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1
§ 2.2半导体激光器
§ 2.2 半导体激光器
● 2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件
● 2.2.2 半导体激光器的结构
● 2.2.3 半导体激光器特性
● 2.2.4 LD的应用上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
2§ 2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件
§ 2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件
激光器稳定工作的必要条件,
(1) 粒子数反转产生增益
(2) 提供光的反馈,
其中最简单的是法布 里 —— 珀罗腔图 2.2.1-1 激光二极管的谐振腔注入电流有源区 解理面解理面
L
增益介质R1 R2
z=0 z=L
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3§ 2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为 阈值增益 。为达到阈值增益所要求的注入电流称为 阈值电流 。
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，
才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。
有 2个以上纵模激振的激光器，称为 多纵模激光器 。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为 单纵模激光器 。
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4
§ 2.2.2 半导体激光器的结构
§ 2.2.2 半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层
（厚度约 0.1μm）,P型和 N型限制层构成，如图 2.2.2-1所示。
图 2.2.2-1 大面积半导体激光器解理面金属接触电流有源层
P型
N型
300μ m
100μ m
200μ m
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5§ 2.2.2 半导体激光器的结构这样的激光器面积大，称为 大面积激光器 。
为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了 增益导引型 和 折射率导引型 结构。
一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为 条形半导体激光器,其结构如图 2.2.2-2所示。将一绝缘层介质 (SiO2)淀积在 P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为 增益导引型半导体激光器 。
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6
图 2.2.2-2 增益导引型半导体激光器二,折射率导引型半导体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，
P-InP
InGaAsPN-InP
N+-InP衬底
P-InGaAsP绝缘介质
§ 2.2.2 半导体激光器的结构上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
7
这种激光器称为 折射率导引型半导体激光器 。
图 2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器
P-InP
InGaAsP有源层N-InP
N+-InP衬底接点
SiO2 SiO2
§ 2.2.2 半导体激光器的结构上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
8§ 2.2.3 半导体激光器特性
§ 2.2.3 半导体激光器特性
一,光谱特性图 2.2.3-1为 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性 。
832 830 828 826 824 832 830 828 826 824 832 830 828 826 824
驱动电流增大 → →
图 2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图波长取决于激光器的光学腔长,称为激光器的 纵模上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
9§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,
称为当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,
称为 静态单纵模激光器 。
二、激光束的空间分布近场 是指激光器反射镜面上的光强分布，
远场 是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为 多横模 ；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是 单横模 。
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10
图 2.2.3-2为典型 LD的远场辐射特性图 2.2.3-2为典型 LD的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
发射光功率 P/mW
80 40 0 40 80
辐射角 θ (度 )
相对光强
//?
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
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11
三、转换效率与输出光功率特性激光器的电 —— 光转换效率用外微分量子效率 d?
hf
e
I
P
eII
hfPP
d?
/)(
/)(
th
th?
)( thth IIehfPP d
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
表示,其定义为在阈值电流以上,每对复合载流子产生的光子数
2.2.3-1
由此得到
2.2.3-2
式中,P和 I分别为激光器的输出光功率与驱动电流,
Pth和 Ith分别为对应的阈值,hf与 e分别为光子能量与电子电荷 。
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12
激光器的输出光功率通常用 P-I曲线表示，图
2.2.3-3为典型 LD的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的是自发辐射光，当 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
thII?
thII?
5
4
3
2
1
0
0 50 100 I /mA
发射光功率
P/m
W
图 2.2.3-3典型 LD的光功率特性曲线上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
13
四、温度特性温度变化将改变激光器的输出光功率,有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大,二是外微分量子效率随温度升高而减小 。 图 2.2.3-4 给出了
LD的 P-I曲线随温度变化的实例 。
图 2.2.3-4 LD的 P-I曲线随温度的变化
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
5
4
3
2
1
0
0 50 100 I /mA
发射光功率
P/m
W
22℃ 50℃
70℃
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14§ 2.2.4 LD的应用
§ 2.2.4 LD 的应用一,光纤通信系统的光源二,光学测量系统的光源三,其他应用
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§ 2.2半导体激光器
§ 2.2 半导体激光器
● 2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件
● 2.2.2 半导体激光器的结构
● 2.2.3 半导体激光器特性
● 2.2.4 LD的应用上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
2§ 2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件
§ 2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件
激光器稳定工作的必要条件,
(1) 粒子数反转产生增益
(2) 提供光的反馈,
其中最简单的是法布 里 —— 珀罗腔图 2.2.1-1 激光二极管的谐振腔注入电流有源区 解理面解理面
L
增益介质R1 R2
z=0 z=L
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3§ 2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为 阈值增益 。为达到阈值增益所要求的注入电流称为 阈值电流 。
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，
才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。
有 2个以上纵模激振的激光器，称为 多纵模激光器 。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为 单纵模激光器 。
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§ 2.2.2 半导体激光器的结构
§ 2.2.2 半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层
（厚度约 0.1μm）,P型和 N型限制层构成，如图 2.2.2-1所示。
图 2.2.2-1 大面积半导体激光器解理面金属接触电流有源层
P型
N型
300μ m
100μ m
200μ m
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5§ 2.2.2 半导体激光器的结构这样的激光器面积大，称为 大面积激光器 。
为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了 增益导引型 和 折射率导引型 结构。
一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为 条形半导体激光器,其结构如图 2.2.2-2所示。将一绝缘层介质 (SiO2)淀积在 P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为 增益导引型半导体激光器 。
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图 2.2.2-2 增益导引型半导体激光器二,折射率导引型半导体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，
P-InP
InGaAsPN-InP
N+-InP衬底
P-InGaAsP绝缘介质
§ 2.2.2 半导体激光器的结构上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
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这种激光器称为 折射率导引型半导体激光器 。
图 2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器
P-InP
InGaAsP有源层N-InP
N+-InP衬底接点
SiO2 SiO2
§ 2.2.2 半导体激光器的结构上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
8§ 2.2.3 半导体激光器特性
§ 2.2.3 半导体激光器特性
一,光谱特性图 2.2.3-1为 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性 。
832 830 828 826 824 832 830 828 826 824 832 830 828 826 824
驱动电流增大 → →
图 2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图波长取决于激光器的光学腔长,称为激光器的 纵模上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
9§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,
称为当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,
称为 静态单纵模激光器 。
二、激光束的空间分布近场 是指激光器反射镜面上的光强分布，
远场 是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为 多横模 ；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是 单横模 。
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10
图 2.2.3-2为典型 LD的远场辐射特性图 2.2.3-2为典型 LD的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
发射光功率 P/mW
80 40 0 40 80
辐射角 θ (度 )
相对光强
//?
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
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三、转换效率与输出光功率特性激光器的电 —— 光转换效率用外微分量子效率 d?
hf
e
I
P
eII
hfPP
d?
/)(
/)(
th
th?
)( thth IIehfPP d
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
表示,其定义为在阈值电流以上,每对复合载流子产生的光子数
2.2.3-1
由此得到
2.2.3-2
式中,P和 I分别为激光器的输出光功率与驱动电流,
Pth和 Ith分别为对应的阈值,hf与 e分别为光子能量与电子电荷 。
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12
激光器的输出光功率通常用 P-I曲线表示，图
2.2.3-3为典型 LD的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的是自发辐射光，当 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
thII?
thII?
5
4
3
2
1
0
0 50 100 I /mA
发射光功率
P/m
W
图 2.2.3-3典型 LD的光功率特性曲线上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
13
四、温度特性温度变化将改变激光器的输出光功率,有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大,二是外微分量子效率随温度升高而减小 。 图 2.2.3-4 给出了
LD的 P-I曲线随温度变化的实例 。
图 2.2.3-4 LD的 P-I曲线随温度的变化
§ 2.2.3 半导体激光器特性 2
5
4
3
2
1
0
0 50 100 I /mA
发射光功率
P/m
W
22℃ 50℃
70℃
上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换
14§ 2.2.4 LD的应用
§ 2.2.4 LD 的应用一,光纤通信系统的光源二,光学测量系统的光源三,其他应用
