半导体光电子学课程报告.docx

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半导体光电子学课程报告

半导体光电子学课程报告

——半导体激光器

1、半导体的基本结构

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的p-n结或p-i-n结为工作物质的一种小型化激光器。

目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）等等几十种材料，在半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。

绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给p-n结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。

2、半导体激光器的使用

2.1选择原因

从第一个半导体激光器发明以来，使用波长范围从红外、红光到蓝绿光。

通过各种不同的结合方式使得激光器的激射阈值电流由几百mA降到几十mA,直到亚mA,其寿命达到上百万小时。

从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作,输出功率由几毫瓦提高到千瓦级（阵列器件）。

同时还具备效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高（已达10%以上,最大可达50%），便于直接调制、省电等等，正是这些优点，在选择激光器运用于其他方面时，半导体激光器更优于其他类型的激光器。

2.2使用要求

在使用半导体激光器时，最重要是光源的选择，能产生想干辐射的光源要满足三个条件：

1）实现有源区（激励介质）载流子的粒子数反转；

2）以半导体晶体的自然解理面为反射镜构成谐振腔，多次反馈振荡形成激光。

3）选择合适的激励介质，注入足够强的电流，实现大增益，特点波长的光被放大都能连续输出。

2.3应用

半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网；在光电子学领域，激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面有广泛的应用。

由于半导体激光器超小型、高效率和高速工作的优异特点,当与光通信技术紧密结合在一起,就能实现光通信中各个方面功能。

半导体激光器再加上低损耗光纤,对光纤通信产生了重大影响。

因此可以说,没有半导体激光器的出现,就没有当今的光通信。

具体的应有有，量子阱半导体大功率激光器可用于精密机械零件的激光加工方面，而长波长激光器可用于光通信,短波长激光器用于光盘读出，蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机，还有量子级联激光的新型激光器应用于环境检测、医检领域，绿光到紫外光的垂直腔面发射器可用于超高密度、光存储、全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面。

2.3主要性能参数

对于各种激光器的常见性能参数括电压一电流特性、光功率一电流特性、阈值特性、光谱性质、光强分布、输出功率和转换效率、激光器的温升和热阻等。

2.5.1电压一电流特性

半导体激光器的V一I特性指在外加电流注入激光器时,随着注入电流的变化,激光器端电压的变化情况,其特性曲线与二极管电流电流电压方程类似

其中的m值,称之为结的特性参量或理想因子,是结特性的重要标志。

图1半导体激光器的伏安特性曲线

从上图可以看出,在第一象限随着输入激光器的电流的增加，电流变化较快时,电压变化很慢,激光器进入正常工作状态，其正常工作状态应处于第一象限内。

2.5.2光功率-电流特性

激光器总的发射功率（P）与注入电流（I）的关系曲线称为功率一电流（P-I）曲线。

图2半导体激光器的功率一电流特性

由图可以看出随着激光器注入电流的增加,其输出光功率增加,但是不成直线关系,存在一个阀值Ith,当注入电流大于Ith后,输出光功率随注入I增加而增加,且呈线性变化,此时发C出相干性很强的受激辐射光。

2.5.3阈值特性

当半导体器件的注入电流I增大,有源区里实现了粒子数反转,受激辐射占主导地位,才能发射激光。

阈值电流可以由单模速率方程的稳态解求得。

速率方程：

其中,N（t）表示有源区中的电子密度;S（t）表示有源区中的光子密度;曲线d2P/dI2的顶点作为阈值点。

图3半导体激光器典型特性曲线

激光器的阈值条件说明,只有谐振腔里的增益增大到能够克服损耗,才能建立起稳定的光振荡,输出谱线尖锐,方向性好的激光。

而增大增益的方法就是加大I输入,因此Ith决定着器件的功耗、连续工作时间和使用寿命。

Ith低,则功耗低,连续工作时间就长,使用寿命就长,稳定性也就高。

2.5.4光谱特性

光谱指的是不同成分的光所占的比例,光波成分在激光器的工作过程中不断发生变化,以电流阈值为界：

当电流由小变大时,激光器发光的光谱分布发生变化,在I没有达到Ith时,荧光光谱很宽,当I=Ith时以受激发射为主,因而谱线变得尖锐,出现一个或几个又窄又高的峰值。

2.5.5输出光强分布

激光器的光强分布主要指的是垂直于波的传播方向的截面上存在的稳定的光强分布。

输出激光的光强沿腔的横向有不同振动模式的各种可能的稳定分布。

2.5.6温度特性

半导体激光器是对温度很敏感的器件,不仅环境的变化会使激光器的阈值电流和输出光功率发生变化,注入电流的热效应也会发生类似的变化,称为激光器的结发热效应。

激光器的热方程为：

式中第一项表示结温升高所吸收的热功率,第二项表示结温升高后向周围环境散掉的热功率。

2.5.7瞬态性质

半导体激光器的电光转换效率高,响应速度快,可以直接用于调制,因此被视为光纤通信中理想的光源,但是对半导体激光器进行脉冲调制时,激光器往往呈现出比较复杂的动态性质，可以归纳为:

1）激光输出与注入的电脉冲之间存在延时,称为电光延迟时间（ns）；

2）当电脉冲注入激光器之后,输出光脉冲呈现出衰减式的振荡,称为张驰振荡（百MHz到2GHz）,这是激光器内部光电相互作用表现出来的固有特性；

3）某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡,叫自脉动现象,这种现象主要出现在P-I曲线中间有明显扭折变换的激器中。

3、能实现与半导体激光器相同功能的器件

3、1半导体发光二极管

半导体激光器与发光二极管的材料完全一样的，使用砷化镓（GaAs）同质结能都能实现激光振荡。

区别激光器只能在液氮冷却下工作，发出单脉冲振荡。

在后续发展中使用了异质结，使得激光器能在常温下工作。

且半导体发光二极管没有谐振腔，是无阈值器件，它的发光只限于自发辐射过程，其最大的特点是：

光谱较宽、线性好、温度特性好、耦合效率低。

而半导体激光器是受激辐射，可发出不同波长的光，寿命长输出功率效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高。

3、2光纤激光器

光纤激光器的主要优点是:

（1）转换效率高，激光阈值低。

光纤的几何形状具有很低的体积和表面积，再加上在单模状态下激光与泵浦可充分耦合。

（2）器件体积小，灵活。

（3）激光输出谱线多，单色性好，调谐范围宽。

并且其性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗小。

但是光纤激光器的缺点是：

输出效率低、输出光束质量难保证、增益光纤长、可输出激光波长范围小。

而半导体激光器的寿命长、体积小、效率高等优势，使得在实际应用中更为广阔。

3.3固、气、液体激光器

固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。

气体激光器如氦氖激光器的输出波长为准确的632.8nm，光束质量方面是各种激光器中的最好的；具有良好的功率稳定性。

液体激光器输出波长连续可调，且覆盖面宽。

综上所述，半导体激光器是在能带间进行跃迁,因此其谱线宽度比固体或气体激光器的光谱宽度要大,即单色性能要差一些，在十几纳米范围。

3与半导体有关的期刊文章

Researchonthekeytechnologyoftheemissionsystemforsemiconductorlaserrangefinder

YongjieCheng（Nat.KeyLab.ofHighPowerSemicond.Lasers,ChangchunUniv.ofSci.&Technol.,Changchun,China）;DeshengXin;JianjiaZhangSource:

2012InternationalConferenceonOptoelectronicsandMicroelectronics（ICOM）,p56-60,2012

Analysisandcharacterisationofexperimentalreal-timeseriesofasemiconductorlaserunderopticalinjection

Schires,K.（Sch.ofComput.Sci.&Electron.Eng.,Univ.ofEssex,Colchester,UnitedKingdom）;Hurtado,A.;Henning,I.D.;Adams,M.J.Source:

2011ConferenceonLasers&Electro-OpticsEurope&12thEuropeanQuantumElectronicsConferenceCLEOEUROPE/EQEC,p1pp.,2011

Semiconductorlaserintegratedwithathermoelectrophotoniclightemittingdiodeheatpump

Deppe,D.G.（Coll.ofOpt.&Photonics,Univ.ofCentralFlorida,Orlando,FL,UnitedStates）;Liu,X.;Zhao,G.;Zhang,Y.Source:

2012IEEEPhotonicsConference（IPC2012）,p852-3,2012

下面2012年发表于IEEEPhotonicsConference的《Semiconductorlaserintegratedwithathermoelectrophotoniclightemittingdiodeheatpump》（半导体激光器与热光电子（TEP）发光二极管热泵的集成）为例，简述半导体激光器的应用。

理论上，将半导体激光器与自发辐射二极管（LED）光泵集成在第一个单芯片中。

工作在偏压区的发光二极管会吸收热光电子，并激发光泵。

因热光电子（TEG）效应，辐射与内部制冷有关。

控制LED电压远小于或远大于光子能量时，LED产生TEG效应。

在偏置条件下，自发辐射的光子能量等同于半导体禁带能量，外界的能量和辐射光子的总能量差都被晶格热吸收，如GaAs发光二极管的材料就可以达到高于99％内部量子效率。

这种情况下，Snell定律的提出证实了LED净吸收成为可能。

主要问题是如何将半导体激光器集成在一个TEPLED中。

Snell定律克服了集成芯片的问题。

通过光泵能减少激光内的损失，LED光泵在理想操作中也可以当做一个加热泵。

光电芯片设计，LED管和量子井激光器是由半导体解理镜面组成，并吸收LED自发辐射的光子。

在理想实验中，LED自制冷效应是由于它的基本条件和高效率的内量子效应，决定于LED的厚度。

但LED理想内部工作温度比激光器的要低，这种情况将会引起晶体周围（包括激光器）的热量传导到LED。

例如设计中包括未掺杂1.5um厚的砷化镓发光区域是由p-n型Al0.1Ga0.9As注入区域。

GaAs的自发发射被耦合到量子阱激光器波导。

因此，示范时LED和激光器波导之间的光泵浦量子缺陷接近于零，而量子缺陷主要在GaAsLED和激光的量子阱之间。

在砷化镓波导中心是60um厚的单个In0.2Ga0.8As的量子阱，它可支持光激射，激光器的覆层是Al0.3Ga0.7As。

假定在77K时内量子效率达到100％，比较77K和室温下排放效率，砷化镓LED区域的内部量子效率在室温下估计为98％。

这种高内部量子效率与表面自由GaAs体材料等的测量一致。

3、实验结果

图2中光-电流曲线。

该芯片通过探针台测试但不散热。

激光结果在准连续波测量操作。

电致发光在两个不同电平偏置下的发射光谱如图3。

常温下测量的In0.2Ga0.8As量子阱的激射阈值测得为2A，这个量子阱是由LED120μm宽的电接触和0.5cm长腔。

2A激射阈值相当于333A/cm2的电流密度，这是对类似的波导、量子阱和反应面积的电注入p-n二极管激光器阈值大于2A的唯一因素。

模拟表明，由n-型掺杂，并使用有微细量子缺陷LED和激光波导，集成LED泵的阈值电压其实可以更低，因为光泵浦激光器可以实现更低的内部光损耗。

这是因为p-n二极管激光熔覆层消除空穴，另外波导厚度是由于需要对空穴注入增加驱动电压而增加。

因此，高亮度半导体激光器可能会为拥有优化LED泵的集成芯片。