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)體激光器是一類(lèi)非常重要的激光器，在光通信、光存儲(chǔ)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(zhǎng)、光 譜、光功率、激光束的空間分布等四個(gè)方面的輸出特性，并分析影 響這些輸出特性的主要因素。1 波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)是由導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放 出的能量決定的，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度 Eg(eV) hf = Eg f cf (Hz) 和( m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)且c=3×108m/s， h=6.628 ×10- 34 J ·s，leV=1.60 ×10-19 J1.24Eg(eV)( m)決定半導(dǎo)

2、體激光器輸出光波長(zhǎng)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(zhǎng) ： GaAlAs-GaAs材料適用于 0.85 m波段， InGaAsP-InP 材料適用 于 1.31.55 m波段。溫度的升高會(huì)使半導(dǎo)體的禁帶寬度變小，導(dǎo)致波長(zhǎng)變大。2 光功率dhfP Pthdhf (I Ith )半導(dǎo)體激光器的輸出光功率 e其中 I 為激光器的驅(qū)動(dòng)電流， Pth 為激光器的閾值功率； Ith 為激光 器的閾值電流； 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(dòng)電流

3、I 、閾值電流 Ith 以及外微分量子效率 d。驅(qū)動(dòng)電流是可 隨意調(diào)節(jié)的，因此這里主要討論后兩者。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(xiàn)表示。當(dāng)外加正向電 流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這 個(gè)電流稱(chēng)為閾值電流，用 Ith 表示。當(dāng)激勵(lì)電流 I< Ith 時(shí)，有源區(qū)無(wú) 法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也無(wú)法達(dá)到諧振條件，以自發(fā)輻射為主，輸出功 率很小，發(fā)出的是熒光；當(dāng)激勵(lì)電流 I> Ith 時(shí)，有源區(qū)不僅有粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)，而且達(dá)到了諧振條件，受激輻射為主，輸出功率急劇增加，發(fā) 出的是激光，此時(shí) P-I 曲線(xiàn)是

4、線(xiàn)性變化的。對(duì)于激光器來(lái)說(shuō)，要求閾 值電流越小越好。閾值電流主要與下列影響因素有關(guān)：a) 晶體的摻雜濃度越大，閾值電流越小。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 d 定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達(dá)式為(P Pth ) / hf P Pthdd 外(微I 分I量th )子/ e效率I代表I t了h 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(duì)有源區(qū)的注入效率、 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)

5、。 它對(duì)應(yīng)著 P-I 曲線(xiàn)線(xiàn)性部 分的斜率3) 溫度半導(dǎo)體激光器對(duì)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(gè)原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大。 溫度對(duì)閾值電流的影響，可用下式描述：I th I 0eT /T0式中，I0 表示室溫下的閾值電流， T表示溫度， T0稱(chēng)為特征溫度 （表 示激光器對(duì)溫度的敏感程度） 。一般 InGaAsP的激光器，T0 =5080K；A1GaAs/GaAs的激光器， T0 =100 150K。二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。如 GaAs激光器，絕對(duì) 溫度 77K時(shí)， d 約為 50%；當(dāng)絕對(duì)溫度升高到 300K時(shí), d

6、 只有約30%。3 光譜半導(dǎo)體激光器的光譜隨著 驅(qū)動(dòng)電流 的變化而變化當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流 I <閾值電流 Ith 時(shí)，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如 圖（a）所示。當(dāng) I> Ith 后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線(xiàn)中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖（ b）所示當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到閾值后，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，縱模模數(shù)變小，譜線(xiàn)寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模。此外，溫度也會(huì)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(gè)光譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。4 激光束的空間分布激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描述。 近場(chǎng)是指激光器反射鏡面上的光強(qiáng)分布， 遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。 近場(chǎng) 和遠(yuǎn)場(chǎng)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結(jié)平面的厚度 t 所決定的，并稱(chēng)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(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M 模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度 t 很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫 模。下