半导体激光器的主要参数

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,上节课回顾：,1,、,跃迁速率与爱因斯坦关系；,2,、半经典理论求解,B,12,；,3,、净受激发射的条件；,4,、,增益系数,阈值条件和增益分布,此时建立起粒子数的反转分布，吸收系数就变为负的，半导体材料由光吸收介质变成了增益媒质。它可以使频率处在增益带宽范围内的光辐射得到放大。增益系数为：,但这只是提供了产生激光的前提条件，要实际获得相干受激辐射，必须将此增益介质置于光学谐振腔内，使光波在两个腔面反射镜之间通过增益介质来回反射面得到放大。如果光增益超过谐振腔引起的光损耗及其他损耗之总和，则贮存在腔内的光场将不断增加；同时光增益是能够饱和的，它会使光放大系数减小。下面讨论与此相关的一些问题。,r,st,(E,21,):,受激发射率,在该系统中能够形成自持振荡的条件是：当波在两个腔面间经过多次反射回到原处时，波的振幅至少应等于起始值，波的相位一致。,a,i,是内部损耗系数，通常是由自由裁流子吸收和光学不均匀散射引起的，,g,为增益系数。,自持振荡的条件,阈值增益为：,1,、振幅,半导体和空气界面处的功率反射系数,R,为：,2,、振荡的相位条件，即形成稳定振荡的驻波条件,光子在谐振腔内来回一次所经历的光程必须是波长的整数倍。当增益介质的折射率,n,R,和腔长,L,一定时，每一个,g,值就对应着一个振荡频率或波长，或者说对应着一个振荡的纵模模式。对式,(1),取微分后得到：,(1),对应于相邻的纵模间隔，取：,色散项,自持振荡的条件,该式表明，纵模间隔与腔长成反比。半导体激光器的腔长很短，所以它的模间隔比气体和固体激光器要大得多。但,(2),表示的只是谐振腔所允许存在的纵横，它是一个无穷的系列，究竟激光器中能出现哪些纵模，还要由激光介质的增益谱宽和增益谱展宽机制等条件来决定。只有那些增益达到阂值条件而又被谐振腔允许的波长才能形成激光振荡。,(2),增益谱计算,式中，常数,a,0,(E,21,),表示绝对零度时的吸收。温度和激励水平的影响包含在,(f,c,f,v,),中。若,f,c,f,v,，则,a,0,(E,21,),为负，吸收介质变为增益介质，以受激发射为主。若,f,c,f,v,，则,a,0,(E,21,),为正，主要发生受激吸收利用增益的定义义可以写出：,随着激励水平增加，能带中载流子数增加，增益曲线的最大值向更高的光子能量处移动,g,max,(E),也增加。同时开始出现增益所对应的光子能量向高能方向移动。这是因为电子是从导带底向上填充的注入电子浓度愈大，填充得就愈高，因而发光的峰值能量增加,.,增益饱和,在低的光子密度时，载流子的空间和能量分布不受干扰，这时为不饱和增益。在高光子密度时是饱和增益。一个被激励的半导体激光器，辐射受到放大时，它的能量关系为：,谐振控内的辐射强度不能无限止增加，因为在高光子密度时，导带和价带中的载流子浓度要显著降低。这又造成费米能级漂移，使,E,F,减小，同样也使满足粒子数反转的状态数减小。,空间烧孔和光谱烧孔效应,半导体激光的温漂特性,半导体材料带隙随温度变化；,半导体激光器腔长随温度变化。,半导体激光器的光场模式,三层波导结构中只存在,TE,模和,TM,模,TE,模,TM,模,电场,E,y,在三层平板介质波导的有源层外可能存在相当大的部分。这部分光场不与注入载流子发生相互作用，因而对激光器中的受激发射没有贡献。所以必须考虑光场分布在激光器有源层中所占的比率。,限制因子,-,垂直于,pn,结方向,平行于,pn,结方向,-,增益导引型结构,平行于,pn,结方向,-,折射率导引型结构,两种结构的区别,半导体激光器常见结构,1,、,功率效率,加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率,半导体激光器的几个效率参数,降低,r,s,，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工作温度也有利于功率效率的提高。,2,、内量子效率,半导体激光器的几个效率参数,由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的每一个电子,空穴对不能,100,的产生辐射复合，即,i,总是小于,1,，但一般也有,95,左右，是转换效率很高的激光器件。,3,、外量子效率,半导体激光器的几个效率参数,ex,是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。因为激光器有激射的阈值特性，所以当,II,th,时，,P,直线上升，,ex,变大。,半导体激光器的几个效率参数,4,斜率效率,(,外微分量子效率,P-I,曲线的斜率,),阈值电流密度,有源区内的局部增益是均匀分布的，则模增益,分别是对应模式的增益和限制因子,为局部阈值增益系数,是镜面末端损耗,是内部损耗,a,fc,是有源区内的自由载流子吸收系数,a,out,包层中的吸收系数,(,主要也是自由载流子吸收,),a,s,是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数,a,c,是辐射渗入包层的损耗系数,J,e,和,J,h,分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流,J,2,为有源区电流密度；,i,为内量子效率；,Q,2,为谐振腔品质因素；,大功率半导体激光器典型结构,-,单元器件,大功率半导体激光器典型结构,-,阵列器件,大功率半导体激光器典型结构,-,阵列器件,大功率半导体激光器典型结构,-,阵列器件,The end,