第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)案例

第3章 半导体激光二极管和激光器组件
为了产生受激辐射，必须建立非平衡得分布， 即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数，使受激 发射大于受激吸收，这种状态叫做粒子数反转。
波尔兹曼分布
粒子数反转
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激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦。 2、光反馈和激光振荡
在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生 光子。一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不 到放大；另一部分光子可能在有源区内传播，并引 起其他电子－空穴对的受激辐射，产生更多的性能 相同的光子，得到放大。
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半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光器基础知识
半导体激光器类型、组件及特性参数
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第一节 半导体激光器基础知识 一、半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光输出的基本条件：
粒子数反转 光反馈 阈值条件 1、粒子数反转 在热平衡条件下，二能级原子系统中上能级的粒 子要比下能级少得多，服从波尔兹曼分布。此时不 会发生受激发射。
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2、模式特性与线宽 LD输出谱特性，或为多纵模或为单纵模，如下图。
LD的多模(a)及单模(b)输出谱
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1、模式特性 从使用来说，首先考虑的是模式的稳定性，它随时间、 电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次，对高速 光纤通信系统来说，单纵模窄谱宽的光源有利于减小 光纤色散的影响。
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由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往 复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才 能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件，
cq fq 2nL
激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q 的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁 场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。相邻 两纵模之间的频率之差：
为了得到激光，必须将激活物质置于光学谐振 腔中，如下图。 通过腔两端的反射，向光子提供正反馈。光信 号每通过一次增益媒质就得到一次放大。
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激光器中的光反馈及FP腔
这种光学结构称为法布里－珀罗谐振腔，简称 F-P谐振腔。 在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面 形成反射镜，即光腔。
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6
22℃ 30℃ 40℃ 50 ℃ 60 ℃
5
功 率 / mW
4 3 2 1 0 50 1 00 注入电流 / mA 1 50
70 ℃
动 画 演 示
80℃
图4.15 半导体激光器P―I曲线随温度的变化
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由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发 光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为：
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2、线宽
LD输出的有限线宽来自于两个因素：
一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉 动。
二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光 腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽Δν可 表示为：
X 1 4P
式中，X为自发发射事件的平均速率；P为光功率； α 为线宽提高因子，表示折射率实部与虚部之比。
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半导体激光器的工作特性 1、P-I特性 典型的半导体激光器如下图所示
3 .5 3 .0
功 率Baidu Nhomakorabea/ mW
2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 0 50 Ith 1 00 1 50
注入电流 / mA
图4.14 半导体激光器P―I曲线
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在模式特性上还要注意到横模的问题。
激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内，其 中TEM00为基横模，TEM10、TEM11等为高次横模。 由于TEM00 模的光斑与光纤中基模 LP01 模场光斑相 匹配，故耦合效率最高。
同时LD工作在TEM00模时相干性最好，因此在LD 的设计及结构上都应保证基横模工作。
3、激光振荡的阈值条件 在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断 增强，称为增益。 在F-P腔中，每次通过增益媒质时的增益尽管很 小，但经过多次振荡后，增益变得足够大。 当腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺 陷散射及端面输出）时，就产生了激光。
见下图：
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FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c)
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由上式可知，为了降低LD的线宽，可采取下列措施： 增大光功率（或腔内总光子数）。
减小自发发射速率。
从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一点可通过改变腔结构、增加总体积、增加单 位体积内储能（如增加端面反射系数）或增加输出功 率来实现。
第二点可通过注入锁定来实现。
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c f 2nL
称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。
F-P腔的透射频谱特性如下图：
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半功率点全宽为：
f1 / 2 f / F
F为F-P腔的精细度，可表示为：
F
R增大，F增大。
R
1 R
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T I th (T ) I 0 exp( ) T0
其中,T为器件的绝对温度；T0为激光器的特征 温度；I0为常数。 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在 驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持 器件的温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷 器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器 件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。
从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流 Ith 。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的
自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注
入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功
率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线
性关系。 半导体激光器的P―I特性对温度很敏感，下图给 出了不同温度下P―I特性的变化情况。
第三点，通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子 密度，有效减少激光场的幅值-个位耦合。