光纤通信原理008.ppt

第八讲 半导体激光器（一） * 主要内容 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的基本结构 * 半导体激光器工作原理 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。 * 半导体激光器工作原理 光与物质相互作用的三种基本方式 粒子数反转分布 激光振荡和光学谐振腔 * 光与物质相互作用的三种基本方式 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。 受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。 * E2 E1 E2 E1 hf12 hf12 hf12 hf12 初态 终态 (b)自发辐射 (c)受激辐射 (a)受激吸收 能级与电子跃迁示意图 * 粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。 * 半导体的能带和电子分布 能量 价带 价带 Eg Ef Ef/2 Ef/2 Eg Ef Ee Ev Ev Ee Eg Ef Ee Ev (a)本征半导体 (b)N型半导体 (c)P型半导体 空穴 电子 * 能带——电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。 价带——能量低的能带。 导带——能量高的能带。 禁带Eg——导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差 在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。 * PN结的能带和电子分布 PN 结空间电场区 P区 N区 + + + + + + Ef 能量 EeP EVP EeN EVN P区 N区 EVP EeP EeN EVN EfN EfP hf hf * PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。 * 光学谐振腔 光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。 * 激光振荡 激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为： 是?阈值增益系数； 是谐振腔内激活物质的损耗系数； 为谐振腔长度 激光振荡的相位条件为： 或 * 半导体激光器的基本结构 同质结 单异质结（LH） 双异质结（DH） * 双异质结（DH)LD的结构 限制层GayAl1-yAs 有源层GaAs 限制层GaXAl1-XAs GaAs衬底 光辐射 金属接触 * 双异质结（DH)LD的工作原理示意图 P GayAl1-yAs P GaAs N GaXAl1-XAs E能量 N折射率 P光功率 电子 复合 异质势垒 空穴 ＜5% － + (b) (a) (d) (c) * 双异质结（DH)LD的工作原理 双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。 *