半导体光源特性测量.doc

上世纪六十年代初开始将半导体材料作为激光媒质，伯纳德（ Bernard ）和杜拉福格（ Duraffourg ） 提出在半导体中实现受激辐射的必要条件：对应于非平衡电子，空穴浓度的准费米能级差必须大于受激 发射能量。由此，半导体激光器开始了从同质结到异质结的快速发展过程，单异质结最初由美国的克罗 默（ Kroemer ）和前苏联的阿尔费洛夫于 1963 年提出，其实质是把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽 带隙半导体之间，从窄带隙半导体中产生高效率复合和辐射，这个设想很大程度上取决于异质结材料的 生长工艺， 1967 年 IBM 公司的伍德尔（ Woodall ）用液相外延方法（ LPE ）在 GaAs 上生长出 AlGaAs ， 两三年后，贝尔实验室的潘尼希（ Panish）等人研制成功 AlGaAs/GaAs 单异质结半导体激光器。 虽然单异质结能够利用其势垒将注入电子限制在 GaAs P-N 结的 P 区内使室温阈值电流密度降到 10 3 A / cm 2 水平，但真正的突破是双异质结（ DH ）的发明：把 p-GaAs 半导体夹在 N-Al xGa1-xAs 层和 P-Al xGa1-x As 层之间，两个异质结势垒能有效地将载流子和光场限制在 p-GaAs 薄层有源层内，使室温阈 值电流密度减小了一个数量级。这项重要的发明由阿尔费洛夫， Hayashi，潘尼希等人共同完成。 整个七十年代的工作重点是提高半导体激光器的各项基本参数要求： 低的阈值电流密度； 室温工作； 连续大功率输出；长寿命；含盖可见光与近红外的多种单频激光器；窄线宽；波长可调谐激光器等。八 十年代以来，随着分子束外延（ MBE ），金属有机化学气相沉积（ MOCVD ）和化学束外延（ CBE ）技术 取得重大突破，诞生了诸如量子阱激光器（ MQW ），应变量子阱激光器（ SL-MQW ），垂直腔面发射激光 器及高功率激光器阵列等所谓“能带工程”的产物 半导体激光器的最重要应用是光纤通信：比如将 1.55μ m，窄线宽的分布反馈布拉格半导体激光器 （DFB-LD ）用于光纤通信，单信道码率可达 10Gb/s，为适应更高码率的波分复用（ WDM ）和时分复用 （TWM ）等光纤信号传输技术，发展了量子阱有源，多段结构的可调谐 DFB-LD 或 DBR-LD （分布布拉 格反射激光器） ，由于其线宽窄，微分增益系数大，有利于降低调制啁啾引起的展宽，这样即有助于提高信道码率；半导体激光器另一项重要应用在光盘技术领域，光盘技术是门综合技术，融会了计算机，激光与数字通信技术，半导体激光器用于光盘写入时，关键技术有光斑聚焦和光束圆化，强度和波长涨落以及光反馈影响方面的控制等。 半导体激光器原理 1． 半导体异质结能带结构和粒子数反转分布条件 半导体异质结是指由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面 （过度区），不同物理 参数可以是禁带宽度（ E g ），功函数（ ），电子亲和势（ ）介电常数（ ），对它们进行适当选择就 可以获得诸如高注入比，超注入效应，对载流子和光场的限制作用， “窗口效应”等。 对于直接带隙半导体，在热平衡状态下，电子基本上处于价带中（如图） ，半导体介质对光辐射只有 吸收而没有放大作用，但当电流注入结区时，热平衡状态被破坏（如图） ，电子处于导带中能量为 E 的状 态的几率 f c (E) 为 f c 1 1 e( E E FC ) / KT 电子处于阶带中能量为 E 的状态的几率 f (E) 为 f v 1 ( E E FV ) / KT 1 e EFC 和 EFV 是导带和价带的准费米能级，为了在结区中心有源区内得到受激辐射，要求 fc fv ，即要 求伯纳德 -杜拉福格条件成立 E FC EFV E2 E1 h 该式表明，半导体中产生受激发射的必要条件是非平衡电子和空穴的准费米能级之差应大于受激辐射的光子能量，也就是说，无任用光照还是电流激励，在激射发生之前，导带和价带的准费米能级之差应大 于带隙 E g ，在这个条件下可形成集居数反转密度同时可得到净的总受激跃迁增益系数。 EFC EFV h 只是提出了产生激光的前提条件，要实际获得相干受激辐射，必须将增益介质置 于光学谐振腔内，实现光放大，一般利用半导体材料的两个解理面（比如 110 晶面）构成部分反射（通 过蒸镀抗反射或增透薄膜）的 F-P 腔，理论上沿 z 方向形成纵模分布。另外， DFB-LD （分布反馈半导体激光器）或 DBR-LD （分布布拉格反射半导体激光器）则是由内含布拉格光栅来实现选择性反馈。 半导体介质光波导 典型的 F-P 腔条形结构双异质结 Al y Ga1 y As/ GaA