半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素半导体激光器的输出特性•波长•光功率•光谱•激光束的空间分布波长•半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。)()(24.1meVEg导带禁带价带Egcfhf=Egf(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长c=3×108m/s，h=6.628×10−34J·s，leV=1.60×10−19J决定波长的主要因素•半导体材料不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs材料适用于0.85μm波段InGaAsP-InP材料适用于1.3~1.55μm波段•温度温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。光功率)(thdthIIehfPP半导体激光器的输出光功率I为激光器的驱动电流Pth为激光器的阈值功率Ith为激光器的阈值电流ηd为外微分量子效率hf为光子能量e为电子电荷)(thdthIIehfPPPIIth半导体激光器发光特性由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I、阈值电流Ith以及外微分量子效率ηd。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。Pth：拐点纵坐标，很小，可忽略Ith：拐点横坐标hf、e：常数，不影响曲线形状ηd：决定曲线线型部分的斜率光功率--阈值电流当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流。•当IIth时：有源区无法达到粒子数反转，也无法达到谐振条件，以自发辐射为主，输出功率很小，发出荧光•当IIth时：有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出激光光功率--影响阈值电流的因素•晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小•谐振腔的损耗越小，阈值电流越小•与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多•温度越高，阈值电流越大光功率--外微分量子效率•外微分量子效率ηd定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为ththththd/)(/)(IIPPeIIhfPPhfe外微分量子效率代表了半导体激光器的电——光转换效率，它与内量子效率、载流子对有源区的注入效率、光在谐振腔内的损耗情况、谐振腔端面的反射系数和温度等因素有关。光功率--温度光功率随温度变化曲线温度对光功率的影响0/0TTtheII•激光器的阈值电流随温度升高而增大温度对阈值电流的影响，可用下式描述：I0表示室温下的阈值电流T表示温度T0称为特征温度（表示激光器对温度的敏感程度）InGaAsP激光器，T0=50～80KA1GaAs/GaAs激光器，T0=100～150K。温度对光功率的影响•外微分量子效率随温度升高而减小如GaAs激光器绝对温度77K时，ηd约为50%当绝对温度升高到300K时,ηd只有约30%光谱影响半导体激光器输出光谱的因素：•驱动电流•温度•图（a）：当I＜Ith时，光谱很宽，发出荧光•图（b）：当I＞Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，发出激光光谱--驱动电流光谱--驱动电流•当驱动电流达到阈值后，随着驱动电流的增大，纵模模数变小，谱线宽度变窄•当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模光谱--温度•随着温度的升高，半导体的禁带宽度变小，将导致整个光谱向长波长方向移动。激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述：•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近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于PN结平面的厚度t所决定的，并称为激光器的横模。激光束的空间分布•平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模•垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。激光束的空间分布•图中θ‖和θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。