半導(dǎo)體激光器主要性能

1、關(guān)于半導(dǎo)體激光器的主要性能第1頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5 半導(dǎo)體激光器的主要性能1、閾值特性2、效率3、空間模式4、縱模5、線寬6、 動態(tài)特性7、 熱特性8、 可靠性第2頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5.1 閾值特性閾值是所有激光器的屬性，標(biāo)志著增益和損耗的平衡點(diǎn)。閾值常用電流密度Jth或者電流Ith表示。 影響激光器閾值特性的主要因素： 1）器件結(jié)構(gòu) 2）有源區(qū)材料 3）器件工作溫度1）器件結(jié)構(gòu)的影響 不同的器件結(jié)構(gòu)閾值電流有很大不同。 有源區(qū)的材料必須選用直接帶隙材料，材料的組分變化將會引起直接帶隙和間接帶隙躍遷的比率發(fā)生變

2、化，從而改變輻射頻率的波長。故：可通過薄膜生長工藝獲得不同的有源材料。2）有源層材料的影響第3頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四3）溫度的影響溫度變化對閾值電流產(chǎn)生明顯的影響，溫度升高，閾值電流增大，增大幅度因材料體系和器件結(jié)構(gòu)而異。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式為：Jth(T)= Jth (Tr) exp( (T-Tt) / T0 )Jth(T)、Jth (Tr) 分別為在某一溫度T和室溫Tr 下所測得閾值電流密度， T0 是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)擬合的參數(shù)，稱為特征溫度。且：當(dāng)To 時(shí)，閾值電流將不隨溫度變化，故提高To是一個(gè)重要研究內(nèi)容。閾值電流對溫度的依賴關(guān)系主要來自于下列因素：1）增益系數(shù)；

3、2）載流子的俄歇復(fù)合，載流子的界面態(tài)和表面態(tài)的復(fù)合，載流子吸 收引起的內(nèi)部損耗；3）熱載流子的漏泄。第4頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四閾值電流的測定？測定方法有四種：1）直線擬合法2）兩段直線擬合法3）一次微分法4）二次微分法第5頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四描述激光器電子-光子轉(zhuǎn)換的效率，即電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿男?。分別用功率效率和外微分量子效率描述。1）功率效率4.5.2 半導(dǎo)體激光器的效率第6頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第7頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第8頁，共35頁，2022年，5月

4、20日，6點(diǎn)46分，星期四2）外微分量子效率而其中的 定義為斜率效率：第9頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5.3 半導(dǎo)體激光器的空間模式分為空間模和縱模（軸模），空間模是描述圍繞著輸出光束軸線附近某處的光強(qiáng)分布（或空間幾何位置上的光強(qiáng)分布），亦稱為遠(yuǎn)場分布。有橫模與側(cè)模之分（如下圖所示）?？v模則是一種頻譜，表示所發(fā)射的光束功率在不同頻率（波長）分量上的分布。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第11頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四1）半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角第12頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期

5、四第13頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四解決辦法：利用自聚焦透鏡對出射光進(jìn)行準(zhǔn)直。第14頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四2）半導(dǎo)體激光器的像散第15頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5.4 半導(dǎo)體激光器的縱模1）產(chǎn)生原因： 注： 入= 1.24 / Eg (2.1.1); 2nL = m入 （1.4.8）第16頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四2）縱模模譜第17頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四3）影響縱模譜的因素第18頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四可

6、見：電流增加，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，峰值波長發(fā)生紅移。第19頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第20頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四有源層的禁帶寬度Eg隨著溫度增加而變窄，輻射波長發(fā)生紅移。故：若選頻則控制溫度，若穩(wěn)定功率輸出，則選擇恒溫控制。第21頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4）激光器的單縱模工作條件Po/P1sat = 10 log( Po/P11 ) 可以得出，激光器單縱模工作時(shí)應(yīng)使Po超過P1sat至少12.8dB，此即為均勻加寬激光器中達(dá)到單縱模工作所需輸出功率的下限。第22頁，共35頁，2022年，5月20日，

7、6點(diǎn)46分，星期四第23頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5.5 半導(dǎo)體激光器的線寬定義：表征半導(dǎo)體激光器時(shí)間相干性的光譜純度，定義為光譜曲線半峰值處的全寬。一般的，在閾值以下的譜線寬度約為60nm左右，在閾值以上的譜線寬度大約在2-3nm或更小。半導(dǎo)體激光器的線寬比其他類別的激光器寬很多，主要原因如下：1）LD的腔長短、腔面反射率低，因而品質(zhì)因素Q值低；2）有源區(qū)內(nèi)載流子密度的變化引起的折射率變化，增加了激光輸出相 位的隨機(jī)起伏（或相位噪聲）。 下面曲線給出了LD線寬與1/P之間的關(guān)系、和溫度對線寬的影響。第24頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期

8、四第25頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5.6 半導(dǎo)體激光器的動態(tài)特性第26頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第27頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第28頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第29頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四第30頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 的電阻 1歐），L1為引線電感（1-2nH），Cs為旁路電容（0.3-1pF）。選擇并控制Cs和L1可明顯抑制類諧振現(xiàn)象。第31頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.5

9、.7 半導(dǎo)體激光器的熱特性引發(fā)機(jī)制：在半導(dǎo)體激光器中，由于不可避免的存在著各種非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，使其外微分量子效率只能達(dá)到20%-30%，意味著相當(dāng)部分注入的電功率轉(zhuǎn)換成了熱量，引起激光器的溫升。結(jié)果導(dǎo)致使LD的閾值電流增大、發(fā)射波長紅移、模式不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷、并嚴(yán)重影響器件的壽命。解決辦法：1）加風(fēng)扇或者冷水循環(huán)降溫；2）使用帕爾貼半導(dǎo)體制冷器。（通過控制帕爾貼制冷器的工作電流實(shí)現(xiàn)LD的溫度穩(wěn)定，見下圖）第32頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四3.8 半導(dǎo)體激光器的可靠性第33頁，共35頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 二、可靠性試驗(yàn)為保證LD在應(yīng)用中能有較長的工作壽命，