第五章 发光器件.ppt

由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高. 在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素， 使之产生受激辐射而发射全同光子。 这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光 . 原理: 半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。 但是仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须要有正反馈才行。为了实现光的放大反馈，需要采用使光来回反射的光学谐振腔。最基本的光学谐振腔是由两块互相平行的反射镜构成，称之为法布里一珀罗谐振腔。半导体激光器就是在垂直于PN结的两个端面，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面。 光在谐振腔中的两个反射镜面之间往复反射。其中一个是全反射镜面，另一个是部分反射镜面，这样谐振腔内的光能由该镜面透射出来，形成输出激光。 要能得到相干的受激发射激光输出，需满足两个基本条件： 2）激光振荡的阈值条件（包含振幅和相位） 1）粒子数反转 粒子数反转必要条件 反转的粒子数增益大于有源层内的各种损耗。 ①振幅条件 它决定激光器的阈值 式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率 ②激光振荡的相位条件为 式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 …称为纵模模数。  在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为  γth =α+ (5.4) L= q (5.5) 满足粒子数反转的条件： 对于同质结，为满足上式，需要对p型和n型半导体都重掺杂。采用异质结后就不需要重掺杂了。采用异质结的好处：一是利用两种材料禁带宽度的不同可以很好地限制载流子浓度在有源区，另一个优点是由于两种介质的折射率不同，即利用了折射率之差构成良好的波导。 图 5.7 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈 4. 半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图5.8示出的双异质结(DH)平面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。 图 3.6 DH激光器工作原理 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 DH激光器工作原理 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f =Eg (3.6) 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55 μm波段 式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到 图5.8是GaAlAs-DH激光器的光谱特