第十二次课 激光原理

工作物质

PN结（同质结） 异质结 解理面
——1962年研制成功

单异质结 双异质结（DH）—1970年研制成功
谐振腔
布拉格反馈 分布反馈式DFB
电子束激励 光激励 碰撞电离激励 PN结注入电流激励
分布布拉格反射式DBR
激励方式：
问题2：如何 实现粒子数 反转呢？
首先了解半导体材料的能级结构
P
N
•
•
问题4：LD的损耗和增益如何计算?
半导体激光器LD的损耗包括：
① 光通过P区和N区时会产生衰减，只有一部分能在有 源区放大，腔内损耗用 i 表示；
② 光通过谐振腔两端反射镜的透射损耗，用 r 表示。 1 = ln i i 单程总损耗：
l
其中
= 1 2
1
• 粒子数反转要求：导带能级被电子占据的几率应大于与辐 射相关的价带能级被电子占据的几率。即
fc e
1
E2 E fc kT
>
1
fv e
1
E1 E fv kT
1
这对于纯P型或纯N型半导体接触面上就形成了PN结。 因为结两侧存在着空穴 和电子浓度差，P区的空 穴向N区扩散，N区的电子 向P区扩散，形成一个逐 渐增大的内建电场。 P区因获得电子费米能级 升高，N区因获得空穴费 米能级降低。 内部电场产生与扩散相 反方向的漂移运动，直到 P区和N区的Ef 相同，两种 运动处于平衡状态为止。 内建电场E=eVD
结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为
有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。
三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射 镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
能 级
折 射 率 光 强
阈值电流密度进一步降低， 很小的散热体就可以在室温连续工作。
4、分布反馈激光器(Distributed Feed Back, DFB)
费米能级进入导带 E f E fc Ec
激光上能级区间： E fc E2 Ec
电子处于上能级的几率：
fc e
费米能级进入价带
1
E2 E fc kT
1
E f E fv Ev
激光下能级区间： E fv E1 Ev 电子处于下能级的几率：
fv e
1
E1 E fv kT
本征半导体中，电子与空穴数量相等。为了增强导电性，在半 导体中人为掺入少量杂质形成掺杂半导体。
能量 Eg /2 Eg Eg /2 导带 Ec Ef Ev 价带 Eg Ev Ec Ef Eg Ec
Ef Ev
本征半导体 (a)
N型半导体 (b)
P型半导体 (c)
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。 电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数 目的半导体。（GaAs-Te） 空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数 目的半导体。（GaAs-Zn）
N 2 Ii e
注入载流子在有源区中发生复合 的几率，称为材料的内量子效率
N N 2 N1 N 2
Ii e
2i I G( , 0 ) g ( , 0 ) 2 8 ed A
当Gt=δ，得到注入式LD激光器的阈值电流密度：
阈值电流密度与哪些因素有关？
1 .0 0 .8
T＝3 00 K
相对光强
⊥
0 .6 0 .4 ∥
⊥
∥
0 .2
(b)
(a) 辐射光束
0 80
60 40 20 0 20 40 60 80 辐射角(度)
(b) 光强的角分布
(a)
图 3.9 为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖ 和 θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的 横截面呈椭圆形。
m
B
2ne
优点： ① 单纵模
23
② 谱线窄， 波长稳定性好 • 发射的激光频 率完全由光栅 ③ 动态谱线好 的周期决定 ④ 线性好
问题6：LD 和LED的主要区别是什么？
LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。
联系
区别
LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结 (DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层 中间。
• • • 给PN结加正向电压 在有源区形成粒子数反 转， 导带电子不稳定，少数 电子自发跃迁到价带， 产生光子； 1个光子扰动导带中电 子跃迁到价带，同时释 放 出 1 个 相 干 光 子，持 续这个过程，直到释放 出多个相干光子，即在 合适的腔内振荡放大； 在增益大于损耗时，形 成激光输出，输出的光 子能量近似等于禁带宽 度 hν≈Eg
电子在能带中的分布服从费米—狄拉克分布，能级E被电子占 据的几率为：
fn (E ) e
1
E EF kT
Ef ——T=0时完全填满的能级和完全空态的能级 的边界。对于本征半导体，它处于禁带的中心。
1
当T→0 时，有
电子填充空穴的过程称为电子与空穴的复合。 半导体材料就是利用这种复合来发光的。
5
4
22℃ 50℃ 70℃
发射 光功 率 P/mW
4 3 2 1 0 0
0℃ 25℃ 70℃
输 3 出 功 率 2 1
/ mW
0
50
50 100 I /mA
100 电流/mA
150
LD的P-I特性
LED的P-I特性
半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能
LD
LED 1.55
1~3 30~60 100~150 5~10 1~3 1~5 0.1~0.3 50~150 1~3 0.1~0.2 30~100
2 0 m
3 0 m
3 0 m
5 0 m 1 0 m 近场图样 0 .1 rad 远场图样
图 3.8
GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样
相对
0 .6 0 .4 ∥
⊥
0 .2 GaAlAs DH条形激光器的光场 0 80 60 40 20 0 20 40 60 80 辐射角(度) (a)
费米能级性质： （1）费米能级为假想能级，实际上不存在， 只是为了反映电子的填充水平。 （2）电子与空穴占有某一能级的几率之和为1。 若电子占有几率为f e ( E )，则空穴占有的几率为： 1 fe ( E ) 1 1
E EF kT

1
EF E kT
1 e 1 e （3）一个热平衡系统只有一个费米能级。
P
N
粒子数反转区 ——有源区
P
N
若在PN结上加正 向电压V≈Eg/e V<VD
有源区的宽度与非平衡载流子 的扩散长度有关。 由于有源区自由载流子的的浓 度低于邻近区域，使有源区的 折射率略高于邻近区域，因而 存在“光波导效应”。激光模 式的横向距离将受到限制。
L
w 激光模的横 向强度分布
P
d
模体积
20×50
20×50 30×120
106 ~ 107
/° C
-20－50
105 ~ 106
-20－50
108
-20－50
107
-20－50
工作温度
W＝1 0 m
2 0 m
平行于结平面的谐振
腔宽度w由宽变窄， 场图呈现出由多横模 变为单横模；垂直于 结平面的谐振腔厚度 t很薄，这个方向的 场图总是单横模。
fn ( E)
0 ( E EF )
1 ( E EF )
( E EF )
( E EF )
不导电
Ec
费米能级Ef
C 导带
hv 禁带宽度
Eg=Ec-Ev
当T>0 时，有
1 2 1 fn (E ) 2 fn (E )
导电且可 辐射光子
Ev
V 价带
图5-43 电子在本征半导体中的分布
有源区
t
N
模体积 半导体晶体
图5.46 有源区激光模的横向强度分布
在GaAs中， d≈2~5μm
稍大于t。
使PN结实现粒子数反转，需满足两个条件： ① 掺杂浓度足够高，使半导体的费米能级分 别进入导带和价带；
② 正向偏压 V 足够高，使 eV Eg ，从而 E fc E fv h
。
问题3：LD是如何发光的?
1、同质结（PN结）半导体激光器
最简单的半导体激光器 由一个薄有源层（厚度 约0.1μm）、P型和N型 限制层构成。
有源层
300μ m 电流 金属接触 100μ m P型 N型
200μ m
解理面
PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作
2、单异质结（SH）半导体激光器
同质结、单异质结结构示意图
为反射面平均反射率
2 A21 LD的增益由 G n 21 , 0 n g , 0 3 2 8 0
得：
N 2 G( , 0 ) g ( , 0 ) 2 Ad 8
反转电子数 ▲N=? 复合寿命
其中PN结的模体积：V= A d
设温度足够低，以至于初始时刻Nt=0，因而一定时间间隔内 注入二极管的电子总数，应等于在同样时间内发生自发复合 的电子数： ∴
——由激发态能级分裂 的能带
——不允许电子存在的区域
——由原子最外层轨 道的价电子能级分裂 的能带（基态能级）
能带的形成原因：由于相邻原子的扰动，使得原子的能级分 裂；因为原子数目大，新能级多，因而相邻能级差极小而形 成能带
半导体导电性能高低与禁带宽度有关。宽度越小，电子越容 易从价带跃迁到导带，因而导电性能越好。