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。