半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)

1、半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)摘 要:半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理，即必須建立特定激光能態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并有 光學(xué)諧 振腔。由于半導(dǎo)體材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性和其中電子運(yùn)動的特殊性,一方面產(chǎn)生激光的具體過 程有許多特殊之處，另一方面所產(chǎn)生的激光光束也有獨(dú)特的優(yōu)勢，使其在社會各方面廣泛應(yīng)用。從同質(zhì)結(jié)到異質(zhì)結(jié)，從信息型到功率型，激光的優(yōu)越性也愈發(fā)明顯，光譜 范圍寬，相干性增強(qiáng)，使半導(dǎo)體激光器開啟了激光應(yīng)用發(fā)展的新紀(jì)元。尖鍵詞：受激輻射；光場;同質(zhì)結(jié);異質(zhì)結(jié);大功率半導(dǎo)體激光器、八一0月唁半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器，又稱半導(dǎo)體激光二極管（LD）,是20世 紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種激光器。半導(dǎo)體激光

2、器的工作物質(zhì)有幾十種，例如碑化傢（GaAs），硫化鎘（CdS）等，激勵(lì)方式主要有電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式三種。 半導(dǎo)體激光器從最初的低溫（77K）下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作；從同質(zhì)結(jié)發(fā)展成單異質(zhì)結(jié) 雙異質(zhì)結(jié),量子阱（單，多量子阱）等多種形式。半導(dǎo)體激光器因其波長的擴(kuò)展，高功率激光陣 列的出現(xiàn)以及可兼容的光纖導(dǎo)光和激光能量參數(shù)微機(jī)控制的出現(xiàn)而迅速發(fā)展半導(dǎo)體激光器的體積小，重量輕，成本低,波長可選擇，其應(yīng)用遍布臨床，加工制造，軍事，其中尤以大 功 率半導(dǎo)體激光器方面取得的進(jìn)展最為突出。1半導(dǎo)體激光器的工作原理1.1激光產(chǎn)生原理半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)

3、基本條件：（1）增益條件：建立起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代 表電子 能量 的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這 靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注入必要的載流子來實(shí)現(xiàn)。將電子從能量較低的 價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合 時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。(2) 要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那

4、一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜對F p腔(法布里一珀羅腔)半導(dǎo) 體 激光器可以很方便地利用晶體的與P- n結(jié)平面相垂直的自然解理面一 110構(gòu)成FP 腔。(3) 為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損 耗 及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場這就必須要有足夠強(qiáng)的電流 注入， 即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電 流閥值條件當(dāng)激光器達(dá)到閥值時(shí)，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大,最后形成激光 而連續(xù)地輸出可見在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程。1.2雙異質(zhì)

5、結(jié)基本結(jié)構(gòu)將有源層夾在同時(shí)具有寬帶隙和低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，以便在垂直于結(jié)平 面的方向(橫向)上有效地限制載流子和光子。用此結(jié)構(gòu)于1970年實(shí)現(xiàn)了 GaAIAs/GaAs激射波 長為0.89卩曲勺半導(dǎo)體激光器在室溫下能連續(xù)工作。AKiaA圖表示出雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖和相應(yīng)的能帶圖在正向偏壓下電子和空穴分別從寬帶隙的N區(qū)和P區(qū)注進(jìn)有源區(qū)。它們在該區(qū)的擴(kuò)散又分別受到P -P 異質(zhì)結(jié)和NP異質(zhì)結(jié)的限制，從而可以在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平 衡載流子 濃度。同時(shí)，窄帶隙有源區(qū)高的折射率與兩邊低折射率的寬帶隙層構(gòu)成了一個(gè)限制光子在有源 區(qū)內(nèi)的介質(zhì)光波導(dǎo)。2半導(dǎo)體激光器的工作特性

6、2.1閾值電流當(dāng)注入Pn結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電 流時(shí)，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素：(1) 晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。(2) 諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。(3) 與半導(dǎo)體材料結(jié)型有尖，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值 電流大于30000A/cm2單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2;雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/Cm2現(xiàn)在已 用雙異質(zhì)結(jié) 制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。(4) 溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好 在低溫和室溫下工作。2.2方向性由于半導(dǎo)體激光

7、器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可 達(dá)20-30;在結(jié)的水平面內(nèi)約為10咗右。2.3量子效率n二每秒發(fā)射的光子數(shù)/每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù)77K時(shí)，GaAs激光器量子效 率達(dá) 70% 80%; 300K時(shí)，降到30%左右。功率效率n 1二輻射的光功率/加在激光器上的電功率。 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時(shí)的n 1最高10%，只有在低溫下才能達(dá)到30% 40%。2.4光譜特性由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶(導(dǎo)帶與價(jià)帶)之間，所以激 光線寬較寬，GaAs光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值 波長：77K時(shí)為

8、840nm 300K時(shí)為902nm2.2溫度特性I th= 1oexp T ToIth 溫度為T時(shí)的閾值電流I0個(gè)常數(shù)T結(jié)區(qū)的絕對溫度TO- LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有尖。對于 GaAs/GaALAs-LD T0T00T50KIn GaAsP/l nPLD T0=4070K圖5.22 1.3/miBH激光器的輸出功率一電流邙日擰陀間線2.3半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器的注入電流半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器，亦稱半導(dǎo)體激光二級管。利用半導(dǎo)體激光器作干涉測量的光源，就是利用其在低頻調(diào)制 時(shí)注入 電流與輸出光頻的線性尖系。但不同的半導(dǎo)體激光器的這個(gè)線性尖系又略

9、有不同，因此，利用 半導(dǎo)體激光器作為干涉測量系統(tǒng)的光源，就必須清楚地了解所用半導(dǎo)體激光器的注入電流的調(diào) 制特性。當(dāng)半導(dǎo)體激光器的注入電流發(fā)生改變時(shí)，其輸出特性隨之變化：（1）當(dāng)注入電流大于半導(dǎo)體激光器的閾值后，輸出光為激光。且隨著電流值 的增加，會有模跳變現(xiàn)象發(fā)生。任意兩個(gè)相鄰跳模間的線性區(qū)域不同，調(diào)制系數(shù)不同；（2） 根據(jù)注入調(diào)制電流頻率的大小，可將半導(dǎo)體激光器的輸出光頻特性分為線性區(qū)和非線性區(qū)。干涉測量系統(tǒng)的測量精度在一定程度上取決于注入電流與輸出光頻的線性尖系及線性區(qū)的大小。理想的線性尖系，較大的線性區(qū)是所期望的。但半導(dǎo)體激光器的線性區(qū)大多 都比較小，在閥值以上有多個(gè)跳模存在。因此，恰當(dāng)

10、地選擇線性段，避免跳模的影響是尖鍵；（3） 注入電流增加，輸出光功率增大，譜線寬度變窄，相干長度上升1 。注入電流的增加是有一定限制的，最高工作電流不應(yīng)超過閥值電流的四倍，否則器件會迅速老化。2實(shí)驗(yàn)為了研究半導(dǎo)體激光器輸出光頻與注入電流的尖系作了許多工作。使用的儀器大多為光柵單色儀和法卜理帕羅干涉儀2 3半導(dǎo)體激光器實(shí)用組件激光器組件是指在一個(gè)緊密結(jié)構(gòu)中(如管殼中)，除激光二極管(LD )芯片外，還配 置其他 元件和和實(shí)現(xiàn)LD工作必要的少量電路塊的集成器件。主要包括：(1) 光隔離器：其作用是防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸。位于 LD的輸出光路 上；(2) 監(jiān)視光電二極管(PD)：其作用是監(jiān)視LD的輸出功率變化，通常用于自動功率控制。位于 LD背出光面；(3) 尾纖和連接器；LD的驅(qū)動電路(包括電源和LD芯片之間的阻抗匹配電路)；(5) 熱敏電阻：其作用是測量組件內(nèi)的溫度；熱電制冷器(TEC)： 種半導(dǎo)體熱電元件，通過改變外部工作電流的極性達(dá)到加熱和 冷卻目 的；(7)其他準(zhǔn)直激光器輸出場的透鏡、光纖耦合器及固定光纖的支架等。參考文獻(xiàn)1 劉增基半導(dǎo)體激光源西安電子科技大學(xué)【期刊】光纖通信技術(shù)005,9( 10) : 8193.2 袁士彬嘍攵字光接收機(jī)噪聲