彼此互不相關(guān)地進行振蕩，其相位隨機地分布在一 到十 之間。其時域輸出特征類似熱噪聲。但是，如果迫使振蕩模彼此之間的相位關(guān)系保持固定，那么激光輸出將以

8、完全確定的形式變化。此時，我們說激光是鎖?；蜴i相的。鎖模相當于使譜線的振幅及相位相關(guān)。鎖模的分類： 主動鎖模：周期性調(diào)制諧振腔的損耗或光程n被動鎖模：利用可飽和吸收體的非線性吸收特性，對腔內(nèi)激光的吸收是隨光場強度而變化的自鎖模：激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系同步泵浦鎖模：周期性調(diào)制諧振腔的增益 半 導 體 激 光 器 的 模 譜 半導體激光器在不同工作電流下的模譜觀察可知，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，峰值波長發(fā)生紅移 半 導 體 激 光 器 的 特 性轉(zhuǎn) 換 效 率 高 ： 70%。體 積 小 ： 1mm3壽 命 長 ， 可 達 數(shù) 十 萬 小 時 輸

9、出 波 長 范 圍 廣 ： 0.6-1.1um， 23um。易 調(diào) 制 ： 直 接 調(diào) 制缺 點 ： 發(fā) 散 角 大 ， 光 束 質(zhì) 量 差 。 閾 值 特 性 閾 值 是 所 有 激 光 器 的 屬 性 ， 標 志 著 增 益 與 損 耗 的 平 衡 點 。 閾 值 常 用 電 流 密 度 Jth或 者 電 流 I表 示 。 影 響 激 光 器 閾 值 特 性 的 主 要 因 素 ： 1） 器 件 結(jié) 構(gòu) 2） 有 源 區(qū) 材 料 3） 器 件 工 作 溫 度 有 源 區(qū) 材 料 的 影 響 ： 有 源 區(qū) 的 材 料 必 須 選 用 直 接 帶 隙 材 料 ， 材 料 的 組 分 變 化

10、將會 引 起 直 接 帶 隙 和 間 接 帶 隙 躍 遷 的 比 率 發(fā) 生 變 化 ， 從 而 改 變 輻 射 頻 率 的 波 長 。 故 ： 可 通 過 薄 膜 生 長 工 藝 獲 得 不 同 的 有 緣 材 料 溫 度 的 影 響 溫 度 變 化 對 閾 值 電 流 產(chǎn) 生 明 顯 的 影 響 ， 溫 度 升 高 ， 閾 值 電 流 增 大 ， 增 大 幅 度 因 材 料 體 系 和 器 件 結(jié) 構(gòu) 而 異 。 實 驗 經(jīng) 驗 公 式 為 ：Jth（ T） 和 Jth（ Tr） 分 別 為 在 某 一 溫 度 T和 室 溫 Tr下 所 測 得 閾 值 電 流 密 度 ，T0是 一 個 由

11、 實 驗 擬 合 的 參 數(shù) ， 稱 為 特 征 溫 度 。容 易 看 出 ， 當 時 ， 閾 值 電 流 將 不 隨 溫 度 變 化 ， 故 提 高 T0是 一 個 重 要 的 研 究內(nèi) 容 。 閾 值 電 流 對 溫 度 的 依 賴 關(guān) 系 主 要 來 自 于 下 列 因 素 ： 1） 增 益 系 數(shù) 2） 載 流 子 的 俄 歇 復 合 ， 載 流 子 的 界 面 態(tài) 和 表 面 態(tài) 的 復 合 ， 載 流 子 的 吸 收 引 起 的 內(nèi) 部 損 耗 3） 熱 載 流 子 的 泄 露 )/)exp()()( 0TTTTJTJ trthth 0T 半 導 體 激 光 器 的 效 率 描 述

12、 激 光 器 電 子 -光 子 轉(zhuǎn) 換 的 效 率 ， 即 電 能 轉(zhuǎn) 換 為 光 能 的 效 率 。 分 別 用 功 率 效 率 和 外 微 分 量 子 效 率 描 述 。 1） 功 率 效 率 sg exsp rIeIE PrI 22ex )/(IVP 激 光 器 所 消 耗 的 電 功 率激 光 器 所 發(fā) 射 的 光 功 率 外 微 分 量 子 效 率 外 微 分 量 子 效 率 定 義 為 輸 出 光 子 數(shù) 隨 注 入 的 電 子 數(shù) 增 加 的 比 率 ， 考 慮 到 hv=Eg=eVb,有 而 其 中 的 定 義 為 斜 率 效 率 ： 在 實 際 測 量 中 ， 由 下 式

13、得 出 bD VdIdPedI hvdP 1/ bthexs VII P )( )/( dIdPs s 12 12 II PPs 半 導 體 激 光 器 的 空 間 模 式 分 為 空 間 模 和 縱 模 （ 軸 模 ） ， 空 間模 是 描 述 圍 繞 著 輸 出 光 束 軸 線 附 近某 處 的 光 強 分 布 ， 亦 稱 為 遠 場 分 布 。有 橫 模 和 側(cè) 模 之 分 。 縱 模 是 一 種 頻譜 ， 表 示 所 發(fā) 射 的 光 束 功 率 在 不 同頻 率 分 量 上 的 分 布 。 半導體激光器橫模與側(cè)模 有多側(cè)模的半導體激光器的近場和遠場 縱 模 譜 的 影 響 因 素 可見

14、，若要選頻，就要控制溫度，要穩(wěn)定功率輸出，也要選擇恒溫控制 半 導 體 激 光 器 的 光 束 發(fā) 散 角 理想的高斯場分布 半導體激光器的遠場并非嚴格的高斯光束，有較大的且在橫向和側(cè)向不對稱光束發(fā)散角。由于半導體激光器有緣層較薄，因而在橫向有較大的發(fā)散角 22122 2122 )/(2.1/)(05.41 /)(05.4 dnn dnn 式中，n2和d分別為激光器有緣層的折射率和厚度；n1為限制層的折射率；為激射波長 半 導 體 激 光 器 的 光 束 發(fā) 散 角 顯 然 ， 當 d很 小 時 ， 可 忽 略 上 式 分母 中 的 第 二 項 ， 有 可 見 ， 隨 d的 增 加 而 增 加

15、 dnn )(05.4 2122 半導體激光器發(fā)散角與有緣層厚度的關(guān)系 解 決 辦 法 ： 利 用 自 聚 焦 透 鏡 對 出 射 光 進 行 準 直高斯光速的準直 利用自聚焦透鏡準直半導體激光束 激 光 器 的 單 縱 模 工 作 條 件 )/(1 10 qsatoq PPPP )1/log(*10 11 0 PPPP osat第q階模與主模功率之比為：要想得到近乎單縱模輸出，必須使Pq/P0盡可能小。從圖中可以看出短腔長和高腔面反射率，都有利于使激光器單模工作。以（P1/P0） 0.05作 為 激 光 器 單 模 工 作 的 判 據(jù) ， 由 邊模 抑 制 比可 以 得 出 ， 激 光 器

16、單 縱 模 工 作 時 ， 應(yīng) 使 P0超 過 P1sat至 少12.8dB。 半 導 體 激 光 器 的 線 寬 表 征 半 導 體 激 光 器 時 間 相 干 性 的 光 譜 純 度 ， 定 義 為 光 譜 曲 線 半 峰 值 處 的 全 寬 。 一 般 的 ， 在 閾 值 以 下 的 譜 線 寬 度 約 為 60nm左 右 ， 在 閾 值 以 上 的 譜 線 寬 度 大 約 在 23nm或 更 小 。 半 導 體 激 光 器 的 線 寬 比 其 他 類 型 的 激 光 器 寬 很 多 ， 主 要 有 以 下 原 因 ： 1） LD的 腔 長 短 、 腔 面 反 射 率 低 ， 因 而 品

17、 質(zhì) 因 素 Q值 低 ； 2） 有 源 區(qū) 內(nèi) 載 流 子 密 度 的 變 化 引 起 折 射 率 變 化 ， 增 加 了 激 光 輸 出 相 位 的 隨 機 起 伏 半 導 體 激 光 器 的 線 寬 上面曲線給出了LD線寬與1/P之間的關(guān)系、和溫度對線寬的影響 半 導 體 激 光 器 的 動 態(tài) 特 性 半 導 體 激 光 器 有 別 于 其 它 激 光 器 的 最 重 要 特 點 之 一 在 于 它 有 被 交 變 信 號 直 接 調(diào)制 的 能 力 ， 這 在 信 息 技 術(shù) 中 具 有 重 要 的 意 義 。 與 工 作 在 直 流 狀 況 的 半 導 體 激 光 器 不 同 ， 在

18、 直 接 高 速 調(diào) 制 情 況 下 會 出 現(xiàn) 一 些 有害 的 效 應(yīng) ， 成 為 限 制 半 導 體 激 光 器 調(diào) 制 帶 寬 能 力 的 主 要 因 素 。 一 、 張 弛 振 蕩 與 類 諧 振 現(xiàn) 象 數(shù) 字 信 息 （ 以 0或 1編 碼 ） 直 接 調(diào) 制 的 半 導 體 激 光 器 ， 如 果 電 流 突 然 上 升 到 高 電 平 ， 在 電 流 脈 沖 前 沿 與 被 其 激 勵 的 光 之 間 會 有 一 個 時 延 ， 所 產(chǎn) 出 的 光 需 經(jīng)一 個 張 弛 過 程 才 能 達 到 穩(wěn) 態(tài) 。 半 導 體 激 光 器 的 動 態(tài) 特 性 由 電 子 與 光 子 相

19、 互 作 用 的 動 力 學 過 程 所 產(chǎn) 生 的 時 延 ， 可 通 過 求 解 他 們 的 速 率 方程 得 到 ： 式 中 ， th為 在 閾 值 處 的 載 流 子 壽 命 （ 一 般 為 25ns） 。 顯 然 ， 在 高 速 調(diào) 制 下 ，td將 產(chǎn) 生 調(diào) 制 畸 變 。 減 少 td最 簡 單 的 方 法 是 在 激 光 器 上 再 加 上 一 個 接 近 閾 值 電 流 Ith的 偏 流 Ib， 這 時 有這 使 這 個 過 度 過 程 開 始 的 突 變 幅 度 減 小 。 但 是 ， 如 果 偏 置 到 閾 值 或 閾 值 以 上 ， 消光 比 減 小 ， 導 致 接

20、收 機 靈 敏 度 降 低 。 故 在 低 速 調(diào) 制 下 ， 一 般 偏 置 到 0.94I th左 右 。ththd II It ln )(ln bththd III It 半 導 體 激 光 器 的 動 態(tài) 特 性 半 導 體 激 光 器 的 動 態(tài) 特 性 加 于 半 導 體 激 光 器 上 的 調(diào) 制 電 流 會 引 起 諧 振 現(xiàn) 象 ， 調(diào) 制 頻 率 達 到 某 一 值 時 出 現(xiàn)諧 振 峰 ， 這 使 調(diào) 制 頻 率 的 提 高 受 到 限 制 。 歸一化輸出與調(diào)制頻率的關(guān)系 半 導 體 激 光 器 的 動 態(tài) 特 性 張 弛 振 蕩 與 類 諧 振 現(xiàn) 象 物 理 機 制

21、不 同 ， 但 幾 乎 有 和 共 振 頻 率 相 同 的 振 蕩 頻 率 ，為 了 抑 制 這 兩 類 現(xiàn) 象 ， 已 實 踐 過 這 兩 類 方 法 ： 1） 外 部 光 注 入 ， 能 有 效 增 加 自 發(fā) 發(fā) 射 因 子 ， 不 但 能 抑 制 張 弛 振 蕩 ， 還 能 抑 制多 縱 模 的 出 現(xiàn) 。 2） 自 反 饋 注 入 或 采 用 外 部 電 路 。 自 注 入 方 法 是 將 LD輸 出 的 一 部 分 以 張 弛 振 蕩周 期 的 0.20.3倍 的 時 延 再 注 入 到 它 本 身 的 腔 內(nèi) ， 能 有 效 抑 制 張 弛 振 蕩 。 采 用外 部 LCR濾 波

22、 電 路 來 分 流 高 頻 分 量 ， 進 而 抑 制 類 諧 振 現(xiàn) 象 。 3） 窄 條 半 導 體 激 光 器 。 條 寬 減 窄 能 減 少 載 流 子 擴 散 的 影 響 ， 穩(wěn) 定 橫 模 ， 也 能抑 制 張 弛 振 蕩 和 類 諧 振 現(xiàn) 象 。 寄 生 電 容 和 電 感 半導體激光器等效電路圖中是一個型低通濾波LCR電路與LD的等效電路并聯(lián)。其中C1和rs分別是半導體激光器的寄生電容（1pF）和串聯(lián)電阻（一般為數(shù)歐姆，在正向偏置下有源區(qū)的電阻750W的近衍射極限合成光束，合成效率達到93%。這種應(yīng)用于光纖激光的合束方案，其主要的關(guān)鍵器件就是體Bragg光柵（VBG），這種方案也適合于高能高功率固體激光的合束 Thank you!