半導(dǎo)體光電子學(xué)課程報告

1、半導(dǎo)體光電子學(xué)課程報告半導(dǎo)體激光器1、半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的p-n 結(jié)或p-i-n結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化鎵( GaAs) 、砷化銦( InAs) 、銻化銦( InSb)等等幾十種材料，在半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種,即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注入,即給p-n 結(jié)加正向電壓,以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射,因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管。2、 半導(dǎo)體激光器的使用 2.1選擇原因 從第一個半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來，使用波長范圍從紅外、紅光到藍(lán)綠光。通過各種不同的結(jié)合方

2、式使得激光器的激射閾值電流由幾百mA降到幾十mA ,直到亞mA ,其壽命達(dá)到上百萬小時。從最初的低溫(77K) 下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作, 輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(陣列器件)。同時還具備效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高(已達(dá)10 %以上,最大可達(dá)50 %) ， 便于直接調(diào)制、省電等等，正是這些優(yōu)點(diǎn)，在選擇激光器運(yùn)用于其他方面時，半導(dǎo)體激光器更優(yōu)于其他類型的激光器。2.2使用要求在使用半導(dǎo)體激光器時，最重要是光源的選擇，能產(chǎn)生想干輻射的光源要滿足三個條件：1) 實(shí)現(xiàn)有源區(qū)（激勵介質(zhì)）載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；2) 以半導(dǎo)體晶體的自然解理面為反射鏡構(gòu)成諧

3、振腔，多次反饋振蕩形成激光。3) 選擇合適的激勵介質(zhì)，注入足夠強(qiáng)的電流，實(shí)現(xiàn)大增益，特點(diǎn)波長的光被放大都能連續(xù)輸出。2.3應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb 局域網(wǎng)；在光電子學(xué)領(lǐng)域，激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面有廣泛的應(yīng)用。由于半導(dǎo)體激光器超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn),當(dāng)與光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起,就能實(shí)現(xiàn)光通信中各個方面功能。半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖,對光纖通信產(chǎn)生了重大影響。因此可以說,沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn),就沒有當(dāng)今的光通信。 具體的應(yīng)有有，量子阱半導(dǎo)體大功率激光器可用于精密機(jī)械零件的激光加工方面，

4、而長波長激光器可用于光通信,短波長激光器用于光盤讀出，藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機(jī)，還有量子級聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測、醫(yī)檢領(lǐng)域，綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器可用于超高密度、光存儲、全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)療等方面。2.3主要性能參數(shù) 對于各種激光器的常見性能參數(shù)括電壓一電流特性、光功率一電流特性、閾值特性、光譜性質(zhì)、光強(qiáng)分布、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率、激光器的溫升和熱阻等。2.5.1電壓一電流特性半導(dǎo)體激光器的V一I特性指在外加電流注入激光器時,隨著注入電流的變化,

5、激光器端電壓的變化情況,其特性曲線與二極管電流電流電壓方程類似其中的m值,稱之為結(jié)的特性參量或理想因子,是結(jié)特性的重要標(biāo)志。圖1 半導(dǎo)體激光器的伏安特性曲線從上圖可以看出,在第一象限隨著輸入激光器的電流的增加，電流變化較快時,電壓變化很慢,激光器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，其正常工作狀態(tài)應(yīng)處于第一象限內(nèi)。2.5.2光功率-電流特性 激光器總的發(fā)射功率(P)與注入電流(I)的關(guān)系曲線稱為功率一電流（P-I）曲線。圖2 半導(dǎo)體激光器的功率一電流特性由圖可以看出隨著激光器注入電流的增加,其輸出光功率增加,但是不成直線關(guān)系,存在一個閥值Ith,當(dāng)注入電流大于Ith后,輸出光功率隨注入I增加而增加,且呈線性變化,

6、此時發(fā)C出相干性很強(qiáng)的受激輻射光。2.5.3閾值特性當(dāng)半導(dǎo)體器件的注入電流I增大,有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn),受激輻射占主導(dǎo)地位,才能發(fā)射激光。閾值電流可以由單模速率方程的穩(wěn)態(tài)解求得。速率方程： 其中,N(t)表示有源區(qū)中的電子密度;S(t)表示有源區(qū)中的光子密度;曲線d2P/dI2的頂點(diǎn)作為閾值點(diǎn)。圖3 半導(dǎo)體激光器典型特性曲線激光器的閾值條件說明,只有諧振腔里的增益增大到能夠克服損耗,才能建立起穩(wěn)定的光振蕩,輸出譜線尖銳,方向性好的激光。而增大增益的方法就是加大I輸入,因此Ith決定著器件的功耗、連續(xù)工作時間和使用壽命。Ith低,則功耗低,連續(xù)工作時間就長,使用壽命就長,穩(wěn)定性也就高。2.5

7、.4光譜特性光譜指的是不同成分的光所占的比例,光波成分在激光器的工作過程中不斷發(fā)生變化,以電流閾值為界：當(dāng)電流由小變大時,激光器發(fā)光的光譜分布發(fā)生變化,在I沒有達(dá)到Ith時,熒光光譜很寬,當(dāng)I=Ith時以受激發(fā)射為主,因而譜線變得尖銳,出現(xiàn)一個或幾個又窄又高的峰值。2.5.5 輸出光強(qiáng)分布激光器的光強(qiáng)分布主要指的是垂直于波的傳播方向的截面上存在的穩(wěn)定的光強(qiáng)分布。輸出激光的光強(qiáng)沿腔的橫向有不同振動模式的各種可能的穩(wěn)定分布。2.5.6 溫度特性半導(dǎo)體激光器是對溫度很敏感的器件,不僅環(huán)境的變化會使激光器的閾值電流和輸出光功率發(fā)生變化,注入電流的熱效應(yīng)也會發(fā)生類似的變化,稱為激光器的結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。激光器

8、的熱方程為：式中第一項(xiàng)表示結(jié)溫升高所吸收的熱功率,第二項(xiàng)表示結(jié)溫升高后向周圍環(huán)境散掉的熱功率。2.5.7瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高,響應(yīng)速度快,可以直接用于調(diào)制,因此被視為光纖通信中理想的光源,但是對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時,激光器往往呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的動態(tài)性質(zhì)，可以歸納為:1) 激光輸出與注入的電脈沖之間存在延時,稱為電光延遲時間（ns）；2) 當(dāng)電脈沖注入激光器之后,輸出光脈沖呈現(xiàn)出衰減式的振蕩,稱為張馳振蕩(百M(fèi)Hz到2GHz),這是激光器內(nèi)部光電相互作用表現(xiàn)出來的固有特性；3) 某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩,叫自脈動現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在P-I曲線中間有明顯

9、扭折變換的激器中。3、 能實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體激光器相同功能的器件3、1 半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管的材料完全一樣的，使用砷化鎵（GaAs）同質(zhì)結(jié)能都能實(shí)現(xiàn)激光振蕩。區(qū)別激光器只能在液氮冷卻下工作，發(fā)出單脈沖振蕩。在后續(xù)發(fā)展中使用了異質(zhì)結(jié)，使得激光器能在常溫下工作。且半導(dǎo)體發(fā)光二極管沒有諧振腔，是無閾值器件，它的發(fā)光只限于自發(fā)輻射過程，其最大的特點(diǎn)是：光譜較寬、線性好、溫度特性好、耦合效率低。而半導(dǎo)體激光器是受激輻射，可發(fā)出不同波長的光，壽命長輸出功率效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高。3、2 光纖激光器光纖激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是: (1)轉(zhuǎn)換效率高

10、，激光閾值低。光纖的幾何形狀具有很低的體積和表面積，再加上在單模狀態(tài)下激光與泵浦可充分耦合。 (2)器件體積小，靈活。 (3)激光輸出譜線多，單色性好，調(diào)諧范圍寬。并且其性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗小。 但是光纖激光器的缺點(diǎn)是：輸出效率低、輸出光束質(zhì)量難保證、增益光纖長、可輸出激光波長范圍小。而半導(dǎo)體激光器的壽命長、體積小、效率高等優(yōu)勢，使得在實(shí)際應(yīng)用中更為廣闊。3.3固、氣、液體激光器 固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。氣體激光器如氦氖激光器的輸出波長為準(zhǔn)確的632.8nm，光束質(zhì)量方面是各種激光器中的最好的；具有良好的功率穩(wěn)定性。液體激光器輸出波長連續(xù)可

11、調(diào)，且覆蓋面寬。綜上所述，半導(dǎo)體激光器是在能帶間進(jìn)行躍遷,因此其譜線寬度比固體或氣體激光器的光譜寬度要大,即單色性能要差一些，在十幾納米范圍。3 與半導(dǎo)體有關(guān)的期刊文章Research on the key technology of the emission system for semiconductor laser range finderYongjie Cheng (Nat. Key Lab. of High Power Semicond. Lasers, Changchun Univ. of Sci. & Technol., Changchun, China); Deshen

12、g Xin; Jianjia Zhang Source: 2012 International Conference on Optoelectronics and Microelectronics (ICOM), p 56-60, 2012Analysis and characterisation of experimental real-time series of a semiconductor laser under optical injectionSchires, K. (Sch. of Comput. Sci. & Electron. Eng., Univ. of Esse

13、x, Colchester, United Kingdom); Hurtado, A.; Henning, I.D.; Adams, M.J. Source: 2011 Conference on Lasers & Electro-Optics Europe & 12th European Quantum Electronics Conference CLEO EUROPE/EQEC, p 1 pp., 2011Semiconductor laser integrated with a thermoelectrophotonic light emitting diode hea

14、t pumpDeppe, D.G. (Coll. of Opt. & Photonics, Univ. of Central Florida, Orlando, FL, United States); Liu, X.; Zhao, G.; Zhang, Y. Source: 2012 IEEE Photonics Conference (IPC 2012), p 852-3,2012下面2012年發(fā)表于IEEE Photonics Conference的Semiconductor laser integrated with a thermoelectrophotonic light e

15、mitting diode heat pump(半導(dǎo)體激光器與熱光電子（TEP）發(fā)光二極管熱泵的集成)為例，簡述半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。理論上，將半導(dǎo)體激光器與自發(fā)輻射二極管（LED）光泵集成在第一個單芯片中。工作在偏壓區(qū)的發(fā)光二極管會吸收熱光電子，并激發(fā)光泵。因熱光電子(TEG)效應(yīng)，輻射與內(nèi)部制冷有關(guān)?？刂芁ED電壓遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于光子能量時，LED產(chǎn)生TEG效應(yīng)。在偏置條件下，自發(fā)輻射的光子能量等同于半導(dǎo)體禁帶能量，外界的能量和輻射光子的總能量差都被晶格熱吸收，如GaAs發(fā)光二極管的材料就可以達(dá)到高于99內(nèi)部量子效率。這種情況下，Snell定律的提出證實(shí)了LED凈吸收成為可能。主要問題是如何將

16、半導(dǎo)體激光器集成在一個TEP LED中。Snell定律克服了集成芯片的問題。通過光泵能減少激光內(nèi)的損失，LED光泵在理想操作中也可以當(dāng)做一個加熱泵。 光電芯片設(shè)計(jì)，LED管和量子井激光器是由半導(dǎo)體解理鏡面組成，并吸收LED自發(fā)輻射的光子。在理想實(shí)驗(yàn)中，LED自制冷效應(yīng)是由于它的基本條件和高效率的內(nèi)量子效應(yīng)，決定于LED的厚度。但LED理想內(nèi)部工作溫度比激光器的要低，這種情況將會引起晶體周圍（包括激光器）的熱量傳導(dǎo)到LED。例如設(shè)計(jì)中包括未摻雜1.5um厚的砷化鎵發(fā)光區(qū)域是由p-n型Al0.1Ga0.9As注入?yún)^(qū)域。GaAs的自發(fā)發(fā)射被耦合到量子阱激光器波導(dǎo)。 因此，示范時LED和激光器波導(dǎo)之間的光泵浦量子缺陷接近于零，而量子缺陷主要在GaAs LED和激光的量子阱之間。在砷化鎵波導(dǎo)中心是60um厚的單個In0.2Ga0.8As的量子阱，它可支持光激射，激光器的覆層是Al0.3Ga0.7As。假定在77K時內(nèi)量子效率達(dá)到100，比較77K和室溫下排放效率，砷化鎵LED區(qū)域的內(nèi)部量子效率在室溫下估計(jì)為98。這種高內(nèi)部量子效率與表面自由GaAs體材料等的測量一致。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2中光-電流曲線。該芯片通過探針臺測試但不散熱。激光結(jié)果在準(zhǔn)連續(xù)波測量操作。電致發(fā)光在兩個不同電平偏置下的發(fā)射光譜如圖3。常溫下測量的