半导体激光器的工作原理

校历第十周计划（10.28-11.3）：半导体激光器的工作原理

10.28

• 粒子反转分布与光增益

1. 为了在半导体双异质结中心有源区能产生受激光发射，必须使净受激发射速率大于净受激吸收速率。
2. 半导体中产生受激光发射的必要条件是对应非平衡电子和空穴的准费米能级之差应该大于受激发射的光子能量。

   

3. 当满足粒子数反转条件时，净受激发射速率为正值。这时光波通过处于该状态的半导体时将获得增益。粒子数程度越高，得到的增益越大。

• 阈值条件和增益分布

1. 粒子反转分布时，半导体材料从光吸收物质介质变成增益物质增益系数如下式所示。

   

2. 阈值增益为 ，当激光器达到阈值时，光子从每单位长度介质所获得的增益必须足以抵消由于介质对光子的吸收，散射，等内部损耗，还有激光从腔面透射出来的部分。
3. 随着激励水平的增加，能带载流子数目增大，增益曲线的最大值向更高的光子能量处移动。
4. 随温度的增高，费米能级附近占有几率的变化平坦了，因此增益降低。

10.29

• 法布里-珀罗共振腔

1. 用垂直于结面的两个严格平行的晶体解离面作为天然反射镜面，称为法布里-珀罗共振腔。
2. 当一定频率的受激发射沿平行于结平面的方向在反射面间来回反射且最终形成两列方向相反的波叠加时，就会在共振腔形成驻波。(两个振幅、波长、周期皆相同的正弦波相向行进干涉而成的合成波)
3. 受激辐射在共振腔内来回反射时，也会因吸收、散射及反射面透射等损耗，不过，注入电流则会使有源区内的受激辐射不断增强，即使之获得增益。而损耗和增益的消长决定着最终能否有激光的发射。把增益等于损耗时的注入电流密度称为阀值电流密度。

   

10.30 

• 半导体的工作原理

1. 建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。即处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的电子数大很多。这是靠给异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现的。
2. 有一个合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈而形成激光振荡。对F-P腔半导体激光器很方便地可以利用晶体的【110】面作自然解理面来形成F-P腔。
3. 为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,使光增益等于或大于各种损耗之和。这就要求足够强的电流注入，必须满足一定的电流阈值条件。

10.31

• f-p腔半导体激光器的结构

1. F-P腔双异质结半导体激光器的管芯结构如上图所示，在x方向上，核心部分是异质结-有源区-异质结三层结构的平板波导结构。核心部分下面是衬底和欧姆接触电极，上面是包层、帽层和上欧姆接触电极。除此种结构外，还有大光腔（LOC）和分别限制异质结（SCH）两种结构。其带隙图、折射率、和光强分布图如下所示。

   

2. y方向上没有任何侧向载流子限制和光波导引结构的称为宽接触半导体激光器（效果不好，仅用来讨论工作原理）。为获得优良的性能，在激光有源区的侧向（y向）必须加以载流子限制和波导引机制，这就形成了增益导引和折射率导引（又分为弱、强两种）两类激光器。侧向导引机构的引入能使阈值电流降低，提高了电能向光能的转换效率，改善散热特性，减慢衰变过程。能够大大改善模式特性。具体的侧向限制结构种类如下图：

   

3. z方向通常用衬底材料的（110）晶面作解理面以此形成F-P腔的谐振腔，并在腔面上蒸镀抗反射或增投播磨以改善腔面光学性能。

11.1

• 条形激光器

1. 为满足激光器发射光束具有较小的发散角，小的色散，高的光谱纯度等条件，半导体激光器必须是基横模和基侧模工作，甚至要求单纵模工作。为了获得良好的光束特性和稳定的基横模工作，必须在半导体激光器有源区平行于结平面的侧向加进限制结构。即在y方向上加一个光增益限制区或是建立有折射率差的导引机构。

   

2. 在垂直于结的x方向上，有源区被小折射率的上下包层（也叫限制层）限制着。在平行于结的y方向上两侧被无源区限制着。
3. 这类结构的好处：1、注人载流子的侧向限制和载流子侧向扩散的限制以及辐射场的有效限制能使器件的阈值电流降低;2、能实现侧向基模工作,易于和光纤实现高效率耦合;3、有源区产生的热量能通过四个方向的无源区传递而逸散,改善器件的热状态;4、有源区尺寸小了，提高了材料均匀的可能性;5、减慢了激光器的退化过程;⑥提高了电能向光能的转换效率。