《光电子材料与器件》第2章：半导体发光材料及器件-LD培训课件.ppt

1、谐振腔对激光频率的约束： nL=(λ/2)K λ=2nL/K (K=1,2,3…..) f=ck/2nL (K=1,2,3) Δf=c/2nL 分布反馈及分布布拉格半导体激光器 分布反馈式LD 优点： 结构简单； 电流泵浦，功率转换效率高(最大可达50%)，便于调制； 半导体激光器的特点 产生激光的4个条件： 合适的工作物质 例如：氦氖激光器-氖原子 红宝石激光器-CrO3 泵浦 （气体放电-光泵浦） 粒子数反转 （能级、热平衡） 在没有外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。 谐振腔 半导体激光器的一般构成??? LD的通用结构 构成部分： 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。 LD的结构： 简并型半导体、费米 能级与PN结 半导体激光器的工作原理 简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导体。 简并参杂半导体pn结的能带结构图 半导体激光器的工作原理 粒子数反转： 当加在PN结上的正向电压超过某一值（eVEg）后，PN结的某段区域中导带底的电子数大于价带顶电子数，出现粒子数反转。该区域称为增益区(有源区) 。 半导体激光器的工作原理 粒子数反转的理解： 外电场、电子和空穴的注入、扩散、复合。 在PN结的某段区域，自由电子、空穴的浓度同时增大（电子占据导带的概率提高，占据价带的概率减小）。 当电流增加到某个值时，自由电子、空穴的浓度足够大，实现粒子数反转。 半导体激光器的工作原理 简并半导体形成的PN结，在热平衡时， N区导带底被电子占据的概率 P区价带顶被电子占据的概率 N区和P区被耗尽层分割，N区自由电子不能进入P区复合。 当正偏时，外加加压减小了耗尽层厚度，当外加电压为Eg时，耗尽层消失，P区和N区接触。 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的工作原理 GaAs的禁带宽度： 1.42 eV 普朗克常数 = 6.626068 × 10-34 m2 kg / s e=1.6021892×10-19C 半导体激光器的工作原理 常用半导体材料的禁带宽度： Ge、 Si、 GaAs 0.66eV、1.12 eV、1.42 eV 半导体激光器的材料 P－N 结的厚度仅几十微米； 谐振腔一般是直接利用垂直于P－N 结的两个端面（解理面） GaAs的折射率n＝3.6，反射率0.32，另一面镀全反射膜。 法布里-珀罗腔，简记为F-P腔 半导体激光器的工作原理 F-P腔：平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。又称为法布里-珀罗干涉仪，简记为F-P腔。 半导体激光器的工作原理 半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。 外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布. 半导体激光器的工作原理 初始的光场来源于导带电子的自发辐射，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。 半导体激光器的工作原理 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。 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的特性 光学特性： 一.光谱： 峰值波长、光谱宽度、波长温度系数 二.模式：纵模（频率） 横模（与谐振腔垂直的平面上光场的分布） 半导体激光器的工作原理 纵模的性质： 纵模数随注入电流而变，电流越高，模数约少（主模增益增加。边模增益减少）； 峰值波长随温度变化 动态谱线展宽（注入电流变化、载流子浓度改变、有源区折射率改变） 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的特性 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的特性 三.发光面积、发散角 激光在输出镜上的面积； 垂直于PN结的发散角大，几十度（快轴） 平行于PN结的发散角小，几度（慢轴） 四.光功率 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的特性 五、偏振： TE：电场的振动方