半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。

1． 波长

半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。

hf = Eg f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ， h=6.628×10−34 J ·s ，leV=1.60×10−19 J

得

决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 λ

c =f ) ( )(24.1m eV Eg μλ=

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85 μm 波段， InGaAsP-InP 材料适用于

1.3~1.55 μm 波段。

温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。

2． 光功率

半导体激光器的输出光功率

其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值

功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量

子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。

hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节

的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。

1）阈值电流

半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线

)

(th d th I I e hf

P P -+=η

表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th表示。当激励电流I< I th时，有源区无法达到粒子数反转，也无法达到谐振条件，以自发辐射为主，输出功率很小，发出的是荧光；当激励电流I> I th时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。

阈值电流主要与下列影响因素有关：

a)晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。

b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。

c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。

d) 温度越高，阈值电流越大。

2）外微分量子效率

外微分量子效率ηd 定义为激光器达到阈值

后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为

外微分量子效率代表了半导体激光器的电——光转换效率，它与内量子效率、载流子对有源区的注入效率、光在谐振腔内的损耗情况、谐振腔端面的反射系数和温度等因素有关。它对应着P-I 曲线线性部分的斜率。

3）温度

半导体激光器对温度很敏感，其输出功率随温度变化而变化。

th th th th d /)(/)(I I P P e I I hf P P --=--=η

温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：

一是激光器的阈值电流随温度升高而增大。温度对阈值电流的影响，可用下式描述：

式中，I 0表示室温下的阈值电流，T 表示温度，T 0

称为特征温度（表示激光器对温度的敏感程度）。一般InGaAsP 的激光器，T 0

=50～80K ；A1GaAs/GaAs 的激光器， T 0

=100～150K 。 二是外微分量子效率随温度升高而减小。如GaAs 激光器，绝对温度77K 时，ηd 约为50%；

/0T T th e I I

当绝对温度升高到300K时, ηd只有约30%。

3．光谱

半导体激光器的光谱随着驱动电流的变化而变化。

当驱动电流I＜阈值电流I th时，发出的是荧光，光谱很宽，如图（a）所示。当I＞I th后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图（b）所示。

当驱动电流达到阈值后，随着驱动电流的增大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模。

此外，温度也会影响半导体激光器的光谱。随着温度的升高，半导体的禁带宽度变小，将导致整个光谱向长波长方向移动。

4．激光束的空间分布

激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于PN结平面的厚度t 所决定的，并称为激光器的横模。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。

下图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。