半导体激光器的研究

半导体激光器的研究半导体激光器是近年来应用非常广泛的一种激光器。

在本实验中我们将对半导体激光器的主要发光器件——激光二极管（LD）进行全面的实验研究。

【实验内容】1．激光二极管（LD）的伏安特性测量。

2．LD的发光强度与电流的关系曲线测量。

3*．LD发光光谱分布测量。

4*．LD发光偏振特性分析。

【实验仪器】激光二极管，电压表，电流表，激光功率计，分光计，格兰—泰勒棱镜等阅读材料半导体激光器件按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势效应，即光—电变换。

这里主要讨论前者。

半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。

它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。

与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写为LED。

它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。

可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。

由于这些优点，LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD 可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。

半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。

特别是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。

以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。

1 概述1）半导体激光器的分类从半导体激光器的发射的激光看，可分为半导体结型二极管注入式激光器和垂直腔表面发射半导体激光器两种类型；而从结型看，又可分为同质结和异质结两类；从制造工艺看，又可为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器和量子阱半导体激光器激光器；另外，为了提高半导体激光器的输出功率，增大有源区，将其做成列阵式，又可分为单元列阵、一维线列阵、二维面阵等。

2）半导体激光器的工作原理半导体激光器与其它激光器没有原则区别，只是因工作物质不同，而有其自身的特点。

图示给出了GaAs激光器的外形及其管芯结构，在激光器的外壳上有一个输出激光的小窗口，激光器的电极供外接电源用，外壳内是激光器管芯，管芯形状有长方形、台面形、电极条形等多种。

它的核心部分是PN结。

半导体激光器PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，这两个表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成激光谐振腔。

激光可以从某一侧解理面输出，也可由两侧输出。

半导体材料是一种单晶体，各原子最外层的轨道互相重叠，导致半导体能级不再是分立能级，而变成能带，如图所示。

在低温下，晶体中的电子都被原子紧紧束缚着，不能参与导电，价带以上的能带基本上空的。

当价带中的电子受到热或光的激发，获得足够的能量，即可跃迁到上面的导带。

导带与价带中的禁带宽度E g 又取决于导带底的能量E C 和价带顶的能量E V ，且有V C g E E E -=半导体材料很多，但目前常用的有两大类：一类是以砷化镓(GaAs)和镓铝砷(Ga l-x Al x As)，其中下标x 表示GaAs 中被Al 原子取代的Ga 原子的百分比数。

x 值决定了波长，通常为850nm 左右。

这种器件主要用于短距离光通信和固体激光器的泵浦源。

另一类材料是以镓铟磷砷(Ga l-x In x As l-y P y ，)和磷化铟(InP)，其激活波长为920nm ～1.65μm 。

特别是1.3μm 和1.55μm 广泛用于光纤通信中。

产生激光的机理与其它激光工作物质相似，半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自发辐射过程。

在电流或光的激励下，半导体价带上的电子获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。

导带中的电子跃迁到价带上，与价带中的空穴复合，同时把大约等于的能量以光子形式辐射出来，这相应于自发辐射或受激辐射。

显然，当半导体材料中实现粒子数反转，使得受激辐射为主，就可以实现光放大。

如果构成谐振腔，使光增益大于光损耗，就可以产生激光。

问题是，怎样才能在半导体中实现粒子数反转?应当指出，半导体激光器的核心是PN 结，见图(a )，它与一般的半导体PN 结的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即P 型半导体中的空穴极多，N 型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器PN 结中的自建场很强，结两边产生的电位差V D (势垒)很大。

当无外加电场时，PN 结的能级结构如图(b )所示，P 区的能级比N 区高eV D ，并且导带底能级(E C )N 比价带顶级(E V )P 还要低。

由于能级越低，电子占据的可能性越大。

所以N 区导带中(E C )N 与费米能级E F 间的电子数，比P 区价带中(E V )P 与费米能级E F 间的电子数多。

当外加正向电压时，PN 结势垒降低。

在电压较高、电流足够大时，P 区空穴和N 区电子大量扩散并向结区注入，并如图(c )所示，在PN 结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成电子数反转分布区域，称为激活区(也称为介质区、有源区)。

因为电子的扩散长度比空穴大，所以激活区偏向P 区一边。

在激活区内，由于电子数反转，起始于自发辐射的受激辐射大于受激吸收，产生了光放大。

进一步，由于两解理面可以构成谐振腔，所以光不断增强。

形成了激光。

上述分析可知，只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光；否则，只能产生荧光。

在半导体激光器的输出功率P 与注入电流I 的关系曲线中，曲线的转折点对应于阈值电流。

该阈值是自发辐射和激光产生的分界点，也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点。

一旦激光开始，曲线斜率就变陡。

一般来说，发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级，而激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦，国外可达千瓦以上。

2 半导体激光器的特性1）伏安特性GaAs激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导电性，如图所示。

激光器系正向运用，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。

2）阈值电流使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入电流密度叫阈值电流密度。

影响阈值的因素有：(1)晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

(2)谐振腔的损耗越小，阈值越小。

若在谐振腔的一端镀上银膜，增大对红外光的反射率，可使阈值进一步降低。

(3)在一定范围内，腔长越长，阈值越低，下图是实验测得的同质结GaAs 激光器的阈值电流密度J th 与腔长L 和反射率R 的关系曲线。

(4)温度对阈值电流的影响很大，由温度变化时测得的阈值电流密度变化曲线可见，在100K 以下，阈值与温度的关系较小，l00k 以上，阈值随T 的三次方增加。

因此，半导体激光器宜在低温或室温下工作。

下图为半导体激光束的空间分布。

图中选坐标y 轴与结平面平行，z 轴与结平面垂直。

设激光在结平面方向的半功率宽度为//θ，垂直于结平面方向的束宽为⊥θ，则基模束宽ωλθ///=式中，ω为结区水平方向尺寸，λ为激光波长。

而垂直于结平面方向的束宽为d /2λθ=⊥式中，d 为有源区的厚度，通常大于l μm ，近似地可按照窄的单缝衍射角的宽度来计算。

实际上⊥θ符合实际情况，而//θ则与实际相差很远，则不能用源场发散角的计算方法来计算。

3）方向性由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达20°～30°。

在结的水平面内，发散角约为几度。

4）光谱特性下图是GaAs 激光器的发射光谱，其中图(a )是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几十纳米，图(b )是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽约零点几纳米。

半导体激光的谱宽尽管比荧光窄得多，但因其特殊的电子结构，受激复合辐射发生在导带和价带之间，所以比气体和固体激光器要宽得多，而且在室温下更宽，达几纳米。

可见半导体激光器的单色性较差。

随着新器件的出现，已有所改善，如分布反馈式半导体激光器的线宽，只有0.1nm 左右。

半导体激光器的工作波长随结构不同而不同。

例如，对于双异质结激光器，可以通过改变A1GaAs 材料中的A1含量，产生0.751μm ～0.92μm 波长范围的激光，而目前最广泛采用的波长是0.85μm 。

近几年来，由于光纤制造技术的发展，在1.0μm ～1.8μm 内，尤其是在1.3μm ～1.55μm 范围内的光纤传输损耗极低，因此，由于光纤通信的推动，人们正致力于研究长波长激光器。

例如，砷镓铟 (In x Ga l-x As)激光器(0.87μm ～1.7μm)，锑砷镓(GaAs l-x Sb x )激光器(0.4μm 一1.4μm)，磷砷镓铟(In x Ga l-x As l-y P y )激光器(0.92μm ～1.7μm)。

其中，四元化合物InGaAsP 用的比较多，所选用的x ，y 关系，一般为y =2.16(1-x )。

5）转换效率注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。

转换效率通常用量子效率和功率效率量度。

（1）量子效率量子效率定义为ei i h P P th th D /)(/)(--=νη 式中，P 是输出功率，P th 是阈值发射光功率，hv 为发射光子能量，i 是正向电流，i th 是正向阈值电流，e 为电子电荷。

由于P >> P th ，所以上式可改写为Vi i P e i i h P th th D )(/)(/-=-=νη 式中，V 是正向偏压。

由该式可见，D η实际上对应于输出功率与正向电流的关系曲线中阈值以上线性范围内的斜率。

（2）功率效率功率效率P η定义为激光器的输出功率与输入电功率之比，即SP R i iV P 2+=η 式中，V 是PN 结上的电压降，R S 是激光器串联电阻(包括材料电阻和接触电阻)。

由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以在室温下的功率效率只有百分之几。

3 典型的半导体激光器常见的半导体激光器有：边缘发射与表面发射半导体激光器，同质结半导体激光器，异质结半导体激光器，可见光半导体激光器，分布反馈式半导体激光器和量子阱激光器。

1）半导体结型二极管注入式激光器早期半导体激光器的结构如图所示，它是在半导体的正偏PN 结上注入载流子而产生光辐射，所以称之为半导体结型二极管注入式激光器。

通常采用砷化镓作为半导体物质，波长为840nm ，处于近红外线区。

半导体激光器是把PN 切成方块，焊上电极，长方形的侧面磨毛，其两断面是平行平面，形成F-P 腔，这两个断面可以是磨制而成的，也可以直接利用晶体的解理面。

当施加于激光器的电流超过阈值时，便产生激光辐射。