半导体激光器设计

半导体激光器设计

摘要: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。

关键词:受激辐射;光场;同质结;异质结;大功率半导体激光器

0 前言

半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器,又称半导体激光二极管(LD) ,是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种,例如砷化镓(GaAs) ,硫化镉(CdS)等,激励方式主要有电注入式,光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作;从同质结发展成单异质结,双异质结,量子阱(单,多量子阱)等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展,高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展.半导体激光器的体积小,重量轻,成本低,波长可选择,其应用遍布临床,加工制造,军事,其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。

1半导体激光器的工作原理

1.1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。

2.2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。

2.3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％。

2.4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

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 ；()

00exp T T I I th =

InGaAsP/InP-LD T0=40~70K

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