半导体光电子学第五章第九章

第五章半导体激光器的性能LD的性能分为:①在直流偏置下的稳态（或静态）特性；②在调制情况下的瞬态（动态）特性。静态：阈值特性，量子转换效率，输出线性，光谱特性（模式和谱线宽度），近场和远场（光束发散角），短期和长期稳定性（退化和寿命）等。动态：调制带宽，调制畸变，自脉冲等等。5.1LD的阈值特性5.2LD的效率5.3LD的远场特性5.4LD的模式特性5.5LD的光谱线宽5.6LD的瞬态特性5.7LD的退化和失效5.1LD的阈值特性gthgJtJthJ0RLgith1ln1RLAJJitth1ln11tJJAg激光器阈值的特点.Jth和Jt的区别？一、半导体激光器结构对其阈值的影响条形激光器：阈值电流和阈值电流密度侧向增益波导和侧向折射率波导二、LD的几何尺寸（有源区d，w，l）对阈值电流密度的影响1.与有源层厚度d的关系有源层厚度对阈值电流的影响来自于在垂直于结平面的方向上异质结对注入的载流子和光场的限制能力。我们知道在单异质结中d小于电子扩散长度，由于存在一个同异质结，弱波导，不能太小。在双异质结中，d可以很小，但d过小，光场在有源区外的非增益区的损耗会增加，即限制因子Γ下降。RLgith1ln1cfoutththRLgG1ln1)1(dxxEdxxEydy)()(22名义电流：d=1μm时，有源区内全部用来产生辐射复合所需要的电流密度inthdJcmAJ/)/(2)105.4(100.532nhtJg]1ln1)1([20105.43fcoutiithRLddJ2.Jth与有源层宽度的关系3.Jth与腔长的关系)1ln1(1RLAJJitth腔长为什么不能太小？sththNWdLeI/)(三、温度对阈值电流的影响)exp()()(0TTTTJTJrrththT0为一个表征半导体激光器温度稳定性的重要参数称为特征温度，T0与材料和结构相关，由式看出T0越高LD的温度稳定性越高，T0趋于无穷则Jth不随温度而变化]1ln1)1([20105.43fcoutiithRLddJGaAlAs/GaAs特征温度120-180℃InGaAsP/InPT0=65K四、阈值特性关系小结1、低维量子材料2、增益介质3、侧向折射率波导作业:教材181页第1、2题另：1、半导体激光器的性能可以分为哪两种？各包含哪些具体的特性？2、半导体激光器的阈值特性有哪些特点？实际测量中如何获得准确的阈值？3、为什么侧向增益波导条形激光器的阈值电流密度要高于折射率条形激光器？4、对于条形激光器，条宽减少引起阈值电流密度增加的因素有哪些?5、具体地说，半导体激光器的阈值特性与哪些因素相关？5.2半导体激光器的效率1.功率效率GLVIrsI-IthIthLD等效电路功率效率：表征加在LD上的电能（或电功率）转换为输出的光能（或光功率）的效率。sgexsexPrIeEIPrIIVPLD22)/(消耗的电功率激光器辐射的光功率提高此功率效率的方法是减小串联电阻gasEVIre2.内量子效率-i激光器有源区每秒产生的光子数每秒注入有源区的电子空穴对数1i121）（nrrridsnrrrids12113.外量子效率exLD每秒发射的光子数每秒钟注入有源区中的电子空穴对数eIhPexex//eVEhgexexPIV4.外微分量子效率eIIhPPthtexD/)(/)(texPPVIIPeIIhPthexthexD)(/)(/是P-I曲线在阈值以上线性部分的斜率（斜率效率，斜效率），可以用它很直观的比较不同激光器之间效率的差别。PI0斜效率RLgith1ln1RLRLio1ln11ln1VIIqIIPthiothioex)()(11ln111[]lnDifcoutLRLRRLRLiiioD1ln11ln1作业:1、名词解释：功率效率、內量子效率、外量子效率、外微分量子效率2、写出外微分量子效率的表达式，并指出哪些具体措施能提高半导体激光器的微分量子效率。5.3半导体激光器的远场特性LD输出光场分近场与远场。近场分布是指光强在解理面上或解理面一个光波长范围内的分布（与横模，侧模有关）。远场是指距输出这常常与光束的发散角相联系。腔面一个波长以外的的光束在空间上的分布。LD的许多应用都要求远场有圆对称的光斑，便于用透镜系统聚焦成小光点，便于与光纤高效耦合。光信息处理中，提高存储密度也希望发散角小。而通常的半导体LD的发散角不对称。θ⊥30-40°θ∥10-20°一、θ⊥定义θ⊥为I（θ）/I（0）=1/2的角度20212202122]/)][(05.4[1/)(05.4dnndnn0]/[20d02122/)(05.4dnnd/2.10二、θ∥W/0//三．波导结构对远场特性的影响2n20212202122]/)][(05.4[1/)(05.4dnndnn作业:教材181页第4题1、针对半导体激光器的许多应用，对半导体激光器的光场有什么要求？2、名词解释：半导体激光器的近场分布、半导体激光器的远场分布5.4半导体LD的模式特性激光器中的光场模式分为横电（TE）和横磁(TM)模两组。每组模式对应着电（或磁）场在垂直于LD结平面方向（横向）平行于结平面（侧向）和传播方向（纵向）的稳定驻波形式。分别称为横模，侧模和纵模，并分别用模指数，m，s和q来表示这三种模式数通信系统：高速调制下仍能单纵模。光纤耦合：单横模和单侧模基横模的条件是有源层厚度212202nnd])2)(2(1[21nnWnIntSm最高的侧向模式数2)(81Wnnn02mLn纵模模谱包括：1.由谐振条件所决定的振荡波长或频率2.各个模之间强度（或频率）分布一、纵模模谱qlnq/2qqqsSgncNedJdtdN)(()[]qqcqsdSNcgSdtn自发发射因子：定义为进入每一腔模的自发发射速率与总的自发发射速率之比VKnng22480dtdSq])/)[(/(/qcsqgncNS/)()1(5.02/1qqESncWdRRP,qg20/qppqggG二、影响纵模谱的因素1.自发发射因子对模谱的影响半导体材料的自发发射因子较大，一般为10-4，这远比气体或固体激光器的自发发射因子（约10-9）大得多，这也是为什么半导体激光器的光谱宽度比一般气体和固体激光器宽得多的原因。2.模谱与注入电流的关系模式竞争3.腔长对模谱的影响Lnc222pnL20/qppqggG三、激光器的单纵模工作条件中心模q=0，p0])/)[(/(/0pcsgncNS])()/)[(/(/20GqgncNSqcsq200))()((11GqNncSSSq20))()((lim0qGNcnSqSSSqsatq阶模的饱和光子密度qsatqSSSS/1100202/1))()()(1)(1(22/))(1(qGhcNRRASEncRARPSqsatqsat))()()(4)(1)((22022qGhcNnLnRRKPSgqsat用减少次模的饱和功率来实现单纵模（单频）工作，需要减少自发发射因子和腔长，增加腔面的反射率和采取侧向折射率波导结构（k=1）。VKnng2248)/(11/00qsatqPPPP05.0/01PP12.8dB四、“空间烧洞”效应对单模功率的限制五、温度对模谱的影响六、单纵模激光器1.采用对主模选择反馈放大，从而提高边模抑制比，如采用DFB、DBR激光器，也可采用外光栅对主模的反馈加强，还可以用外反射镜来减少次模的饱和输出功率和提高主模的饱和输出功率。2.短腔激光器3.用侧向折射率波导和其它提高侧向光限制能力的波导结构，以提高光场限制因子，减少自发发射因子，如埋层异质结激光器，一般有比较好的单模特性。作业:教材181页第5，6题1、在大容量、单模光纤通信系统中，对半导体激光器的输出模式有什么要求？为什么？2、名词解释：自发发射因子、空间烧洞3、为得到单纵模激光器输出，通常采用哪些手段？5.5半导体激光器的光谱线宽光谱线宽：定义为光谱曲线半峰处的全宽。（FullWidthatHalf-Maximum—FWHM）λ任意强度λ任意强度由于有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化增加了激光输出中相位的随机起伏。跃迁发生在能带之间，增益谱宽。自发发射因子大得多（10-4对10-9）对。减少模式和压窄线宽的措施是一样的。线宽主要来源于相位的随机起伏。然而与固体、气体激光器不同，半导体LD中激光跃迁不是发生在两个分立的能级之间，而是发生在两个能带之间。肖洛-汤斯线宽sTvcsTohQvP相位噪声导致的线宽：半导体激光器的线宽2(1)sTspvvn与输出功率无关的线宽原因：见教材。作业:教材181页第7题1、名词解释：光谱线宽2、造成与功率无关的线宽原因是什么？5.6半导体激光器的瞬态特性半导体激光器是电子与光子相互作用并能进行能量直接转换的器件。但当在激光器上施加瞬变的阶跃函数电注入时，在激光器内部将产生一些与稳态时所不同的物理过程，如光子对注入载流子响应延迟，张驰（或松弛）振荡和自持脉冲振荡等。这些瞬态过程将对LD的调制特性产生重要影响。高速调制对半导体激光器性能提出了严格的要求：1、对输入的电信号不能产生调制畸变。2、不因直接调制而使LD光谱明显加宽。3、要求光源有窄的谱线宽度。4、不产生自持脉冲。瞬态响应的物理模型5.7半导体激光器的退化和失效整个半导体激光器的发展历史也是一个不断提高其可靠性的过程12分钟→数十万小时对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料，有源区与限制层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素的综合效果。半导体激光器的工作方式（1）在阈值以上某一个连续输出功率下工作。（2）将激光器偏置在接近阈值（例如0.9Ith），然后在其上叠加电信号调制。（3）无直流电流偏置下的直接电流调制。热阻rT是重要参数：减少它的有效方法是提高热沉的散热效果，一般使用无氧铜，倒装，良好的欧姆接触和熔焊接触。通常认为LD输出功率下降到其额定功率值的一半时所经历的工作时间称为寿命。1.腔面损伤：反射率下降，非辐射复合增加，电流增加，功率密度更大，失效，可以从输出下降和两个腔面不对称判断损伤。增透膜、和保护膜。2.LD退化的内部因素半导体激光器的退化三、欧姆接触的退化金属电极接触层与半导体之间保持很小的和线性的接触电阻对任何LD都是所必需的，这不仅是为了提高效率，是阻止产生热量，影响器件稳定性和长期工作的可靠性，使用合适的电极材料和较高的半导体掺杂浓度，这种退化一般不常发生。四、温度对LD退化的影响，高温老化实验作业:教材181页第12题1、高速调制对半导体激光器性能提出了哪些严格的要求？2、名词解释：半导体激光器的寿命3、通常，半导体激光器的工作方式有哪几种？第九章半导体中的光吸收和光探测光子-电子转换器件，如光探测器半导体对光的吸收机构大致可分为：①本征吸收；②激子吸收；③晶格振动吸收；④杂质吸收；⑤自由载流子吸收.参与光吸收跃迁的电子可涉及四种：①价电子；②内壳层电子；③自由电子；④杂质或缺陷中的束缚电子，本征吸收4、直接带隙半导体材料的吸收边更陡。讨论：特殊的直接跃迁（Ge）。1、半导体中对光的吸收可以分