半导体激光器的设计

半导体激光器设计
半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒
子数反转，并有光学谐振腔。

由于半导体材料物质结构的特异性和
其中电子运动的特殊性,一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处,另一方面所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广
泛应用。

从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈
发明显,光谱范围宽, 相干性增强,使半导体激光器开启了激光应用
发展的新纪元。

1半导体激光器的工作原理
激光产生原理
半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具
备三个基本条件:
(1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在
半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处
在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠
给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现。

将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。

当处于粒子
数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。

(2)要实际获得相干受激辐射,必须使受激辐射在光学谐振腔内
得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自
然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜.对F—p腔 (法布里一珀罗腔)半导体激
光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面
一[110]面构成F—P腔。

(3)为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗,不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入,即有足够的粒子数反转,粒子数反转程度越高,得到的增益就越大,即要求必须满足一定的电流阀值条件.当激光器达到阀值时,具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大,最后形成激光而连续地输出. 可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。

1.2 双异质结基本结构
将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。

用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm 的半导体激光器在室温下能连续工作。

图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向
偏压下
电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注进有源区。

它们在该区的扩散又分别受到P－p异质结和N－p异质结的限制，从而可以在
有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。

同时，
窄带隙有源区高的折射率与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限
制光子在有源区内的介质光波导。

2 半导体激光器的工作特性
2.1阈值电流
当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增
大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。

影响阈值的几个
因素：
（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。

目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为
8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。

现在已用双异质结制成在室
温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

（4）温度愈高，阈值越高。

100K以上，阈值随T的三次方增加。

因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

方向性
由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直
平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°
左右。

量子效率
η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数77K时，
GaAs 激光器量子效率达70％－80％；300K 时，降到30％左右。

功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率。

由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。

光谱特性
由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs 激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。

输出激光的峰值波长：77K 时为840nm ；300K 时为902nm
2.2温度特性
Ith —温度为T 时的阈值电流
I0—一个常数
T —结区的绝对温度
T0—LD 的特征温度，与器件的材料、结构等有关。

对于
GaAs/GaALAs-LD T0=100~150K ；InGaAsP/InP-LD T0=40~70K
()
00exp T T I I th =
2.3半导体激光器的调制特性
半导体激光器的注入电流半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器 ,亦称半导体激光二级管。

利用半导体激光器作干涉测量的光源 ,就是利用其在低频调制时注入电流与输出光频的线性关系。

但不同的半导体激光器的这个线性关系又略有不同 ,因此 ,利用半导体激光器作为干涉测量系统的光源 ,就必须清楚地了解所用半导体激光器的注入电流的调制特性。

当半导体激光器的注入电流发生改变时 ,其输出特性随之变化 : ( 1) 当注入电流大于半导体激光器的阈值后 , 输出光为激光。

且随着电流值的增加 , 会有模跳变现象发生。

任意两个相邻跳模间的线性区域不同 ,调制系数不同 ; ( 2) 根据注入调制电流频率的大小 ,可将半导体激光器的输出光频特性分为线性区和非线性区。

干涉测量系统的测量精度在一定程度上取决于注入电流与输出光频的线性关系及线性区的大小。

理想的线性关系 ,较大的线性区是所期望的。

但半导体激光器的线性区大多都比较小 ,在阀值以上有多个跳模存
在。

因此 , 恰当地选择线性段 , 避免跳模的影响是关键 ; ( 3) 注入电流增加 ,输出光功率增大 ,谱线宽度变窄 ,相干长度上升
[1 ] 。

注入电流的增加是有一定限制的 ,最高工作电流不应超过
阀值电流的四倍 ,否则器件会迅速老化。

2 实验为了研究半导体激光器输出光频与注入电流的关系 , 人们作了许多工作。

使用
的仪器大多为光栅单色仪和法卜理———帕罗干涉仪 [2 ]
3 半导体激光器实用组件
激光器组件是指在一个紧密结构中（如管壳中），除激光二极
管（LD）芯片外，还配置其他元件和和实现LD工作必要的少量电路块的集成器件。

主要包括：
(1)光隔离器：其作用是防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输。

位于LD的输出光路上；
(2)监视光电二极管（PD）：其作用是监视LD的输出功率变化，通
常用于自动功率控制。

位于LD背出光面；
(3)尾纤和连接器；
(4)LD的驱动电路（包括电源和LD芯片之间的阻抗匹配电路）；
(5)热敏电阻：其作用是测量组件内的温度；
(6)热电制冷器（TEC）：一种半导体热电元件，通过改变外部工作
电流的极性达到加热和冷却目的；
(7)其他准直激光器输出场的透镜、光纤耦合器及固定光纤的支架等。

设计心得
经过这次设计，我懂得了不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。

最后终于做完了有种如释重负的感觉。

此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢我的指导老师武锦辉老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。