南京邮电大学光电子作业及答案(第二章)优质PPT.pptx

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对于普通面发射对于普通面发射LED，由于在水平和垂直方向都没有限制，由于在水平和垂直方向都没有限制，因此其水平和垂直方向的散射角都为因此其水平和垂直方向的散射角都为120；

而对于边发射而对于边发射LED，虽然平行于结平面方向没有限制，水，虽然平行于结平面方向没有限制，水平散射角虽仍是平散射角虽仍是120；

但在垂直于结平面方向对光有限制，其；

但在垂直于结平面方向对光有限制，其垂直散射角是垂直散射角是30，因此边辐射，因此边辐射LED与光纤之间的耦合效率更与光纤之间的耦合效率更高。

高。

P-N+型同质结构成的型同质结构成的LED，参数如下。

计算其注入效率。

，参数如下。

【习题2.1】【解】少子浓度为扩散长度为：

扩散长度为：

注入效率为：

【习题习题2.2】一个一个LED，正常工作情况下其有源区载流子的辐射复合寿，正常工作情况下其有源区载流子的辐射复合寿命为命为2ns，非辐射复合寿命为，非辐射复合寿命为5ns，求此，求此LED的的3dB截止带宽。

截止带宽。

【解】【习题习题2.3】P-N+型同质结构成的型同质结构成的LED，参数与习题，参数与习题2.1相同，其相同，其产生光功率为产生光功率为1mW，器件横截面积为，器件横截面积为1mm2，辐射效率为，辐射效率为20%。

求正向偏置电压。

（工作温度（工作温度300K）

【解】【习题习题2.4】在在GaAs-LED外加圆形电介质罩，光束由外加圆形电介质罩，光束由LED向电介向电介质罩出射时，在界面的反射率为质罩出射时，在界面的反射率为10%，计算此电介质罩材料的折射，计算此电介质罩材料的折射率。

率。

电介质罩材料的折射率电介质罩材料的折射率n从半导体材料到电介质罩从半导体材料到电介质罩的反射率的反射率R为为【解】【习题习题2.5】GaAs材料制作的材料制作的P-N+同质结同质结LED，器件参数如下。

请计算：

，器件参数如下。

（1）总量子效率；

）总量子效率；

（2）单位时间内产生的光子数；

）单位时间内产生的光子数；

（3）注入电流。

）注入电流。

（2）单位时间内产生的光子数）单位时间内产生的光子数（3）注入电流）注入电流或或【解】【习题习题2.6】GaAs材料的材料的LED，输出功率为，输出功率为5mW，横截面积，横截面积100um2，器件出光效率为，器件出光效率为0.2，载流子的辐射复合寿命为，载流子的辐射复合寿命为5ns。

器。

器件的非辐射复合忽略不计，注入效率为件的非辐射复合忽略不计，注入效率为1。

计算有源层厚度是多少。

（题目中取（题目中取n=1018cm-3）

【解】2.3节思考题节思考题:

1.激光器的基本结构由哪几部分组成？

激光器的基本结构由哪几部分组成？

半导体激光器有什么突出特点？

激光器的基本组成部分激光器的基本组成部分:

uu增益介质增益介质增益介质增益介质uu谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔uu泵浦源泵浦源泵浦源泵浦源u结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性；

u半导体激光器的驱动电源也较简单，需要的电流、电压均很小，半导体激光器的驱动电源也较简单，需要的电流、电压均很小，因此工作较方便和安全因此工作较方便和安全。

优点：

2.什么是半导体激光器的阈值条件什么是半导体激光器的阈值条件?

阈值条件：

光子在谐振腔内往返一次，不产生损耗而能维持稳定的振光子在谐振腔内往返一次，不产生损耗而能维持稳定的振荡或形成稳定的驻波。

荡或形成稳定的驻波。

3.光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。

光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。

阈值振幅条件阈值振幅条件相位条件相位条件4.阈值增益的计算，如何降低激光器的阈值增益？

阈值增益的计算，如何降低激光器的阈值增益？

阈值增益阈值增益：

尽量减少光子在尽量减少光子在介质内部损耗介质内部损耗、适当增加增益介适当增加增益介质的长度质的长度和对和对非输出面镀以高反射膜非输出面镀以高反射膜。

降低降低LD的阈值增益的阈值增益：

5.激光器的纵模间隔是多少？

激光器的纵模间隔是多少？

纵模波长间隔纵模波长间隔纵模频率间隔纵模频率间隔忽略色散：

忽略色散：

（2.4节节）1为为什什么么同同质质结结激激光光器器不不能能在在室室温温下下连连续续工工作作？

为为什什么其光场分布相对于结平面不对称分布？

么其光场分布相对于结平面不对称分布？

（1）同质结同质结LD有源区的厚度主要由有源区的厚度主要由p区电子的扩散长度所决区电子的扩散长度所决定；

而它是随温度的增加而增加的，室温时的定；

而它是随温度的增加而增加的，室温时的Ln可达可达5微米。

微米。

在如此厚的有源区内实现粒子数反转，需要大的注入载流子在如此厚的有源区内实现粒子数反转，需要大的注入载流子浓度；

浓度；

在一个在一个Ln范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展；

所以所以，同质结，同质结LD阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变化。

阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变化。

同质结室温下的阈值电流密度高达同质结室温下的阈值电流密度高达104A/cm2量级，只能在液量级，只能在液氮温度下才能连续工作；

氮温度下才能连续工作；

（2）结附近存在一个很小的折射率台阶，引起一个很弱的光结附近存在一个很小的折射率台阶，引起一个很弱的光波导效应，但由于电子有比空穴高的迁移率因而有大的扩散波导效应，但由于电子有比空穴高的迁移率因而有大的扩散长度，所以同质结半导体激光器的有源区偏向长度，所以同质结半导体激光器的有源区偏向p区一侧。

区一侧。

作业作业:

教材教材138页第页第1-3题题答：

答：

（1）由于有源层侧向尺寸减少，光场分布对称性增加；

）由于有源层侧向尺寸减少，光场分布对称性增加；

（2）因为在侧向对电子和光场也有限制，有利于减少激光器的）因为在侧向对电子和光场也有限制，有利于减少激光器的阈值电流和工作电流；

阈值电流和工作电流；

（3）由于有源层被埋在导热性能良好的无源晶体中，减少了激）由于有源层被埋在导热性能良好的无源晶体中，减少了激光器的热阻，有利于提高激光器的热稳定性。

光器的热阻，有利于提高激光器的热稳定性。

（4）由于有源区面积小，有源层缺陷少。

同时，除解理面外，）由于有源区面积小，有源层缺陷少。

同时，除解理面外，有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性与可靠性。

有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性与可靠性。

（5）由于有源层侧向尺寸减少，有利于改善侧向模式。

）由于有源层侧向尺寸减少，有利于改善侧向模式。

（2.5节）节）2条形半导体激光器有哪些优点？

为什么？

条形半导体激光器有哪些优点？

（2.5节节）3在在条条形形半半导导体体激激光光器器中中测测向向电电流流扩扩展展和和侧侧向向载载流流子子扩散在物理概念上有何不同？

如何减少这两种影响？

扩散在物理概念上有何不同？

答答：

电电流流与与载载流流子子的的侧侧向向扩扩展展都都是是载载流流子子运运动动的的结结果果，但但前前者者是是pn结结间间多多数数载载流流子子在在电电场场作作用用下下侧侧向向的的漂漂移移运运动动，而而后后者者是是注注入入的的非非平平衡衡少少数数载载流流子子由由中中心心向向两两侧侧所所形形成成的的浓浓度度梯梯度度使使其其产产生生侧向扩散。

侧向扩散。

为为减减少少侧侧向向电电流流扩扩展展，必必须须形形成成良良好好的的电电流流通通道道。

可可用用质质子子轰轰击击或或氧氧注注入入的的方方法法在在所所需需的的电电流流通通道道区区两两侧侧形形成成高高阻阻区区；

也也可可用用深深锌锌扩扩散散的的方方法法使使所所需需的的电电流流通通道道区区相相对对于于两两侧侧形形成成低低阻阻区区，更更有效的方法是有效的方法是采用采用反向反向pn结阻止电流的扩展。

结阻止电流的扩展。

为防止载流子的侧向扩散，可采取以下措施：

（1）限制注入电流的侧向扩展；

）限制注入电流的侧向扩展；

（2）在有源区两侧侧用）在有源区两侧侧用pn同质结势垒限制载流；

同质结势垒限制载流；

（3）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。

）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。

（2.4节节）1、描描述述单单异异质质结结半半导导体体激激光光器器的的结结构构。

解解释释说说明明其其相对于同质结的优越性。

并说明其缺点。

相对于同质结的优越性。

单单异异质质结结半半导导体体激激光光器器由由一一个个同同质质结结和和一一个个异异质质结结构构成成，有有源源层（层（p-GaAs）被）被夹夹在（在（n-GaAs）和）和宽带隙宽带隙材料（材料（P-GaAlAs）之间）之间。

从从n-GaAs注注入入p-GaAs的的电电子子就就会会受受到到p-GaAs/P-GaAlAs异异质质结结势势垒垒的的限限制制，在在同同样样的的注注入入速速率率下下，这这将将使使有有源源层层积积累累的的非非平平衡衡少少数数载载流流子子浓浓度度增增加加；

同同时时异异质质结结两两边边材材料料的的折折射射率率差差所所形形成成的的光光波波导导效效应应，限限制制了了有有源源区区中中所所激激发发的的光光子子从从横横向向逸逸出出该该异异质质结结而而损损失失掉掉；

单单异异质质结已使激光器的阈值电流密度比同质结激光器低一个数量级。

结已使激光器的阈值电流密度比同质结激光器低一个数量级。

pn同同质质结结对对注注入入有有源源层层的的空空穴穴向向n区区扩扩散散没没有有限限制制，同同时时对对光光子子也也只只有有很很弱弱的的光光波波导导效效应应。

因因此此，为为了了达达到到粒粒子子数数反反转转所所需需的的载载流流子子浓度，仍需在浓度，仍需在n区重掺杂（区重掺杂（341018/cm3）作业作业:

补充补充1-3题题（2.4节节）2、描描述述双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器的的结结构构。

并并简简要要说说明明其其优点。

优点。

双异质结半导体激光器的结构双异质结半导体激光器的结构：

有源层有源层p-GaAs被夹在宽带隙材料被夹在宽带隙材料P-GaAlAs和和N-GaAlAs之间。

之间。

优点优点：

由于利用双异质结对载流子和光子的限制作用加强，阈值电流密由于利用双异质结对载流子和光子的限制作用加强，阈值电流密度度比单异质结结构下降了近一个数量级；

比单异质结结构下降了近一个数量级；

双异质结结构上的对称性，带来了折射率和光强分布的双异质结结构上的对称性，带来了折射率和光强分布的对称性。

对称性。

（2.4节）节）3、目前对异质结半导体、目前对异质结半导体LD的研究主要集中在哪些方面？

的研究主要集中在哪些方面？

（1）提提高高激激光光器器工工作作寿寿命命，研研究究