半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素

1、半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素半導(dǎo)體激光器是一類非常重要的激光器，在光通信、光存儲等很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng) 用。下面我將探討半導(dǎo)體激光器的波長、光譜、光功率、激光束的空間分布等四個(gè)方面的 輸出特性，并分析影響這些輸出特性的主要因素。1. 波長半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長是由導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量決定的，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)。hf = Egf (Hz)和入(卩m)分別為發(fā)射光的頻率和波長且c=3 x 108m/s , h=6.628 x 10-34 J s , leV=1.60 x 10-19 J1.24Eg(eV)(m)GaAlAs-GaAs 材料決定半導(dǎo)體激光器輸出光波

2、長的主要因素是 半導(dǎo)體材料 和溫度。 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度 Eg，因而有不同的發(fā)射波長入：適用于0.85卩m波段，InGaAsP-lnP材料適用于1.31.55卩m波段。 溫度的升高會使半導(dǎo)體的禁帶寬度變小，導(dǎo)致波長變大。2. 光功率oodhf 八,x半導(dǎo)體激光器的輸出光功率PPth (I Ith)e其中I為激光器的驅(qū)動電流，Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；n d為外 微分量子效率；hf為光子能量；e為電子電荷。hf、e為常數(shù)，Pth很小可忽略。由此可知，輸出光功率主要取決于 驅(qū)動電流I、閾值電流Ith 以及外微分量子效率n d。驅(qū)動電流是可隨意調(diào)節(jié)的， 因此這里

3、主要討論后兩者。 除此之外， 溫度也是影響光功率的重要因素。1) 閾值電流半導(dǎo)體激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示。當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱為閾值電流，用Ith表示。當(dāng)激勵電流I Ith時(shí)，有源區(qū)不僅有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而且達(dá)到了諧振條件，受激輻射為主，輸出功率急劇增加，發(fā)出的是激光，此時(shí)P-I曲線是線性變化的。對于激光器來說，要求閾值電流越小越好。0 20 40 60 SO功電流1 mA(b)典據(jù)半孑體激尤器的光功率特性（a）用波 LiAlGaAs GaAs （b）長波 KlnGaAsP InP閾值電流主要與下列影響因素有關(guān):a）晶體的摻

4、雜濃度越大，閾值電流越小。b）諧振腔的損耗越小，閾值電流越小。c）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)小得多。d）溫度越高，閾值電流越大。d定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量2）外微分量子效率 外微分量子效率n 之比，其表達(dá)式為(P Ph)/hf(I Ith)/ePPthth外微分量子效率代表了半導(dǎo)體激光器的電一一光轉(zhuǎn)換效率，它與內(nèi)量子效率、載流子對有源區(qū)的注入效率、光在諧振腔內(nèi)的損耗情況、諧振腔端面的反射系數(shù)和溫度等因素有關(guān)。它對應(yīng)著P-I曲線線性部分的斜率。3）溫度半導(dǎo)體激光器對溫度很敏感，其輸出功率隨溫度變化而變化。/(mA)溫度變化將改變激光器的輸出光功

5、率，有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大。溫度對閾值電流的影響，可用下式描述:I I eT /T0th 0C式中，Io表示室溫下的閾值電流，T表示溫度，To稱為特征溫度（表示激光器對溫度的敏感 程度）。一般 InGaAsP 的激光器，To =50 80K ; A1GaAs/GaAs 的激光器，To =100150K。二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。如GaAs激光器，絕對溫度 77K時(shí)，n d約為3.50% ;當(dāng)絕對溫度升高到 300K時(shí)，n d只有約30%。光譜半導(dǎo)體激光器的光譜隨著驅(qū)動電流的變化而變化。a）所示。當(dāng)I Ithb）所示。當(dāng)驅(qū)動電流IV閾值電流Ith時(shí)，發(fā)出的是熒

6、光，光譜很寬，如圖（ 后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖（(a低PHffi吋:Ly855OA855UA(b)髙闌值時(shí)當(dāng)驅(qū)動電流達(dá)到閾值后， 隨著驅(qū)動電流的增大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動 電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模。驅(qū)動電流增加此外，溫度也會影響半導(dǎo)體激光器的光譜。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的禁帶寬度變小, 將導(dǎo)致整個(gè)光譜向長波長方向移動。4.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。近場是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。近場和遠(yuǎn)場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度 w和垂直于PN吉平面的厚度t所決定的，并稱為激光器的 橫模。平 行于結(jié)平面的諧振腔寬度 w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的 諧振腔厚度t很薄，這個(gè)方向的場圖總是單橫模。%*= 10 pillUJH20 piliHljuih5II “in10injsn#GAlAa-DH條形激光養(yǎng)的近場和遠(yuǎn)場圖樣下圖為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)