半導(dǎo)體激光器綜述

1、 2.2.1 光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性半導(dǎo)體激光器特性 2.2.4 LD的應(yīng)用的應(yīng)用 半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)或結(jié)或PIN結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。其工作原理是結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。其工作原理是受激輻射，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)受激輻射，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋

2、、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。激光。半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化稼（半導(dǎo)體材料有砷化稼（GaAs）、砷化銦（）、砷化銦（InAs）、氮化）、氮化鎵（鎵（GaN）、銻化銦（）、銻化銦（InSb）、硫化鎘（）、硫化鎘（Cds）、蹄化）、蹄化鎘（鎘（CdTe）、硒化鉛（）、硒化鉛（PbSe）、啼化鉛（）、啼化鉛（PhTe）、鋁）、鋁鎵砷（鎵砷（A1xGaAs）、銦磷砷（）、銦磷砷（In-PxAs）等。）等。半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理基本條件基本條件：1.

3、有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布2. 諧振腔：使受激輻射多次反饋，形成振蕩3. 滿足閾值條件，使增益損耗，有足夠的注入電流。2.2.1光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件（1） 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）是產(chǎn)生激光的前）是產(chǎn)生激光的前提。一個原子可以在不同的能級之間躍遷。在通常情況下，提。一個原子可以在不同的能級之間躍遷。在通常情況下，因?yàn)闊崃W(xué)的平衡態(tài)服從波爾茲曼分布律，使得處于基態(tài)因?yàn)闊崃W(xué)的平衡態(tài)服從波爾茲曼分布律，使得處于基態(tài)（最低能級）的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于處于激發(fā)態(tài)（較高能級）（最低能級）的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于處

4、于激發(fā)態(tài)（較高能級）的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了形成足夠的激發(fā)輻的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了形成足夠的激發(fā)輻射，得到激光，就必須用一定的方法去激發(fā)原子群體，使射，得到激光，就必須用一定的方法去激發(fā)原子群體，使亞穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。在在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動方向與電加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動方向與電場方向相反，便使場方向相反，便使N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，區(qū)運(yùn)

5、動，P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)區(qū)運(yùn)動，最后在動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)增益區(qū)。 半導(dǎo)體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的產(chǎn)生：半導(dǎo)體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的產(chǎn)生：增益區(qū)的導(dǎo)帶有大量的電子，價帶大量是空穴，在電子增益區(qū)的導(dǎo)帶有大量的電子，價帶大量是空穴，在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復(fù)合，和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生產(chǎn)生自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光。這種光發(fā)射的范圍寬、不集中、效率低。這種光發(fā)射的范圍寬、不集中、效率低。要真正實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以發(fā)射激光，必須對載流子及發(fā)射光要真正實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以發(fā)射激光，必須對載流子及發(fā)射光施加附加的限制

6、施加附加的限制雙異質(zhì)結(jié)的引入雙異質(zhì)結(jié)的引入。雙異質(zhì)結(jié)（雙異質(zhì)結(jié)（DH：Double-Heterostructure）：就是由帶）：就是由帶隙寬度及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的隙寬度及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。結(jié)。圖圖 2.2.1-2 DH激光器工作原理激光器工作原理（a） 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)； （b） 能帶；能帶；（c） 折射率分布；折射率分布； （d） 光功率分布光功率分布 （d）Pn5%折射率折射率（c）復(fù)合復(fù)合空穴空穴異質(zhì)勢壘異質(zhì)勢壘E電子電子能量能量（b）PGa1-x Al x AsPN+（a）-GaAsGa1-y Al y As 異質(zhì)結(jié)的作用：異質(zhì)結(jié)對載流子

7、的限制作用異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用異質(zhì)結(jié)的高注入比半導(dǎo)體激光器研究前沿半導(dǎo)體激光器研究前沿垂直于有源層方向上運(yùn)動的載垂直于有源層方向上運(yùn)動的載流子動能可量子化成分立的能級，流子動能可量子化成分立的能級，這類似于一維勢阱的量子力學(xué)問題，這類似于一維勢阱的量子力學(xué)問題，因而這類激光器叫做量子阱激光器。因而這類激光器叫做量子阱激光器。夾于寬帶隙半導(dǎo)體（如夾于寬帶隙半導(dǎo)體（如GaAlAs）中間的窄帶隙半導(dǎo)體）中間的窄帶隙半導(dǎo)體（如（如GaAs）起著載流子（電子和空穴）陷阱的作用，一般的）起著載流子（電子和空穴）陷阱的作用，一般的半導(dǎo)體激光器其有源層厚度約為半導(dǎo)體激光器其有源層厚度約為100200nm，但

8、隨著有源層，但隨著有源層厚度的減小，如厚度的減小，如510nm，載流子在垂直于有源層方向上出，載流子在垂直于有源層方向上出現(xiàn)量子效應(yīng)，即出現(xiàn)量子化分立能級，稱之為現(xiàn)量子效應(yīng)，即出現(xiàn)量子化分立能級，稱之為量子阱激光器量子阱激光器。這種激光器發(fā)光效率更高，電這種激光器發(fā)光效率更高，電流閾值更小，出射光單色性更好。流閾值更小，出射光單色性更好。ECE3CE2CE1CEVE1VE2VE3V導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶LxE1VE2VEg(GaAlAs)hvEg(GaAs)（2） 提供光的反饋提供光的反饋 解理面解理面其中最簡單的是法布其中最簡單的是法布 里里珀羅腔珀羅腔圖圖2.2.1-1 激光二極管的諧振腔激光二

9、極管的諧振腔注入電流注入電流有源區(qū)有源區(qū)解理面解理面解理面解理面L增益介質(zhì)增益介質(zhì)R1R2z = 0z = L晶體中易于劈裂的平面稱為晶體中易于劈裂的平面稱為“解理面解理面”。凡顯露在晶體外。凡顯露在晶體外表的晶面往往是一些解理面。表的晶面往往是一些解理面。（3） 滿足激光器的閾值條件滿足激光器的閾值條件只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為蕩，這一增益稱為閾值增益閾值增益。為達(dá)到閾值增益所要求的注入。為達(dá)到閾值增益所要求的注入電流稱為電流稱為閾值電流閾值電流。一個縱模只有在其增益大于或等于損耗時，才能成為工一個縱模只有

10、在其增益大于或等于損耗時，才能成為工作模式，即在該頻率上形成激光輸出。作模式，即在該頻率上形成激光輸出。有有2個以上縱模激振的激光器，稱為個以上縱模激振的激光器，稱為多縱模激光器多縱模激光器。通。通過在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一個模過在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一個模式激振，這樣的激光器稱為式激振，這樣的激光器稱為單縱模激光器單縱模激光器。 增益曲線增益曲線損耗損耗vI2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1m）、）

11、、P型和型和N型限制層構(gòu)成，如圖型限制層構(gòu)成，如圖2.2.2-1所所示。示。圖圖2.2.2-1 大面積半導(dǎo)體激光器大面積半導(dǎo)體激光器電流電流金屬接觸金屬接觸P型型N型型有源層有源層300m200m100m解理面解理面這樣的激光器面積大，稱為這樣的激光器面積大，稱為大面積激光大面積激光器。器。為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實(shí)際的激光器采為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實(shí)際的激光器采用了用了增益導(dǎo)引型增益導(dǎo)引型和和折射率導(dǎo)引型折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。圖圖2.2.2-2 增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器一、增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器一、增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流

12、限制在一解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流限制在一個窄條里，這樣的激光器稱為個窄條里，這樣的激光器稱為條形半導(dǎo)體激光器條形半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如，其結(jié)構(gòu)如圖圖2.2.2-2所示。將一絕緣層介質(zhì)（所示。將一絕緣層介質(zhì)（SiO2）淀積在）淀積在P層上，中間層上，中間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的增益來實(shí)敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的增益來實(shí)現(xiàn)的，這樣的激光器稱為現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)P-InGaAsPInGaAsPP-InPN-InPN+-InP襯底襯底二、折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器二、折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體

13、激光器通過在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)而形成的波導(dǎo)，引通過在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)而形成的波導(dǎo)，引入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問題，這種激光入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問題，這種激光器稱為器稱為折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。圖圖2.2.2-3 折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器接點(diǎn)接點(diǎn)N-InPN+-InP襯底襯底SiO2SiO2P-InPInGaAsP有源層有源層幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器幾種典型的折射率導(dǎo)引激光器2.2.3 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性 一、光譜特性一、光譜特性圖圖2.2.3-1 GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性

14、示意圖雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖圖圖2.2.3-1為為GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性。雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性。波長取決于激光器的光學(xué)腔長，稱為激光器的波長取決于激光器的光學(xué)腔長，稱為激光器的縱模縱模。驅(qū)動電流增大驅(qū)動電流增大 832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為靜態(tài)靜態(tài)單縱模激光器單縱模激光器。DFB激光器激光器單縱模窄線寬激光器：單縱模窄線寬激光器：諧振腔損耗有明顯的波長依賴性廣泛應(yīng)用于高速光通訊、精密光譜分析廣泛應(yīng)用于

15、高速光通訊、精密光譜分析二、激光束的空間分布二、激光束的空間分布近場近場是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布，是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)遠(yuǎn)場場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。 由于激光腔為矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此近場分由于激光腔為矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此近場分布表征其橫模特性，在平行于結(jié)平面的方向，光布表征其橫模特性，在平行于結(jié)平面的方向，光強(qiáng)呈現(xiàn)周期性的空間分布，稱為強(qiáng)呈現(xiàn)周期性的空間分布，稱為多橫模多橫模；在垂直；在垂直于結(jié)平面的方向，由于諧振腔很薄，這個方向的于結(jié)平面的方向，由于諧振腔很薄，這個方向的場圖總是場圖總是單橫模單橫模。遠(yuǎn)場特性遠(yuǎn)場特性 隨有源

16、區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。 隨有源區(qū)寬度的減小而增大。 減小有源區(qū)的寬度，可以使遠(yuǎn)場更趨向于圓形光斑。 減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止。垂腔表面發(fā)射激光器垂腔表面發(fā)射激光器垂腔表面發(fā)射激光器垂腔表面發(fā)射激光器三、轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性三、轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性由此得到由此得到式中，式中，P和和I分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流，分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流，Pth和和Ith分別為對應(yīng)的閾值，分別為對應(yīng)的閾值，hf與與e分別為光子能量與電子電荷。分別為光子能量與電子電荷。（2.2.3-1）()/()/thdthPPhfP eIIeI hf（2.2.3-2）thth()dhfPPI

17、Ie激光器的電光轉(zhuǎn)換效率用激光器的電光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率外微分量子效率d 表示，表示，其定義為在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)。其定義為在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)。 激光器的輸出光功率通常用激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示，圖曲線表示，圖2.2.3-3為為典型典型LD的光功率特性曲線。當(dāng)?shù)墓夤β侍匦郧€。當(dāng) 時，激光器發(fā)出的時，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng)是自發(fā)輻射光，當(dāng) 時，發(fā)出的是受激輻射光，光時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。圖圖2.2.3-3 典型典型LD的光功率特性曲線的光功率特性曲線thIIthI

18、I543210 0 50 100 I / /mA發(fā)射光功率發(fā)射光功率P/mW 四、溫度特性四、溫度特性溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。圖子效率隨溫度升高而減小。圖2.2.3-4 給出了給出了LD的的P-I曲線曲線隨溫度變化的實(shí)例。隨溫度變化的實(shí)例。圖圖2.2.3-4 LD的的P-I曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化發(fā)射光功率發(fā)射光功率P/mW543210 0 50 100 I / /mA225070 一、光纖通信系

19、統(tǒng)的光源一、光纖通信系統(tǒng)的光源二、光學(xué)測量系統(tǒng)的光源二、光學(xué)測量系統(tǒng)的光源 三、泵浦、照明用光源三、泵浦、照明用光源四、其他應(yīng)用四、其他應(yīng)用目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中等，其中1310nm、1550nm主要用于光主要用于光纖通訊領(lǐng)域。纖通訊領(lǐng)域。405nm - 670nm為可見光波段，為可見光波段，780nm - 1550nm為紅外光波段，為紅外光波段，390nm - 370nm為紫外光波段。為紫外光波段。 半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業(yè)探測、測試測量儀