22 半导体激光器PPT课件

绝缘介质
P-InGaAsP
P-InP
N-InP
InGaAsP
N+-InP衬底
图2.2.2-2 增益导引型半导体激光器
二、折射率导引型半导体激光器
通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引 入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光 器称为折射率导引型半导体激光器。
接点
SiO2 P-InP SiO2
提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下， 因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态 （最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级） 的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐 射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使 亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的 反转。
双异质结（DH：Double-Heterostructure）：就是由带 隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。
（a）
+
P
Ga1-x Al x As
E （b） 能
量
n
（c）
折 射
率
（d） P
空穴
P
GaAs
N
-
Ga1-y Al y As
电子
复合 异质势垒
～5%
图 2.2.1-2 DH激光器工作原理 （a） 双异质结构； （b） 能带； （c） 折射率分布； （d） 光功率分布
获得粒子数反转分布
• 异质结的作用：
• 异质结对载流子的限 制作用
• 异质结对光场的限制 作用
• 异质结的高注入比
半导体激光器研究前沿
夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体 （如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的 半导体激光器其有源层厚度约为100～200nm，但随着有源层 厚度的减小，如5～10nm，载流子在垂直于有源层方向上出 现量子效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器。
N-InP InGaAsP有源层 N+-InP衬底
图2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器
几种典型的折射率导引激光器
§2.2.3 半导体激光器的特性
一、光谱特性
图2.2.3-1为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。
驱动电流增大 →
→
832 830 828 826 824
832 830 828 826 824
这种激光器发光效率更高，电 流阈值更小，出射光单色性更好。
导带
E3C E2C E1C
ΔEC
垂直于有源层方向上运动的载
hv
流子动能可量子化成分立的能级，
Eg(GaAlAs) Eg(GaAs)
这类似于一维势阱的量子力学问题， E1V
因而这类激光器叫做量子阱激光器。
E2V
E3V 价带
E1V E2V
ΔEV
Lx
半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的 半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（InAs）、氮化 镓（GaN）、锑化铟（InSb）、硫化镉（Cds）、蹄化 镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（PhTe）、铝镓 砷（A1xGaAs）、铟磷砷（In-PxAs）等。
半导体激光器的工作原理
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约 0.1μm）、P型和N型限制层构成，如图2.2.2-1所示。
金属接触
电流
100μm
有源层
P型 N型 300μm
200μm 解理面
图2.2.2-1 大面积半导体激光器
这样的激光器面积大，称为大面积激光器。 为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用 了增益导引型和折射率导引型结构。
基本条件：
1. 有源区载流子反转分布 2. 谐振腔：使受激辐射多次
反馈，形成振荡 3. 满足阈值条件，使增益>损
耗，有足够的注入电流。
§2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件
• 激光器稳定工作的必要条件 :
（1） 粒子数反转产生增益 粒子数反转（population inversion）是产生激光的前
半导体激光器粒子数反转分布的产生：
在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外 加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电 场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运 动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。
增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子 和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。 要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光 施加附加的限制——双异质结的引入。
§2.2 半导体激光器
● 2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件 ● 2.2.2 半导体激光器的结构 ● 2.2.3 半导体激光器特性 ● 2.2.4 LD的应用
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或 PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是 受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导 体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组 成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出 激光。
832 830 828 826 824
图2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图
一、增益导引型半导体激光器
解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一 个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器，其结构如 图2.2.2-2所示。将一绝缘层介质（SiO2）淀积在P层上，中间 敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实 现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器。
I
增益曲线
损耗
v
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工 作模式，即在该频率上形成激光输出。
有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通 过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模 式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
§2.2.2 半导体激光器的结构
§2.2.2 半导体激光器的结构
（2） 提供光的反馈 ——解理面 晶体中易于劈裂的平面称为“解理面”。凡显露在晶体外 表的晶面往往是一些解理面。
其中最简单的是法布 里——珀罗腔
注入电流
解理面
有源区
L
解理面
Hale Waihona Puke BaiduR1
增益介质
R2
z=0
z=L
图2.2.1-1 激光二极管的谐振腔
（3） 满足激光器的阈值条件
只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振 荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入 电流称为阈值电流。