异质结半导体激光器

第三章 异质结半导体激光器
3.1 概述 3.2 光子在谐振腔内的振荡 3.3 在同质结基础上发展的异质结激光器 3.4 条形半导体激光器 3.5 条形半导体激光器中的增益波导 3.6 可见光半导体激光器 3.7 分布反馈半导体激光器
3.1 概述
一台激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振 腔三部分组成 工作物质：有源介质，高效率的产生受激发射 激励源：提供能源，对有源介质进行泵浦 光学谐振腔：晶体的天然解理面，提供光学反馈 根据工作物质不同有气体、固体、染料、半导体、 化学等种类的激光器。
温度升高，载流子扩散 长度增加，同时光波导 效应降低。
P区比n区更容易吸收 光子
如何降低阈值电流密度？
J th
Jt
1 A
(
i
1 L
ln
1) R
①将注入载流子有效地限制在比电子扩散长度小得 多的区域内产生受激发射；
②将产生的光子在垂直于结平面方向上限制，使光 子在谐振腔内振荡放大.
重掺杂时，费米能级进入能带深处。
注入p区的电子，会被异质结限制，有利于有 源层载流子的积累，但注入n区的空穴依然不 受限制。
异质结形成的光波导效应，限制了p区光子的 横向逸出， n区光子的光波导效应仍然很弱。
三、双异质结激光器
不需重掺杂，就可能实现粒子数反转。
载流子和光子都会被异质结限制，有效的降低 了阈值电流。
双LD的研究主要集中在： ①寿命增加，稳定性，可靠性，性能退化和失效机 理，这主要是研究各种条形LD，降低Jth，Ith； ② 工 作 波 长 范 围 扩 大 。 最 开 始 AlGaAs-GaAs 的 λ=0.85μm，为适应光纤通信发展，需研制对应光纤 更 低 损 耗 窗 口 的 波 长 ， 研 制 了 1.1-1.7μm InGaAsP/InP激光器，为适应光盘等信息存储技术的 发展，发射可见光的半导体激光器被研究； ③压缩半导体激光器的线宽和在高速调制下的单模 工作； ④提高半导体激光器的输出功率和输出光束的相干 性。
t1Eiexp(-ΓL)
L 输出端
图4.2-1光子在平行腔内增益介质中振荡的示意图
（2）推导过程 由阈值条件定义：光子在谐振腔内往返一次，总的效 果是不产生损耗而能维持稳定的振荡或形成稳定的驻 波。这就要求光子在腔内的环路增益为1，即：
r1r2Ei exp(2L) Ei r1r2 exp(2L) 1
固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体 或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活 物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理 －化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和 高的荧光量子效率。
固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励 源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、 钾铷灯等。一些新的固体激光器也有采用激光激 励的。
1962年同质结LD，Jth达到104A/cm2量级，液氮 下脉冲工作，毫无使用价值。1967年LPE生长出 GaAlAs-GaAs异质结并很快研制出单异质结LD，Jth 达到8.6×103A/cm2，下降一个数量级，从而实现了室 温下脉冲工作，1970年，双异质结Jth量级又下降一 个，实现连续室温工作，迅速在光纤通信、光信息处 理领域广泛应用。
固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分 为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转 换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。
对于半导体激光器也是由这三部分组成的。工 作物质也叫有源区；谐振腔是晶体的自然解理面， 泵浦源是电源。
与其它激光器不同的是，半导体激光器具有 层状结构,其作用相当于固体激光器的聚光腔，半 导体激光器的谐振腔不是由外加反射镜构成，而 是利用半导体本身的晶体解理面形成内反射腔， 这使得半导体激光器结构很紧凑，避免了外加谐 振腔可能产生的机械不稳定性，半导体激光器的 电源简单，电流电压都很小，工作使用很方便、 安全，优点。
阈值电流密度Jth:
J th
Jt
1 A
(
i
1 L
ln
1) R
光场限制因子（光场扩展出有源区造成的损耗）
exp[( j 4 n)L] 1 0
b. 纵模间隔
2nL m0
0dm md0 2Ldn
d0
0 2 2nL[1 (0
)(
dn
)]
n d0
3.3 在同质结基础上发展的异质结激光器
一、同质结激光器
p+-GaAs
n+-GaAs
同质结激光器的能带图：
同质结激光器的粒子数 反转 Fc Fv Eg 是靠重掺杂来实现的。
同质结激光器的有源区 是由空间电荷区及p区的 电子扩散长度和n区的空 穴扩散长度对应的区域 组成。其中最主要的是p 区的电子扩散长度。
同质结遇到的困难是， 阈值电流密度高，而且 随温度发生剧烈变化。
推导出阈值增益gth:
gth
i
1 2L
ln( 1 R1R2
)
当R1
R 2，gth
i
1 L
ln( 1 ) R
g是增益系数, αi为介质的内部损耗系数
这表明，当激光器达到阈值时，光子获得的增益应 足以抵消吸收、散射等损耗和激光输出。
减少光子在介质内部的损耗、适当增加增益介质的 长度和对非输出界面镀以反射膜都能降低阈值增益。
j(n jk)k0 复传播常数
消光系数： k 0 / 4
α为广义损耗系数
r1r2
exp[(
j
4 n 0
)L]
1
α=αi-g，g是增益系数, αi为介质的内部损耗系数。
r1r2
exp[(g
i
)L]
exp[(
j
4 n)L] 0
1
r1r2 exp[( g i )L] 1
exp[( j 4 n)L] 1 0
3.2 光子在谐振腔内的振荡
➢半导体LD的增益和损耗
（1）增益、损耗的概念 在有源腔中获取粒子数反转与增益介质中出现增益。 获取增益的方法：注入高浓度的载流子，对光子进
行有效的限制。 损耗及其产生的机理：谐振腔内激活物质存在吸收，
反射镜存在透射和散射。 （2）谐振腔：天然解理面（反射率30%—32%） （3）谐振腔长：200—400μm。
加正向电压后，有源层由于粒子数反转，将产 生激射。
室温下，电子的扩散长度可达5μm，这就要求 有较大的注入载流子浓度才能保证有源区内实 现粒子数反转。
为了降低J，可从限制载流子和光子着手。
二、单异质结半导体激光器
仍需重掺杂，让费米能级进入能带深处。加正 向电压后，有源层实现粒子数反转。
➢半导体LD的阈值特点
Laser输出净增益 增益与损耗平衡 粒子数反转达到一定阈值
➢用谐振腔理论推导阈值条件 （1）物理模型：
部分反射端面1
部分反射端面2
t1r1r2Eiexp(-Γ2L) t1r2Eiexp(-Γ2L)
t1r1r2Eiexp(-Γ3L) t1r2Eiexp(-ΓL)
Ei
t1Ei
输入端