第五章半导体激光器原理

第五章半导体激光器原理深圳大学光电工程学院目录5.1半导体中的光发射5.1.1光的吸收与发射5.1.2半导体的光发射5.2半导体激光器原理与结构5.3半导体激光器的特性5.4光源与光纤的耦合5.1半导体中的光发射原子：材料基本性质：由最外层电子决定原子壳层结构：原子是由原子核和核外电子构成,原子核由正电的质子和中子构成；电子带负电，质量为9.1091x10-28克基态：在没有外加激发条件下最外层电子处于原子的能量最低状态激发态：在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态光子与物质（电子）的相互作用5.1.1光的吸收与发射☆普朗克定律：电子在两个能级之间的跃迁是能量为hf=E2-E1的光子被吸收和发射的过程图3.1.1基态激发态(a)、光的受激吸收3-1-112W---受激吸收几率【1/s】3-1-2f---入射光波的能量密度【W/m3Hz】12B---爱因斯坦受激吸收系数1212fWB2121dNWNdt333318exp()1:081exp()1:RRfRfdnfndfhfhfckTnhfhfckTk半导体材料的折射率，若色散为，则：普朗克常数3-1-3普朗克公式：推导思路：利用光波在光学腔内稳定振荡的驻波条件--每个波矢k（E）决定了光子的两个状态（TE、TM），求出单位体积与单位波矢间隔的光子状态数，在乘上每个状态被光子占据的几率（玻色-爱因斯坦分布）就可得到公式3-1-3入射光波的能量密度入射光波的波长(b)、光的自发发射3-1-42212dNANdt21A---爱因斯坦自发发射系数【1/s】，表示每个原子单位时间内从上能级跃迁到下能级的自发发射几率2212dNAdtN0022212()exp()exp()sptNtNAtN211/spA---E2的自发发射寿命。意义？☆上能级处的原子数目减少到初始值的1/e所需要的时间☆完全由原子系统决定☆与入射信号无关的随机发射非相干光(c)、光的受激发射2212dNWNdt3-1-62121fWB3-1-7---受激发射几率21W---爱因斯坦受激发射系数21B☆由原子系统与入射光信号决定☆与入射光同态---相干光(d)、爱因斯坦关系热平衡时上下能级处的原子数目一定---单位时间因受激吸收而在E2能级增加的原子数=因受激发射和自发发射而在E2能级减少的原子数121212212ffBNANBN3-1-8热平衡下在能级Ei处的原子数服从波尔兹曼分布0exp()iiiiENgNkT求出212121212fANBNBN12121212/(/)exp()gEENNggkTg、为两能级的兼并度3-1-9得：1221BB3213218()AhfBc3-1-13两能级兼并度相同g1=g2，受激发射几率B21=受激吸收几率B123381exp()1fhfhfckT21hfEE122121(/)BggB2111221212211exp()1fAgBEEBgBkT比较普朗克公式3-1-12自发发射几率A21比上受激发射几率B21为常数结论1：热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射，除非必须满足N2N1----粒子数反转21221211ffBNNBNN受激发射速率受激吸收速率3-1-142122121221ffBNBANA受激发射速率自发发射速率3-1-15结论2：可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强的输入光场f书中例题3.1.1（p82），白炽灯发出光的成分211321310fBA受激发射速率自发发射速率普通光源热平衡下发的光是自发发射产生受激发射(激光）的基本条件5.1.2半导体中的光发射1、pn结及电致发光能带费米能级及载流子分布的规律掺杂能带图及pn结的电流电压特性载流子的复合与发光半导体？☆导电特性介于导体与绝缘体之间☆一种晶体☆基态及激发态的表述、分布规律？☆如何实现粒子数反转？EcEvEcEFpMEFneVopnEoEvnp(a)VInpEo–Ee(Vo–V)eVEcEFnEvEvEcEFp(b)(c)Vrnpe(Vo+Vr)EcEFnEvEvEcEFpEo+E(d)I=VerySmallVrnpThermalgenerationEcEFnEvEcEFpEve(Vo+Vr)Eo+EEnergybanddiagramsforapnjunctionunder(a)opencircuit,(b)forwardbiasand(c)reversebiasconditions.(d)Thermalgenerationofelectronholepairsinthedepletionregionresultsinasmallreversecurrent.SCL?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)pn结能带图与单向导电特性正向特性反向特性势垒高度2ln()/adDigNNkTVenEe正向偏置V反向偏置nAIShockleyequationSpacechargelayergeneration.VmAReverseI-Vcharacteristicsofapnjunction(thepositiveandnegativecurrentaxeshavedifferentscales)I=Io[exp(eV/kBT)1]?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)V-I曲线正向扩散电流反向漏电流VD0exp(/)1BIIeVkT反向击穿反向击穿电压VBVBpn0np0nppn0pnnp0载流子的复合与发光•扩散长度L与复合•辐射复合•发光区（有源区）•非辐射复合正向偏置下载流子的电注入与发光过程LL发光区复合：电子由导带跃迁至价带空穴并释放相应能量的过程辐射复合：电子由导带跃迁至价带空穴并释放相应能量光子的过程非辐射复合：电子由导带跃迁至价带空穴并释放相应能量声子的过程热发光空间电荷区电注入发光！！同质结发光的缺点：1.发光范围宽、效率低2.无波导效应、传光范围宽3.光子再吸收效应nppn载流子（过剩EHP）的复合•复合外加电压引起pn结的载流子注入，产生“过剩载流子---过剩的电子空穴对”，处于“高能态”的它们必须以某种能量交换的方式恢复到稳定的“低能态”，把“高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(EA)、同时释放能量的过程叫做复合；•辐射复合“高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(EA)、同时释放能量等于其高低能量差的光子•非辐射复合不伴随光辐射的复合过程复合模型•光子用量子力学描述的能量为hv（v为光波频率）的不带电粒子•声子用量子力学描述的能量为hvk（vk为声波频率）的不带电粒子，hvk～0.06eV，晶格的振动---热•激子在某种能量作用下使得原子处于激发态，其电子能级处于Ec以下附近（空穴能级处于Ev以上附近）（电子的波函数在禁带两端有拖尾---类似光波导的能量分布）•复合模型：“碰撞”★电子和空穴的辐射复合•本征辐射跃迁与涉及杂质能级的辐射复合–本证辐射跃迁---帯间跃迁、自由激子湮灭、能带势能起伏处的激子复合–涉及杂质能级的辐射复合低温、低过剩载流子密度☆直接带隙半导体中的辐射复合跃迁间接带隙半导体中的辐射复合跃迁复合跃迁过程遵循：能量守恒、动量守恒（对能带结构提出要求），对间接带隙材料的跃迁复合是三粒子过程，效率很低；例外：海森堡不确定性h△k△x～C，掺N、O的GaP，i≈16%导带电子被杂质能级俘获形成束缚态激子，△x范围内动量守恒定律可能被破坏22222122eeekEmvhmpmvk两粒子过程--内量子效率高★非辐射复合•阶段性放出声子的复合–完全把电子从导带跃迁到价带的能量转换到声子（~需要20个声子）概率太小，通过一个或少数几个声子过程转移到杂质能级的概率更大•俄歇复合电子间碰撞，跃迁至更高能态，回落时以声子形式•表面复合表面缺陷更多，周期性势场也破坏，深杂质能级多--覆盖介质膜★过剩载流子的复合时间e---复合率由图可知p区瞬态载流子分布少子(平衡态电子+注入产生的过剩电子）：多子(平衡态电子+注入产生的过剩空穴）：ppopppopnnnppn单位时间注入的载流子正比于该时间的瞬态载流子量pppthermalthermalnBnpGtBG直接复合俘获系数单位时间的热生载流子数20BpppthermalthermalpopoinBnpGtGBnpn()pppppopoeennBnpnpt过剩少子复合时间（寿命）•弱注入,()1/ppoppoppoappopppppppopoapeeanpppnpNnnnnnnBnpnpBNntBN•强注入2,()()1/ppoppoppppopppppppopopeepnpppnnnnnnnnBnpnpBntBn辐射复合率Rr与辐射复合寿命r•定义：单位时间发生辐射复合的载流子数为辐射复合率/rrrRn辐射复合寿命弱注入AnNrRB强注入2nrRB（）非辐射复合率Rnr与非辐射复合寿命nr•定义：单位时间发生非辐射复合的载流子数为辐射复合率nrnrn/nrR非辐射复合寿命★载流子总复合率R和总寿命11nn(+)rnrrnrRRR总复合率R总寿命111(+)rnr讨论内量子效率i•内量子效率=每秒产生的光子数/每秒注入有源区的载流子数=每秒辐射复合的载流子数/每秒注入有源区的载流子数直接带隙半导体材料的内量子效率i1111(+)1rrirrnrrrnrnrRRR间接带隙半导体材料的内量子效率i3/23/2111expexpirXXLLnrBBmEmEmkTmkTXLXLXLXLmmmEE、、分别是价带、、能谷的有效质量，、分别是价带、态与态能谷的能量差5.2半导体激光器原理与结构5.2.1半导体激光器工作原理☆半导体激光器也叫激光二极管(LaserDiode，LD)☆基本结构：激励源、工作（增益）物质及谐振腔☆激光振荡基本条件：粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件FP-LD结构图法布里-波罗半导体激光器（FP-LD）!!!1、粒子数反转的实现—重掺杂与大的电流注入图3.3.1(a)绝对零度时本征半导体平衡状态电子发布(b)高载流子注入下电子的能量与状态分布图3.3.2重掺杂pn结(a)无偏压；(b)正向偏置下有源区的形成正向电流越大扩散进入p区的电子越多，光增益越大受激发射必要条件（粒子数反转条件）)cvFFgEEhfE（电注入发光：通过给pn结加正向偏压实现粒子数反转N2N12、FP腔与光反馈---纵向模式(纵模）图3.3.3激光器中的光反馈及FP腔纵向模式振荡条件---腔内形成驻波3.3.9n1m—纵向模式数某一族波长光波的能量空间分布纵模：满足驻波条件的一族波长的光能量在FP腔轴向的空间分布，模式数m01()2mLn驻波条件--腔长为半波长的整数倍n1102()expexpexpexpiinEzjzgzjzgzE(z)m=0m=2☆纵模的模式间隔—相邻模式的间隔212nL3.3.10☆纵模的谐振频率间隔12cfnL3.3.11例子(p95)：Al0.03Ga0.97As/GaAsLD，工作波长850nm，n1=3.57，L=300m，则m=2520，模式间隔△=0.337n