半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素

1、半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響 因素半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響因素半導(dǎo)體激光器是一類非常重要的激光器, 在光通信、光存儲等很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用 下面我將探討半導(dǎo)體激光器的波長、光譜、光 功率、激光束的空間分布等四個方面的輸出特 性,并分析影響這些輸出特性的主要因素.半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長是由導(dǎo)帶的電子 躍遷到價帶時所釋放出的能量決定的,這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV). c hf = Eg f -f (Hz)和入(p m價別為發(fā)射光的頻率和波長且c=3X108m/s, h=6.628 X 10-34 J s,leV=1.60 X 10-19 J1.24Eg(eV)(m)決定半導(dǎo)體激光器輸出光

2、波長的主要因素是半導(dǎo)體材料和溫度不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg,因 而有不同的發(fā)射波長入：GaAlAs-GaAs材料適用 于0.85 11 m波段,InGaAsP-InP材料適用于 1.31.55 pm波段.溫度的升高會使半導(dǎo)體的禁帶寬度變小,導(dǎo) 致波長變大.2.光功率半導(dǎo)體激光器前輸回光勁聿1th)其中I為激光器的驅(qū)動電流,Pth為激光器的閾值 功率；降為激光器的閾值電流；刀d為外微分量 子效率；hf為光子能量；e為電子電荷.hf、e為常數(shù),Pth很小可忽略.由此可知,輸 出光功率主要取決于驅(qū)動電流I、閾值電流Ith以 及外微分量子效率qdo驅(qū)動電流是可隨意調(diào)節(jié) 的,因此這里主要討論后兩

3、者.除此之外,溫度 也是影響光功率的重要因素.1)閾值電流半導(dǎo)體激光器的輸出光功率通常用 P-I曲線表示.當(dāng)外加正向電流到達某一數(shù)值時, 輸出光 功率急劇增加,這時將產(chǎn)生激光振蕩,這個電流 稱為閾值電流,用Ith表示.當(dāng)鼓勵電流I< Ith時, 有源區(qū)無法到達粒子數(shù)反轉(zhuǎn),也無法到達諧振條 件,以自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出的是 熒光；當(dāng)鼓勵電流I> I th時,有源區(qū)不僅有粒子 數(shù)反轉(zhuǎn),而且到達了諧振條件,受激輻射為主, 輸出功率急劇增加,發(fā)出的是激光,此時 P-I曲 線是線性變化的.對于激光器來說,要求閾值電 流越小越好.L0 20 40 60 80工(乍電流/mA507 1

4、00150飾電赧/mA(a)M】o e gJ 潺底口物型半導(dǎo)體激光器的光功率特性fa)短波長AIGaAs GaAs (b)長波 IxzInGaAsPInP閾值電流主要與以下影響因素有關(guān): a)晶體的摻雜濃度越大,閾值電流越小c b諧振腔的損耗越小,閾值電流越小.c與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān),異質(zhì)結(jié)閾值電流比同 質(zhì)結(jié)小得多.d溫度越高,閾值電流越大.2外微分量子效率外微分量子效率刀d定義為激光器到達閾值 后,輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之 比,其表達式為P Rh/hf P %d I Ith/e I I th外微分量子效率代表了半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率,它與內(nèi)量子效率、載流子對有 源區(qū)的注入效率

5、、光在諧振腔內(nèi)的損耗情況、諧 振腔端面的反射系數(shù)和溫度等因素有關(guān).它對應(yīng) 著P-I曲線線性局部的斜率.3溫度半導(dǎo)體激光器對溫度很敏感,其輸出功率隨溫 度變化而變化溫度變化將改變激光器的輸出光功率,有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大 溫度對閾值電流的影響,可用下式描述：Ith IoeT/To式中,I.表示室溫下的閾值電流,T表示溫度, T.稱為特征溫度表示激光器對溫度的敏感程 度.一般InGaAsP的激光器,T.=5.80K;A1GaAs/GaAs 的激光器,T.=100150K.二是外微分量子效率隨溫度升高而減小.如GaAs激光器,絕對溫度77K時,刀d約為50% ;當(dāng)絕對溫度升

6、高到300K時,只有約30%3. 光譜半導(dǎo)體激光器的光譜隨著驅(qū)動電流的變化 而變化.當(dāng)驅(qū)動電流I閾值電流Ith時,發(fā)出的是熒 光,光譜很寬,如圖a所示.當(dāng)I > 1th后, 發(fā)射光譜忽然變窄,譜線中央強度急劇增加,表 明發(fā)出激光,如圖b所示.76510.855OA8550Ab高閾值時4 3 1* SS低廣網(wǎng)值時3 2 囁黃V輕當(dāng)驅(qū)動電流到達閾值后,隨著驅(qū)動電流的增 大,縱模模數(shù)變小,譜線寬度變窄.當(dāng)驅(qū)動電流 足夠大時,多縱模變?yōu)閱慰v模.驅(qū)動電流增加S32S30 S2S S24S32 830 82g £26 S24832 830 828 826 g24止匕外,溫度也會影響半導(dǎo)體激光器的光譜. 隨著溫度的升高,半導(dǎo)體的禁帶寬度變小,將導(dǎo) 致整個光譜向長波長方向移動.4. 激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠場來描述.近 場是指激光器反射鏡面上的光強分布,遠場是指 離反射鏡面一定距離處的光強分布.近場和遠場 是由諧振腔有源區(qū)的橫向尺寸,即平行于PN結(jié) 平面的寬度w和垂直于PN吉平面白厚度t所決 定的,并稱為激光器的橫模.平行于結(jié)平面的諧 振腔寬度w由寬變窄,場圖呈現(xiàn)出由多橫模變 為單橫模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄, 這個方向的場圖總是單橫模.1(1 juibn禪/=lljprn20