6第六章光源_半导体激光二极管题稿.pptx
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第六章光源_半导体激光二极管
半导体激光器(Light Amplification by Stimulation of Emitted Radiation, LASER)
半导体激光二极管简称为激光器(Laser Diode, LD)
6.3.1所用材料
LD工作的三大要素:受激发射材料、粒子数反转和谐振腔。
材料:直接带隙半导体材料
有源区:量子阱结构
泵浦方式:电流注入,通过PN结的直接直接注入即可以实现粒子数反转
谐振腔:法布里-珀罗腔、布拉格腔、布拉格发射器
直接带隙半导体材料的带隙(禁带宽度)决定了激光器自发辐射的波长范围。
电子跃迁过程产生的光子能量为:
发射波长为:
h为普朗克常量
典型的LD的基本结构:有源区、光反馈装置、
频率选择元件和光波导
6.3.2.1 基本结构
6.3.2.1 基本结构
有源区:实现粒子数反转分布、光增益的区域,采用双异质结结构可以有效地提高激光器的增益效率
光反馈装置:在光学谐振腔内提供正反馈,以建立稳定的激光振荡
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
光波导:对所产生的光波在激光器内部进行引导
各个结构的发展过程
异质结:同质结、单异质结、双异质结、分离限制异质结到量子阱、量子线、量子点
谐振腔:法布里-珀罗腔、布拉格腔、布拉格发射器到垂直腔面、微腔
条形波导:宽接触到条形结构(选模和导波,使LD获得稳定的单纵模)
6.3.2.2 典型结构
双异质结构对电子和空穴和光子的有效约束,可以
提高注入效率、降低阈值电流密度。
双异质结激光器的工作原理
窄带隙材料P-GaAs被夹在两个宽带隙材料N-AlGaAs和P-
AlGaAs之间。因此,在不同材料之间形成两个异质结。
在双异质结上施加正向偏置电压时,外加电场驱动来自N
区的电子和来自P区的空穴流入窄带隙的P区。同时,PN
结上存在的电子势垒和PP结上存在的空穴势垒又起到了
屏蔽效果,防止进入P区的电子流和空穴流越过结的边界
向周围区域扩散。这样,自由运动的电子和空穴聚集在P
区,它们相遇并复合,从而产生光子。
体材料激光器:有源层厚度为100~200nm
量子阱激光器:有源层厚度为10nm左右时,
有源层的载流子运动呈现出量子特性。
超晶格:两种半导体晶体A和B,以厚度几个原子层到十几个原子层的晶体薄膜形式交替重叠
量子阱:能带呈现阶梯状的分布结构,可以有效地提高LD的有源层量子态密度和对注入载流子进行量子化限制,提高增强载流子注入效率,从而获得很高的光增益。
量子阱激光器:小阈值电流、高光增益功率、灵活工作波长、窄光谱线宽和良好的温度特性
量子阱:能带呈现阶梯状的分布结构,可以有效地提高LD的有源层量子态密度和对注入载流子进行量子化限制,提高增强载流子注入效率,从而获得很高的光增益。
量子线:在半导体晶体A中形成的带隙比较小,直径为几个原子到几十个原子的半导体晶体的细线。电子与空穴的能级按照两维方向量子化,只有沿着一维方向的能级是连续的。量子线的两个方向受势垒限制,只有一个方向是自由的。
量子点:在半导体晶体A中形成的带隙比较小,直径为几个原子到几十个原子的半导体晶体的微小区。能级按照三维方向量子化,因此,量子点全部为离散能级。量子点的三个方向受势垒限制。
LD内部形成激射的两个基本条件:
产生粒子数反转
建立起稳定的激光振荡
LD的工作原理
LD是通过电流注入方式来实现粒子数反转。工作
物质能够有效地提供电子跃迁,在泵浦源的作用
下,工作物质发生粒子数反转分布,在有源区形
成增益,从而最终使外界供给的能量转变为光子
释放出来。
LD实质是自激振荡的激光放大器。LD工作时初始光场
来源于导带和价带之间的自发辐射,光场的频谱较宽,
方向杂乱无章。通过光学谐振腔建立稳定的激光振荡,
实现对光的频率与方向进行选择,获得单色性和方向
性好的激光。
6.3. 3 工作原理
6.3. 4 分类方法
异质结构:通过电流注入异质结构和量子阱形成的光波,以达到限制横模的数量,获得稳定的横向增益和降低阈值电流。
谐振腔:解决由于光纤色散导致光脉冲展宽使光纤通信系统传输速率(容量)受限制问题。光纤通信系统应该选择单纵模作为光源。
条形结构:为了实现光场和载流子的横向分布约束在有源区,使激光器有效地工作,必将设法将注入电流限制在激光器长度方向的条形(窄条)结构内。决定着阈值电流、光谱模式。
6.3. 4 分类方法
有源区:双异质结(P限制层和N限制层之间)
谐振腔:法布里-珀罗谐振腔(
有源区两端晶体天然的解里面作为反射镜)
光波导:有源区
6.3. 5 法布里-珀罗激光器
工作原理:沿着PN结垂直方向构成双异质结,工作电流注入有源区,实现粒子数反转分布和电子-空穴复合发光。利用两端晶体的天然解理面作为反射镜和有源
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