半导体激光器的主要性能

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 半导体激光器件,4.1,异质结半导体激光器,4.2,量子阱半导体激光器,4.3,垂直表面发射激光器,4.4,分布反馈半导体激光器,4.5,半导体激光器的主要性能,4.6,半导体激光器调制及与光纤的耦合,4.5,半导体激光器的主要性能,1,、阈值特性,2,、效率,3,、空间模式,4,、纵模,5,、线宽,6,、,动态特性,7,、,热特性,8,、,可靠性,4.5.1,阈值特性,阈值是所有激光器的属性，标志着增益和损耗的平衡点。,阈值常用电流密度,J,th,或者电流,I,th,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,1,）器件结构的影响,不同的器件结构阈值电流有很大不同。,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源材料。,2,）有源层材料的影响,3,）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：,J,th,(,T,),= J,th,(,T,r,),exp(,(,T-T,t,),/ T,0,),J,th,(,T,),、,J,th,(,T,r,),分别为在某一温度,T,和室温,T,r,下所测得阈值电流密度，,T,0,是一个由实验拟合的参数，称为,特征温度,。,且：当,T,o,时，阈值电流将不随温度变化，故提高,To,是一个重要研,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，载流子吸,收引起的内部损耗；,3,）热载流子的漏泄。,阈值电流的测定？,测定方法有四种：,1,）直线拟合法,2,）两段直线拟合法,3,）一次微分法,4,）二次微分法,描述激光器电子,-,光子转换的效率，即电能转变为光能的效率。,分别用,功率效率,和,外微分量子效率,描述。,1,）功率效率,4.5.2,半导体激光器的效率,2,）外微分量子效率,而其中的 定义为斜率效率：,4.5.3,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（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有,横模,与,侧模,之分（如下图所示）。,纵模,则是一种频谱，表示所发射的光,束功率在不同频率（波长）分量上的分布。,1,）半导体激光器的光束发散角,解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直。,2,）半导体激光器的像散,4.5.4,半导体激光器的纵模,1,）产生原因：,注,：,入,= 1.24 / E,g,(2.1.1);,2nL = m,入,（,1.4.8,）,2,）纵模模谱,3,）影响纵模谱的因素,可见：电流增加，激光能量向主模转移，峰值波长发生,红移,。,有源层的禁带宽度,E,g,随着温度增加而变窄，辐射波长发生红移。故：,若选频则控制温度，若稳定功率输出，则选择恒温控制。,4,）激光器的单纵模工作条件,P,o,/P,1sat,= 10 log( P,o,/P,1,1 ),可以得出，激光器单纵模工作时应使,Po,超过,P,1sat,至少,12.8dB,，此即为均匀加宽激光器中达到单纵模工作所需输出功率的下限。,4.5.5,半导体激光器的线宽,定义：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,2-3nm,或更小。,半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很多，主要原因如下：,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的折射率变化，增加了激光输出相,位的随机起伏（或相位噪声）。,下面曲线给出了,LD,线宽与,1/P,之间的关系、和温度对线宽的影响。,4.5.6,半导体激光器的动态特性,的电阻, 1,欧），,L,1,为引线电感（,1-2,n,H,），,C,s,为旁路电容（,0.3-1,p,F,）。,选择并控制,C,s,和,L,1,可明显抑制类谐振现象。,4.5.7,半导体激光器的热特性,引发机制：,在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载,流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到,20%-30%,，意味着,相当部分注入的电功率转换成了热量，引起激光器的温升。结果导致使,LD,的阈值电流增大、发射波长红移、模式不稳定、增加内部缺陷、并严,重影响器件的寿命。,解决办法：,1,）加风扇或者冷水循环降温；,2,）使用帕尔贴半导体制冷器。,（通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现,LD,的温度稳定，见下图）,3.8,半导体激光器的可靠性,二、可靠性试验,为保证,LD,在应用中能有较长的工作寿命，生产厂家必须按照规,范标准对,LD,进行一系列例行试验。诸如机械振动、冲击、环境,方面的潮湿、静电、高低温循环等。重要的一条是持续较长时,间的寿命（老化）试验。,