半导体激光器

半导体激光器简介刘正君2010年4月24日目录•半导体激光器分类•半导体发光机理•半导体的分类•半导体激光器的原理和结构•半导体激光器性质•几种典型半导体激光器•半导体激光器应用及举例•半导体激光器分类半导体激光器的种类很多，下图进行了简单示意。半导体激光器可以根据有源层材料、发射波长、器件结构、输出功率和应用领域等不同方式进行划分，分类方式灵活，相互交错。半导体激光器不同种类示意图固体由原子组成，原子具有量子化的能级。由于化学环境及物理的原因，原子的能级要发生变化——•每个原子核外电子的能级叠合成彼此相差很小的一组能带：原子内层能级被电子填满，由它们形成的能带也被电子占满，称为满带(价带)；外层能级未被电子填满，它们形成的能带亦未被填满，称为导带。两者间的能量距离g，称为禁带。•下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，这里仅画出了导带和满带。从能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的禁带不同，前者较窄，后者很宽，而金属的g=0。固体的能带理论一、半导体异质结发光机理物质原子结构的图象：半导体固体能带结构(由多个原子的能级组成)：（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。E外场EE满带导带满带导带满带导带（1）半导体eVEg1禁带eVEg10禁带外场（2）绝缘体（3）金属（1）本征半导体纯净的半导体，如硅、锗等。半导体禁带宽度窄、在外场的作用下,导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）外场满带导带E半导体的分类硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电（2）杂质半导体当四价的元素中掺入少量五价元素时形成n型半导体。如：硅中掺入杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。一般温度下，杂质的价电子很容易被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。n型半导体以电子导电为主。*n型半导体E外场满带导带施主能级n型半导体As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量ED(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质*P型半导体四价的元素中掺入少量三价元素时形成P型半导体，如：在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子的局部能级位于价带顶附近（称为受主能级）。一般温度下，满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上，满带中留下的空穴也将因此而大大增加，而成为多数载流子。P型半导体以空穴导电为主。外场E满带导带受主能级P型半导体4Si4Ge5P5As5Sb3In3Al3B3Ga附：几个3、4、5价的元素非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量EAEg就可以产生自由空穴B受主杂质P-N结：正向连接时，P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N结，形成PN的正向宏观电流。（2）作用：PN结具有单向导电作用,是制造整流器和集成电路的基本结构。结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到平衡，形成P-N结。P型材料中的空穴将向N型材料扩散；N型材料中的电子将向P型材料扩散。NPNP正向连接反向连接反向连接时，P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N结。故P-N结具有单向导电的性能。PN（1）形成：P与N密切接触自发辐射与受激辐射：导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为受激辐射。半导体异质结的发光与吸收光作用下的跃迁和辐射E2-E1=hvE1E2(a)受激跃迁hvE1E2(b)自发辐射：非相干光hvE1E2(c)受激辐射：相干光hvhvhvLD的原理和结构激光，英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条件是：1.粒子数反转产生大量的受激辐射2.光反馈光放大(增益损耗)3.相位条件波长选择粒子的正常玻尔兹曼分布：KTEAeN要得到激光，必须实现粒子数反转，使受激辐射占优势，为保证实现粒子数反转必须有:（1）激励能源（泵浦）—电、光、气体放电、化学、核能等。（2）工作物质（激活物质），实现粒子数反转。),(NE谐振腔•腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传播方向偏离轴方向的逸出而淘汰。•反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到“相长干涉”后，反射加强，光强度得到放大。•精心设计腔长，使所需频率的波形成驻波(两端为波)，形成稳定的振荡得到加强。•两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；使激光有极好的方向性、单色性。即对光放大实行选择、控制、增强的作用。光学谐振腔：法布里－珀罗(F-P)谐振腔1.将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)2.光的产生及方向选择1)少数载流子的自发辐射产生光子2)偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大3)轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3.通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里－珀罗(F-P)谐振腔100%90%•半导体激光器的通用结构LD的通用结构•如图所示，一个典型的半导体激光器应当由下面几部分组成：•有源区（又称为增益区）有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。有源区通常由一个或多个垂直方向的PN结构成。•光反馈装置在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。•频率选择元件用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。•光束的方向选择元件光反馈装置可以选择激光器光束的方向。•光波导用于对所产生的光波在器件内部进行引导。有源区频率选择元件光波导光反馈装置输出光简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只能自发辐射（荧光），光向四面八方传播；当注入电流大到一定程度时，便向外输出激光。半导体激光器的工作原理•半导体激光器的工作原理•半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：•(1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。•(2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F-P腔(法布里一玻罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔.•(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及激光从腔面输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。•半导体激光器的性质•1、伏安特性•伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线•2、P-I特性•P-I特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是激光器最重要的特性之一。典型的激光器P-I曲线•由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。•当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，半导体激光器发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。•随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，半导体激光器发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。•只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。•P-I特性曲线决定了一系列半导体激光器参数与特性：AOBC•半导体激光器的工作特性•1．阈值电流。当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。•2．方向性。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°--30°；在结的水平面内约为10°左右（见下图）。•3．效率量子效率η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数77K时，GaAs激光器量子效率达70％－80％；300K时，降到30％左右。功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。•4．光谱特性。由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。•半导体激光器的模式特性LD的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参量。LD工作在基横模时，相干性最好，因此要求LD在设计和结构上保证基横模工作。根据基横模的条件通过对光载流子的横向以及垂直向限制、减小有源区宽度和厚度等措施可以实现LD的基横模工作。•半导体激光器的空间模式•可以将半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。前者描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。二者都可能是单模或者多模。•边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且，在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图