半导体激光器原理及应用

半 导 体 激 光 器 原 理 及 应 用姓 名 ： 徐 钦 锋 学 号 ： 20164208084 半 导 体 激 光 器 工 作 原 理 1 半 导 体 激 光 器 的 主 要 性 能2 密 集 波 分 复 用 半 导 体 激 光 器3 半 导 体 激 光 器 的 应 用4目录CONTENTS 自 发 辐 射 与 受 激 辐 射 （ a） 自 发 辐 射 ： 特 点 ： 独 立 、 杂 乱 无 章 的 非 相 干 光 、 寿 命 取 决 于 半导 体 禁 带 宽 度 及 复 合 中 心 密 度 等 ， 一 般 为 10 -910-3 量 级 （ b） 受 激 辐 射 ： 受 激 发 射 出 的 光 子 频 率 ， 相 位 和 方 向 都 与 入 射 光 子 相 同 。 （ c） 受 激 吸 收 ： 原 子 接 收 辐 射 能 从 基 态 能 级 E1越 入 受 激 能 级 E2。 产 生 激 光 的 必 要 条 件 ： 受 激 辐 射 占 主 导 地 位 12 EEhv hh 自 发 辐 射 的 特 点 这 种 过 程 与 外 界 作 用 无 关 。 各 原 子 的 辐 射 都 是 独 立 地 进 行 。 因 而 所 发 光 子 的 频率 、 初 相 、 偏 振 态 、 传 播 方 向 等 都 不 同 。 不 同 光 波 列 是 不 相 干 的 。 例 如 霓 虹 灯 管 内 充 有 低 压 惰 性 气 体 ， 在 管 两 端 加 上 高 电 压 来 激 发 气 体 原 子 ， 当它 们 从 激 发 态 跃 迁 返 回 基 态 时 ， 便 放 出 五 颜 六 色 的 光 彩 。 受 激 辐 射 激 发 态 的 原 子 ， 受 到 某 一 外 来 光 子 的 作 用 ， 而 且 外 来 光 子的 能 量 恰 好 满 足 hv=E2-E1， 原 子 就 有 可 能 从 激 发 态 E2跃 迁至 低 能 态 E1， 同 时 放 出 一 个 与 外 来 光 子 具 有 完 全 相 同 状 态的 光 子 。 这 一 过 程 被 称 为 受 激 辐 射E 1E2 hv E1E2 hvhv受 激 辐 射 示 意 图 粒 子 数 反 转 在 热 平 衡 状 态 下 ， 粒 子 数 按 能 态 的 分 布 遵 循 玻 耳 兹 曼 分 布 律 ：k为 玻 耳 兹 曼 常 数 ， N2、 g2和 N1、 g1分 别 为 高 能 态 E2和 低 能 态 E1的 粒 子 数和 统 计 权 重 。 由 于 E2E1， T0， 故 N1N2 ， 即 高 能 态 上 的 粒 子 总 少 于 低能 态 上 的 粒 子 数 。 于 是 原 子 系 统 的 受 激 吸 收 过 程 总 占 优 势 。 采 用 适 当 的 激 励 ，破 坏 热 平 衡 状 态 ， 使 高 能 态 粒 子 数 多 于 低 能 态 粒 子 数 ， 即 为 粒 子 束 反 转 。 半 导 体 激 光 器 通 过 光 激 励 或 正 向 PN结 注 入 等 ， 来 实 现 载 流 子 的 粒 子 束 反转 。 )(exp 121212 kTEEggNN 谐 振 腔 为 使 发 射 光 具 有 激 光 的 特 点 ， 必 须 使 其 产生 谐 振 。 能 使 光 产 生 共 振 的 装 置 即 为 谐 振腔 。 只 有 与 轴 线 平 行 的 辐 射 光 子 产 生 共 振 现 象而 被 增 强 ， 不 在 这 个 方 向 上 的 将 被 反 射 出腔 外 。 两 相 反 方 向 的 光 波 ， 只 有 叠 加 形 成 驻 波 时 ，才 能 形 成 稳 定 的 振 荡 。 驻 波 条 件 ：纵 模 ： 共 振 腔 内 沿 腔 轴 方 向 形 成 的 各 种 可 能 的 驻 波 称 为 谐 振 腔 的 纵 模 )2( nmL 激 光 器 稳 定 工 作 的 条 件 法 布 里 -珀 罗 光 学 谐 振 腔 0int210 )2exp()exp()exp( EKLiLRRgLE )1ln(21 21int RRLg mKL 22 nLmcvv m 2/稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度E0保持不变，有：g为功率增益系数，L为腔长，K=nw/c为平面波的波数，int为腔内总损耗率将等式两边的振幅和相位分别相等，得： 两个公式前者规定了增益和电流的最小值，后者规定激光器的振荡频率纵向模式，其与光学谐振腔有关 激 光 器 稳 定 工 作 条 件 激 光 器 纵 模 分 布 及 增 益 曲 线 激光束的锁模：锁模技术就是采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系，即各纵模相邻频率间隔相等。在一般谐振腔内，处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围内的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射由许多纵模间隔为 C/2L 的谱线组成。这些模彼此互不相关地进行振荡，其相位随机地分布在一 到十 之间。其时域输出特征类似热噪声。但是，如果迫使振荡模彼此之间的相位关系保持固定，那么激光输出将以完全确定的形式变化。此时，我们说激光是锁模或锁相的。锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。锁模的分类： 主动锁模：周期性调制谐振腔的损耗或光程n被动锁模：利用可饱和吸收体的非线性吸收特性，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的自锁模：激活介质本身的非线性效应能够保持各个纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系同步泵浦锁模：周期性调制谐振腔的增益 半 导 体 激 光 器 的 模 谱 半导体激光器在不同工作电流下的模谱观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移 半 导 体 激 光 器 的 特 性转 换 效 率 高 ： 70%。体 积 小 ： 1mm3寿 命 长 ， 可 达 数 十 万 小 时 输 出 波 长 范 围 广 ： 0.6-1.1um， 23um。易 调 制 ： 直 接 调 制缺 点 ： 发 散 角 大 ， 光 束 质 量 差 。 阈 值 特 性 阈 值 是 所 有 激 光 器 的 属 性 ， 标 志 着 增 益 与 损 耗 的 平 衡 点 。 阈 值 常 用 电 流 密 度 Jth或 者 电 流 I表 示 。 影 响 激 光 器 阈 值 特 性 的 主 要 因 素 ： 1） 器 件 结 构 2） 有 源 区 材 料 3） 器 件 工 作 温 度 有 源 区 材 料 的 影 响 ： 有 源 区 的 材 料 必 须 选 用 直 接 带 隙 材 料 ， 材 料 的 组 分 变 化 将会 引 起 直 接 带 隙 和 间 接 带 隙 跃 迁 的 比 率 发 生 变 化 ， 从 而 改 变 辐 射 频 率 的 波 长 。 故 ： 可 通 过 薄 膜 生 长 工 艺 获 得 不 同 的 有 缘 材 料 温 度 的 影 响 温 度 变 化 对 阈 值 电 流 产 生 明 显 的 影 响 ， 温 度 升 高 ， 阈 值 电 流 增 大 ， 增 大 幅 度 因 材 料 体 系 和 器 件 结 构 而 异 。 实 验 经 验 公 式 为 ：Jth（ T） 和 Jth（ Tr） 分 别 为 在 某 一 温 度 T和 室 温 Tr下 所 测 得 阈 值 电 流 密 度 ，T0是 一 个 由 实 验 拟 合 的 参 数 ， 称 为 特 征 温 度 。容 易 看 出 ， 当 时 ， 阈 值 电 流 将 不 随 温 度 变 化 ， 故 提 高 T0是 一 个 重 要 的 研 究内 容 。 阈 值 电 流 对 温 度 的 依 赖 关 系 主 要 来 自 于 下 列 因 素 ： 1） 增 益 系 数 2） 载 流 子 的 俄 歇 复 合 ， 载 流 子 的 界 面 态 和 表 面 态 的 复 合 ， 载 流 子 的 吸 收 引 起 的 内 部 损 耗 3） 热 载 流 子 的 泄 露 )/)exp()()( 0TTTTJTJ trthth 0T 半 导 体 激 光 器 的 效 率 描 述 激 光 器 电 子 -光 子 转 换 的 效 率 ， 即 电 能 转 换 为 光 能 的 效 率 。 分 别 用 功 率 效 率 和 外 微 分 量 子 效 率 描 述 。 1） 功 率 效 率 sg exsp rIeIE PrI 22ex )/(IVP 激 光 器 所 消 耗 的 电 功 率激 光 器 所 发 射 的 光 功 率 外 微 分 量 子 效 率 外 微 分 量 子 效 率 定 义 为 输 出 光 子 数 随 注 入 的 电 子 数 增 加 的 比 率 ， 考 虑 到 hv=Eg=eVb,有 而 其 中 的 定 义 为 斜 率 效 率 ： 在 实 际 测 量 中 ， 由 下 式 得 出 bD VdIdPedI hvdP 1/ bthexs VII P )( )/( dIdPs s 12 12 II PPs 半 导 体 激 光 器 的 空 间 模 式 分 为 空 间 模 和 纵 模 （ 轴 模 ） ， 空 间模 是 描 述 围 绕 着 输 出 光 束 轴 线 附 近某 处 的 光 强 分 布 ， 亦 称 为 远 场 分 布 。有 横 模 和 侧 模 之 分 。 纵 模 是 一 种 频谱 ， 表 示 所 发 射 的 光 束 功 率 在 不 同频 率 分 量 上 的 分 布 。 半导体激光器横模与侧模 有多侧模的半导体激光器的近场和远场 纵 模 谱 的 影 响 因 素 可见，若要选频，就要控制温度，要稳定功率输出，也要选择恒温控制 半 导 体 激 光 器 的 光 束 发 散 角 理想的高斯场分布 半导体激光器的远场并非严格的高斯光束，有较大的且在横向和侧向不对称光束发散角。由于半导体激光器有缘层较薄，因而在横向有较大的发散角 22122 2122 )/(2.1/)(05.41 /)(05.4 dnn dnn 式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度；n1为限制层的折射率；为激射波长 半 导 体 激 光 器 的 光 束 发 散 角 显 然 ， 当 d很 小 时 ， 可 忽 略 上 式 分母 中 的 第 二 项 ， 有 可 见 ， 随 d的 增 加 而 增 加 dnn )(05.4 2122 半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系 解 决 办 法 ： 利 用 自 聚 焦 透 镜 对 出 射 光 进 行 准 直高斯光速的准直 利用自聚焦透镜准直半导体激光束 激 光 器 的 单 纵 模 工 作 条 件 )/(1 10 qsatoq PPPP )1/log(*10 11 0 PPPP osat第q阶模与主模功率之比为：要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使激光器单模工作。以（P1/P0） 0.05作 为 激 光 器 单 模 工 作 的 判 据 ， 由 边模 抑 制 比可 以 得 出 ， 激 光 器 单 纵 模 工 作 时 ， 应 使 P0超 过 P1sat至 少12.8dB。 半 导 体 激 光 器 的 线 宽 表 征 半 导 体 激 光 器 时 间 相 干 性 的 光 谱 纯 度 ， 定 义 为 光 谱 曲 线 半 峰 值 处 的 全 宽 。 一 般 的 ， 在 阈 值 以 下 的 谱 线 宽 度 约 为 60nm左 右 ， 在 阈 值 以 上 的 谱 线 宽 度 大 约 在 23nm或 更 小 。 半 导 体 激 光 器 的 线 宽 比 其 他 类 型 的 激 光 器 宽 很 多 ， 主 要 有 以 下 原 因 ： 1） LD的 腔 长 短 、 腔 面 反 射 率 低 ， 因 而 品 质 因 素 Q值 低 ； 2） 有 源 区 内 载 流 子 密 度 的 变 化 引 起 折 射 率 变 化 ， 增 加 了 激 光 输 出 相 位 的 随 机 起 伏 半 导 体 激 光 器 的 线 宽 上面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响 半 导 体 激 光 器 的 动 态 特 性 半 导 体 激 光 器 有 别 于 其 它 激 光 器 的 最 重 要 特 点 之 一 在 于 它 有 被 交 变 信 号 直 接 调制 的 能 力 ， 这 在 信 息 技 术 中 具 有 重 要 的 意 义 。 与 工 作 在 直 流 状 况 的 半 导 体 激 光 器 不 同 ， 在 直 接 高 速 调 制 情 况 下 会 出 现 一 些 有害 的 效 应 ， 成 为 限 制 半 导 体 激 光 器 调 制 带 宽 能 力 的 主 要 因 素 。 一 、 张 弛 振 荡 与 类 谐 振 现 象 数 字 信 息 （ 以 0或 1编 码 ） 直 接 调 制 的 半 导 体 激 光 器 ， 如 果 电 流 突 然 上 升 到 高 电 平 ， 在 电 流 脉 冲 前 沿 与 被 其 激 励 的 光 之 间 会 有 一 个 时 延 ， 所 产 出 的 光 需 经一 个 张 弛 过 程 才 能 达 到 稳 态 。 半 导 体 激 光 器 的 动 态 特 性 由 电 子 与 光 子 相 互 作 用 的 动 力 学 过 程 所 产 生 的 时 延 ， 可 通 过 求 解 他 们 的 速 率 方程 得 到 ： 式 中 ， th为 在 阈 值 处 的 载 流 子 寿 命 （ 一 般 为 25ns） 。 显 然 ， 在 高 速 调 制 下 ，td将 产 生 调 制 畸 变 。 减 少 td最 简 单 的 方 法 是 在 激 光 器 上 再 加 上 一 个 接 近 阈 值 电 流 Ith的 偏 流 Ib， 这 时 有这 使 这 个 过 度 过 程 开 始 的 突 变 幅 度 减 小 。 但 是 ， 如 果 偏 置 到 阈 值 或 阈 值 以 上 ， 消光 比 减 小 ， 导 致 接 收 机 灵 敏 度 降 低 。 故 在 低 速 调 制 下 ， 一 般 偏 置 到 0.94I th左 右 。ththd II It ln )(ln bththd III It 半 导 体 激 光 器 的 动 态 特 性 半 导 体 激 光 器 的 动 态 特 性 加 于 半 导 体 激 光 器 上 的 调 制 电 流 会 引 起 谐 振 现 象 ， 调 制 频 率 达 到 某 一 值 时 出 现谐 振 峰 ， 这 使 调 制 频 率 的 提 高 受 到 限 制 。 归一化输出与调制频率的关系 半 导 体 激 光 器 的 动 态 特 性 张 弛 振 荡 与 类 谐 振 现 象 物 理 机 制 不 同 ， 但 几 乎 有 和 共 振 频 率 相 同 的 振 荡 频 率 ，为 了 抑 制 这 两 类 现 象 ， 已 实 践 过 这 两 类 方 法 ： 1） 外 部 光 注 入 ， 能 有 效 增 加 自 发 发 射 因 子 ， 不 但 能 抑 制 张 弛 振 荡 ， 还 能 抑 制多 纵 模 的 出 现 。 2） 自 反 馈 注 入 或 采 用 外 部 电 路 。 自 注 入 方 法 是 将 LD输 出 的 一 部 分 以 张 弛 振 荡周 期 的 0.20.3倍 的 时 延 再 注 入 到 它 本 身 的 腔 内 ， 能 有 效 抑 制 张 弛 振 荡 。 采 用外 部 LCR滤 波 电 路 来 分 流 高 频 分 量 ， 进 而 抑 制 类 谐 振 现 象 。 3） 窄 条 半 导 体 激 光 器 。 条 宽 减 窄 能 减 少 载 流 子 扩 散 的 影 响 ， 稳 定 横 模 ， 也 能抑 制 张 弛 振 荡 和 类 谐 振 现 象 。 寄 生 电 容 和 电 感 半导体激光器等效电路图中是一个型低通滤波LCR电路与LD的等效电路并联。其中C1和rs分别是半导体激光器的寄生电容（1pF）和串联电阻（一般为数欧姆，在正向偏置下有源区的电阻750W的近衍射极限合成光束，合成效率达到93%。这种应用于光纤激光的合束方案，其主要的关键器件就是体Bragg光栅（VBG），这种方案也适合于高能高功率固体激光的合束 Thank you!