《半导体激光器》翻译

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘要半导体激光器摘要这篇文章综述了半导体激光器的工作原理，并对其工作原理进行讨论。自1964年初以来，人们加大了半导体激光器的研究度。目前有关于砷化镓半导体激光器的最先进技术已经有所进展。自从1962年首次在砷化镓中发现受激激发光子的现象后，使得半导体激光器领域取得了相当大的进步。现已存在由不同材料制成的各种各样的激光器。激光光波长的范围已经从可见光扩展到紫外线和红外线。紫外线和红外线是光谱中可见光波长两端之外的波长。已经可以利用的有以下几种泵浦源，如：P-N结，电子注入，光泵浦，雪崩注入。本文将探讨半导体激光器的工作原理。为了使该探讨具有完整性，半导体激光器的工作原理也会涉及到。早期的工作，追随到1964年二月，在早期的报纸上已经发表了多种关于激光器原理的文章，例如，G.Burns的《P-N结激光器》和当今的作者（代表有BN）的文章。因此，本文将只浅显地涉及到有关于半导体激光器的早期工作、近期发展的主要方向和目前的最新水平。其它有关于半导体激光器工作原理的文章在文献[11]至[14]中出现。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸目录目录1工作原理..................................................11.1粒子数反转与阈值...............................................11.2直接带隙半导体与间接带隙半导体.................................41.3受激辐射方法...................................................42材料.....................................................83半导体激光器——最先进技术..............................103.1结构造........................................................103.2阈值电流密度..................................................113.3阈值与温度的关系..............................................123.4工作特性......................................................133.5调制..........................................................173.6应用与设备....................................................18桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第1页共20页1工作原理在激光器中，当高能态比低能态拥有粒子的概率高，从而致使粒子数发生反转时，受激辐射就发生在这两个能态间。在两个能级之间的粒子向下跃迁产生能量等于hv光子发生的概率比粒子向上跃迁概率大时，受激辐射就产生了。在一个合适的谐振腔中会有激光产生。多篇文章和文献[15]详细讨论了这一观点。因此，这一章节将会介绍有关于半导体激光器的特征的一部分，例如：1.电子势态的连续光谱2.使粒子数反转的各种方式，如泵浦源。1.1粒子数反转与阈值图1显示了能量与本征半导体能级之间的关系。最高能级是填满电子的价带。能级比价带低的是导带，它与价带的能量相差一个带隙gE。这个带隙里没有允态。图1（a）表示的是本征半导体的平衡状态（没有电杂质的存在）。如果一种光波以光能大于gE的能量入射到晶体上，光子将被电子吸收，从价带跃迁到导带。图1（b）显示了在o0K下粒子数反转的情况。没有了电子（或者充满空穴）的价带势能下降到vF，导带的势能上升到cF。若光子的能量hv在)(vcgFFhvE情况下，将会引起粒子数反转，从而导致受激辐射。图1.1本征半导体的能级图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第2页共20页图（1.1b）显示了在有限的温度下，能级间是否充满粒子对能级间能量的差距并不会有多大的影响。然而，图1.1（c）却显示了携带粒子量对能量的影响。载流子得数量仍可以作为受激辐射发生以否的条件。严格意义上的热平衡并不存在，当然，我们假设在一个给定的能带上，载流子将在热平衡中相互作用。根据费米迪拉克统计得，导带充满粒子的几率是，kTFEfoc/)exp(11（1-1）oF是电子在导带上的准费米能级,它所在的能级发生被载流子占满的概率是50%。价带也有类似的情况。因为要求发射光子的数量要大于被吸收的光子的数量，所以受激辐射的条件是：hvFFvc（1-2）前面讨论了本征半导体的载流子从导带跃迁到价带的情况。如果半导体里有杂质，并且杂质的能级属于初始或者最后的能级，那就仅仅需要使用准费米能级为杂质半导体以适当的简并划分能级。为了获得激光，不仅需要受激辐射的发生，还需要增益大于损失。阈值增益可以满足这一条件。法布里-珀罗谐振腔的增益可以使得光波以无损耗遍历谐振腔。这就是：1Re)(lgt（1-3）式中tg是在阈值上每单位长度的增益系数，是损耗系数，l是谐振腔的长度，R是谐振腔两端的反射系数。半导体的物理损失是由杂光进入谐振腔的作用区域（这个区域发生粒子数反转）和自由载流子光吸收导致的。光的增益与载流子受激辐射的概率成正比。对于在两个分立能级之间跃迁的粒子获得的增益由式（1-4）计算得，ronvvAggNNchvg22121228)()]/([)(（1-4）)(vA的线性归一化为1)(dvvA，iN为能级2或能级1上的每立方厘米的原子数，ig为这些能级的统计权重，on为折射指数，v为频率，r为辐射寿命。激光会在g为最大和vAA/1max的波段产生，v为谱线宽度。从式（1-4）可以看出，若12gg，增益与能量相差为hv的两能级上的高能态的电子数减去低能级的电子数成正比，这表现了激发率的线性变化。例如一个四能级激光器的01N，它的增益与激发率是成正比的。该函数的曲线形状与线性)(vA有关，与激发率无关，最大增益出现在一个固定的频率上的。通常来说，这种情形在半导体上更加复杂。因为激发率提高了，导致cF和vF的分布函数改变了——cF变大，vF变小。增益曲桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第3页共20页线与光子能量改变量的关系看出在更高的能级上增益曲线有最大的改变量。增益的表达式：)())/(4()(2222vcoffMEcnmedEEg（1-5）M为矩阵元，式中累加和包括在E和dEE所有的不相同能量的能级对。为了明确说明上文提到的一些观点，我们用一个半导体激光器的简单模型来说明。在将要介绍到的半导体激光器的非均匀注入电流也会用到这个模型。图（1.2）为其能量与态密度的关系图。高能级的导带的态密度为cp，OocEEpp/exp(1-6)式中op和oE为常数。低能级为不连续的，例如，一个杂质能级能量足够大以至于它的粒子数与激发无关。图1.2杂质半导体简单模型的能量与态密度的关系曲线图因此该能级就如被空置。如P型半导体，在平衡状态下，其低能级电子占有一半。因为激发加强了，导带的电子数量也增加了，并且cF上升了。假设跃迁与能量无关。在温度为Ko0时，在能量为E时的增益与该能量上导带的态密度成比例。,/exp)(ooEEKEgcFE（1-7a）,/exp)(ooEEKEgcFE(1-7b)K为常数。假设跃迁与能量无关，在小于cF的给定能量上的增益与激光发生的能量是相互独立的，并且最大增益是在cF这个点上的。导带n区的电子数量为：max)()(gKEKFgEdEEnocoFcc（1-8）因此，在线性变化独立于cF的条件下，这个模型的最大增益与n、激发率成比例的。但是，当maxg出现在更高能级上时，光子的能量与只有两个能级的简单系统的情形是相反的。因为此时在任意的一个态密度上，g与n并不成比例，每种因素都得单独考虑到。举个例子，独立于能量的某一态密度的增益与n也是不相关的。在0开氏度下，抛物线桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第4页共20页能带与高斯能带的g与n的比例关系是很相似的，但是在一定的温度下，增益曲线就变为超线性了，尤其是高斯能带。这是因为指数能带在温度高于一定的时，g与n正成比例关系。以上的所有例子，都是在假设载流子跃迁与能量无关的情况下讨论的。1.2直接带隙半导体与间接带隙半导体半导体的能带结构有两种：1）直接带隙半导体：导带最小值与满带最大值在布里渊区同一位置。2）间接带隙半导体：极值在不同波矢上。由于光波的波矢远小于电子波的波矢，因此一级辐射跃迁将会发生在同一电子波矢的不同能级间。所以直接带隙的半导体的光增益达到很高，足以克服损耗，此时激光就很容易产生了。以此相对的是，间接带隙材料的波矢变化，将会通过晶格振动或者杂质来克服。辐射跃迁不强和可用增益很小，导致间接带隙半导体的损耗很难克服。到目前为止，正如在上一段提到的材料，所有成功研制出来的半导体激光器的能级具有的都是直接带隙结构。在文献[19]中杜姆克详细讨论了这一观点，文献[10]BN也评述了这一观点。1.3受激辐射方法为了获得激光，需要粒子数反转和一个谐振腔。使粒子数反转的方法已经有了很多种。a）注入：PN结是半导体的重要部分。图（1.3a）为PN结的能级示意图。能量和能量差都标注出来了。cE为导带边缘，vE为价带边缘。半导体的左边掺杂了施主杂质形成n区。由于杂质的掺入，便有足够的电子填入导带至费米能级F。在半导体右边，掺杂受主杂质来消耗尽价带的电子，也可以这样说，加入空穴来使能级降低至F。图（1.3a）图为外加电压为零时注入示意图，开始电子流从n区流向p区直到能够阻止更进一步的电流的电势垒BV的形成。图（1.3b）表征的是用外加电压降低阈值或是提高n区相对于p区的势能，此时电子占满的区域比p区的阈值高，而后从p区的价带跃迁并发射能量为gE的光子。在实际的注入中，在靠近能带的边缘产生一个杂质能级并且光子的能量会少于gE。当然也图1.3PN结的能级图（a）0V,(b)0V桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第5页共20页可能空穴流入到n区并与电子复合。这个过程主要由杂质相对浓度，载流子寿命和载流子的迁移速率决定。对于有足够的外加电压这种情况来说，在注入区的周围将会有一粒子数反转的区域。由于这个区域非常薄，所以在一个合理的距离内，光增益的最大值将出现在注入的结合处。利用这一优势来构建谐振腔是可取的方法，图4所示的法布里珀罗结构就证明了这一点。图1.4PN结注入激光器的示意图。激光束在靠近注入处的反射面产生在小电流时，半导体的各个方向都会产生自发辐射。当电流逐渐增加时，增益也逐渐增大直到达到能产生激光的阈值。在光的输出端可以观察到光逐渐增强，光束在反射两端产生。连续方程（1-9）表明了电流密度j和n区的电子流平均密度是相关的：//endj（1-9）式中d为活动区的厚度，为与辐射过程及无辐射过程都有关的系数。我们假设在p区只注入了电子（n区没有空穴），但是这不是我们需要的参数。联合式（1-5），（1-4），（1-9），在nN2，01N的情况下，可以得出阈值电流密度tj，])1ln(1[8222aRcvdvenjot（1-10a）=])1ln(1[1aRl(1-10b)式中为量子效率，其定义为r。上式只适用于KTo0的情况下，因为在该温度下，低能级被认为是没有载流子存在的（01N）。方程式（1-10b）是在砷化镓温度达到Ko300在实验情况下证实得来的，但是式中和和温度是有关的。在本文的第三部分将会更加全面地讨论这个问题。通过式（1-10a）中括号外表达式可以得出的最大理想值。对于典型的半导体激光器来说，粒子复合和产生光子都是被限制在靠近注入区的一