半导体激光器简介

（2）工作物质（激活物质），实现粒子数反转。
谐振腔
• 腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传播方向偏离轴方 向的逸出而淘汰。
• 反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到“相长干涉” 后， 反射加强，光强度得到放大。
• 精心设计腔长，使所需频率的波形成驻波(两端为波)， 形成稳定的振荡 得到加强。
• (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(法布里一玻罗腔)半导体激光器可以很 方便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔.
（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。 （3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。
半导体的分类
（1）本征半导体 纯净的半导体，如硅、锗等。
半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满 带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）
外
导带
场
满带
E
本征半导体材料 Si
• 两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。 谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；使激光有极好的方向性、
单色性。即对光放大实行 选择、控制、增强 的作用。
光学谐振腔：法布里－珀罗 (F-P) 谐振腔
1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔) 2. 光的产生及方向选择
1) 少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子 3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出
• 半导体激光器的模式特性
LD的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸） 及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈 值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在 实际应用中，模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参量。
LD工作在基横模时，相干性最好，因此要求LD在设计和结构上保证基横 模工作。根据基横模的条件通过对光载流子的横向以及垂直向限制、 减小有源区宽度和厚度等措施可以实现LD的基横模工作。
100%
90%
法布里－珀罗 (F-P) 谐振腔
• 半导体激光器的通用结构
光反馈装置
有源区
输出光
频率选择元件
光波导
LD的通用结构 • 如图所示，一个典型的半导体激光器应当由下面几部分组成： • 有源区（又称为增益区） 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。有源区通常由一个或
多个垂直方向的PN结构成。 • 光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 • 频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 • 光束的方向选择元件 光反馈装置可以选择激光器光束的方向。 • 光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。
半导体激光器简介
目录
• 半导体激光器分类 • 半导体发光机理 • 半导体的分类 • 半导体激光器的原理和结构 • 半导体激光器性质 • 几种典型半导体激光器 • 半导体激光器应用及举例
• 半导体激光器分类
半导体激光器的种类很多，下图进行了简单示意。半导体激光器可 以根据有源层材料、发射波长、器件结构、输出功率和应用领域等不 同方式进行划分，分类方式灵活，相互交错。
一般温度下，杂质的价电子很容 易 被激发跃迁至导带，成为导电电子， 使导带中的电子浓度大大增加。 n 型 半导体以电子导电为主。
E
导带 施主能级
满带
n 型半导体
外场
非本征半导体材料：n型
施主杂质
AAss+54
掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束 缚，只要很少的能量ED (0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。
半导体激光器不同种类示意图
一、半导体异质结发光机理
物质原子结构的图象：
半导体固体能带结构
(由多个原子的能级组成)：
固体的能带理论
固体由原子组成，原子具有量子化的能级。由于化学环境及物理的 原因，原子的能级要发生变化——
• 每个原子核外电子的能级叠合成彼此相差很小的一组能带：原子内层 能级被电子填满，由它们形成的能带也被电子占满，称为满带(价带)； 外层能级未被电子填满，它们形成的能带亦未被填满，称为导带。两者 间的能量距离g，称为禁带。
（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。
• 半导体激光器的工作原理
•
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，向有源层内注人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。
E
导电为主。
附：几个3、4、5价的元素
In3 Al 3 B 3 Ga 3 Si 4 Ge 4 P 5 As5 Sb5
非本征半导体材料：p型
B 受主杂质
掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量 EA < Eg 就可以产生自由空穴
P-N结：
（1）形成：P与N密切接触
P型材料中的空穴将向N型材料扩散；N型材料 中的电子将向P型材料扩散。
典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线
• 2、P-I特性
•
P-I 特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律，
因此是激光器最重要的特性之一。
典型的激光器P-I曲线
• 由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，随注入电流的不同而 经历了几个典型阶段。
• 当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导 地位，半导体激光器发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于 一般的发光二极管。
• 半导体激光器的性质
• 1、伏安特性
•
伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表
示。V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。与伏安特性相关联的
一个参数是LD的串联电阻。对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电
流（I）处的串联电阻（dV/dI）。对LD而言总是希望存在较小的串联
电阻。
1. 粒子数反转 产生大量的受激辐射 2. 光反馈 光放大 (增益 > 损耗) 3. 相位条件 波长选择
粒子的正常玻尔兹曼分布：
E
N Ae KT (E , N )
要得到激光，必须实现粒子数反转，使受激辐射占优势，为保证实 现粒子数反转必须有:
（1）激励能源（泵浦）—电、光、气体放电、化学、核能等。
• (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激光从腔面输出等引起的损耗，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 阈值条件。当激光器达到阈值，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。
半导体激光器的工作原理
简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和 一层很薄的有源层构成。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向 P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生 光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只 能自发辐射（荧光），光向四面八方传播；当注入电流大到一定程度 时，便向外输出激光。
E2 - E1 = hv E2
E1 (a) 受激跃迁
E2 hv
E1 (b) 自ຫໍສະໝຸດ Baidu辐射：非相干光
E2 hv
hv
hv
E1
(c) 受激辐射：相干光
LD的原理和结构
激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条 件是：
因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。
• 2．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（见下图）。
• 3．效率 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
硅的晶格结构 (平面图)
硅的晶格结构
E 电子和空穴是成对出现的
Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电
（2）杂质半导体
* n 型半导体
当四价的元素中 掺入少量五价元 素时形成n 型半导体。如：硅中掺入 杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能 级位于导带底附近（称为施主能级）。
* P 型半导体
外场
导带
四价的元素中掺入
少量三价元素时形成 P 型半导体，如： 受主能级
在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子
的局部能级位于价带顶附近（称为受
主能级）。
满带
一般温度下，满带中的电子很容
易被激发跃迁至杂质能级上，满带中 留下的空穴也将因此而大大增加，而 成为多数载流子。P 型半导体以空穴
P 型半导体
结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到
平衡，形成P-N结。
（2）作用：
PN
PN 结 具 有 单 向 导
电作用,是制造整流器和集
正向连接
成电路的基本结构。
P N
P N
反向连接
正向连接时，P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N 结， 形成P N的 正向宏观电流。
反向连接时，P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N 结。故 P-N结具有单 向导电的性能。
半导体异质结的发光与吸收
自发辐射与受激辐射：
导带的电子不稳定，向价带 跃 迁 与 空 穴 复 合 而 放 出 光 子 —— 光辐射。如果跃迁是自发的，则 光子具有随机的方向、相位及偏 振态，称为自发辐射；
如果受到入射光子的激励， 辐射的光子与入射光子有相同的 方向、相位及偏振态，称为受激 辐射。
光作用下的跃迁和辐射 hv
•
P-I 特性曲线决定了一系列半导体激光器参数与特性：
C B
A O
• 半导体激光器的工作特性
•
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。
％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％。
• 4．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。
• 随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占 主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足 以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，半导体激光器发射 的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。
• 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光， 光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。
• 下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，这里仅画出了导带 和满带。从能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的禁带不同， 前者较窄，后者很宽，而金属的 g =0 。
外
外
E
场E
导带
场
E
Eg 10eV
导带
Eg 1eV
禁带
满带 （1）半导体
禁带
满带 （2） 绝缘体
导带 满带 （3）金属
（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场 作用下运动而参与导电。