1、第十一章 半导体光电子器件原子核电子高能级低能级孤立原子的能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级半导体的能带 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。N个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带满带：满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空带：空带
2、：所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴半导体的能带结构半导体的能带结构在图中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。直接带隙与间接带隙E Ef f：FermiFermi能级。它与物质特性有关，它并不能级。它与物质特性
3、有关，它并不是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所用的假想能级。用的假想能级。11 expfEEf EkT费米能级A.电子占据能量为E的状态的几率对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，电子能量大小服从电子能量大小服从Fermi-DiracFermi-Dirac统计分布规律。统计分布规律。费米分布函数变化曲线 fEEfEE 12f E 12f E B.B.热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的热平衡状态下的系统
4、导带和价带具有统一的FermiFermi能级。能级。C.C.准热平衡状态准热平衡状态 在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的FermiFermi能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，可以用各自的可以用各自的FermiFermi能级来描述导带和价带的载流子能级来描述导带和价带的载流子分布，亦称准分布，亦称准FermiFermi能级。能级。：导带中的：导带中的FermiFermi能级。能级。导带中能级被电子占据的几率。导带中
5、能级被电子占据的几率。：价带中的：价带中的FermiFermi能级。能级。导带中能级被电子占据的几率。导带中能级被电子占据的几率。12201expcfcEEfEk T11101 expvfvEEfEk TcfEvfE 本征半导体 N型半导体 P型半导体 半导体的能带和电子分布Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能费米能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能
6、级，被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf 一般状态下，本征半导体本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体，见图(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体型半导体，见图(c)。Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。导带 EC价带 E
7、V电子跃迁带隙 Eg=1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef)2exp(TkEnpnBgi4/32/32)()/2(2heBmmhTk电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数T为绝对温度kB 为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量Eg 带隙能量本征载流子浓度例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m=9.1110-31 kg，me=0.068m=6.1910-32 kg mh=0.56m=5.110-31 kg Eg=1.42 eV 可根据上式得到本征载
8、流子浓度为 2.621012 m-3非本征半导体材料：非本征半导体材料：n型型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.040.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+导带 EC价带 EV施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 N型材料，施主能级型材料，施主能级第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主
9、能级位于离导带很近的禁带。Ef非本征半导体材料：非本征半导体材料：p型型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场(c)正向偏压下P-N结能带图 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一
10、个特殊的增益区增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布粒子数反转分布，见图4.5(c)。外加电场 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光Pnjgq.swf电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv光电效应 半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，又称光
11、生载流子。当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。gcgcEhchEf存在的问题：增益区太厚(110 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度1.无法对产生的光进行有效约束同质pn结：两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：-同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能-pn结区的完全由载流子的扩散形成pn同质pn结折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空穴复合注入空穴空穴势垒波导区异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续的带隙结构2.折射率不
12、连续分布+典型的典型的GaAlAs双异质结双异质结不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束自发辐射 发射光子的频率 自发辐射的特点如下：这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。hEEf12受激吸收 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。受激辐射
13、 处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。外来光子的能量等于跃迁的能级之差。受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。这个过程可以使光得到放大。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。物体成为发光体需要光辐射 光吸收激光器的工作原理 激光器
14、是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。粒子数反转分布与光放大之间的关系 在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的电子
15、数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布)exp(1212kTEENN式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒
16、子(电子)数反转分布。2.粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。激光器的基本组成 激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的泵浦源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。光学谐振腔1.将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)2.光的产生及方向选择 1)少数载流子的自发辐射产生光子 2)偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3)轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3.通过来回反射，特定波长
17、的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗(F-P)谐振腔100%90%受激发射和受激吸收受激发射和受激吸收 受激发射受激发射-能量等于导带和价带能级差的能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；光所激发而发出与之同频率、同相位的光；受激吸收受激吸收-当晶体中有光场存在时，处在当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。上。在这个过程中能量保持守恒。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。当有
18、入射光场存在时，受激吸收过程与受激发当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。电子密度在两个能带上的分布。若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中高能带跃迁到低能
19、带发出光子，形成激光器中初始的光场。初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。同。LD发射激光的发射激光的首要条件首要条件-粒子数反转粒子数反转若若注注入入电电流流增增加加到到一一定定值值后后，使使vcNN，受受激激发发射射占占主主导导地地位位，光光场场迅迅速速增增强强，此此时时的的 P-N 结结区区成成为为对对光光场场有有放放大大作作用用的的区区域域(称称为为有有源源区区)，从从而而形形成成激激光光发发射射。半半导导体体材材料料在在通通常常状状态态下下，总总是
20、是vcNN，因因此此称称vcNN 的的状状态态为为粒粒子子数数反反转转。使使有有源源区区产产生生足足够够多多的的粒粒子子数数反反转转，这这是是使使半半导导体体激激光光器器发发射射激激光光的的首首要要条条件件。LR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab另一个条件是半导体激光器另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振在谐振腔里建立起稳定的振荡。荡。有源区里实现了粒子数反转有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带
21、的自发场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。乱无章。为了得到单色性和方向性好为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学的激光输出，必须构成光学谐振腔。谐振腔。LD 发射激光的发射激光的第二个条件第二个条件-光学谐振腔光学谐振腔法布里法布里-珀罗（珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器）光学谐振器 镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈
22、。当谐振它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的就是激光器的阈值增益阈值增益，达到该增益所要求的注，达到该增益所要求的注入电流称作入电流称作阈值电流阈值电流。LR1R2反反射射波波相相互互干干涉涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定
23、的相位条件和阈值条件。起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。相位条件相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；生相干；阈值条件阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。损耗相抵消。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。干光束。基基本本的的谐谐振振腔腔由由置置于于自自由由空空间间的的两两块块平平行行的的镜镜面面1M和和2
24、M组组成成。光光波波在在1M和和2M间间反反射射，导导致致这这些些波波在在空空腔腔内内相相长长和和相相消消干干涉涉。从从1M反反射射的的光光向向右右传传输输时时和和从从2M反反射射的的向向左左传传输输的的光光干干涉涉，在在空空腔腔内内产产生生了了一一列列稳稳定定不不变变的的电电磁磁波波，我我们们称称它它为为驻驻波波。光在法布里光在法布里 珀罗珀罗(F-P)谐振腔中的干涉谐振腔中的干涉驻波驻波(b)只有特定波长的驻波(b)只有特定波长的驻波 允许在谐振腔内存在 允许在谐振腔内存在1 m2 m6 m(c)不同反射系数的(c)不同反射系数的驻波强度和频率的关系驻波强度和频率的关系1相相对对强强度度m
25、vfvv1 mv1 mv8.0 R4.0 Rmv 反射系数反射系数ILR1R2(a)反射波干涉(a)反射波干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab激光器起振的相位条件激光器起振的相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉多纵模多纵模(多频多频)激光器激光器-谐振腔长度谐振腔长度 L 比波长大很多比波长大很多设激光器谐振腔长度为设激光器谐振腔长度为 L，增益介质折射率为增益介质折射率为 n，典型值为典型值为n=3.5，引起引起 30%界面反射界面反射,由于增益介质内半波长由于增益介质内半波长2n的整数的整数倍倍m等于全长等于全长 L，从而有从而有2nmL(
26、4.2.5)利用利用cf，代入式代入式(4.2.5)可以得到可以得到nLmcffm2(4.2.6)式中式中 和和 f 分别是光的波长和频率分别是光的波长和频率，c 为自由空间光速。当为自由空间光速。当 =1.55m mm，n 35.，而而 L=300 m mm 时，时，1354m，即腔内有即腔内有 1354个纵个纵模。模。发射发射主模主模纵模纵模增益增益频率频率gthg()损耗损耗增益增益()激光器起振的阈值条件激光器起振的阈值条件受激发射使受激发射使腔体得到的腔体得到的增益增益=腔体腔体损耗损耗F-P光腔谐振器光腔谐振器光光hv光光hv反射面反射面反射面反射面R2R1xEiEfPfPiL稳态
27、光波稳态光波12n介质介质起始起始反馈反馈fm-1fmfm+1fm+2c2LnFSR=设平面波的幅度为设平面波的幅度为0E，频率为，频率为，在图在图 4.2.7 中，设单位长度增益介质的平均损中，设单位长度增益介质的平均损耗为耗为-1intcm，两块反射镜的反射率为两块反射镜的反射率为R1和和 R2。光 从光 从 Z=0 处 出 发处 出 发，在在 Z=L 处 被 反 射 回处 被 反 射 回0Z处处，这 时 光 强 衰 减 了这 时 光 强 衰 减 了LRR2expint21。另一方面另一方面，单位长度上光受激发射放大所得到的增益系数为单位长度上光受激发射放大所得到的增益系数为g，则光往返一
28、次其则光往返一次其光强放大了光强放大了 Lg 2exp 倍倍。维持振荡时光波在腔内一个来回的光功率应保持不变，即维持振荡时光波在腔内一个来回的光功率应保持不变，即 ifPP，这里，这里 iP和和fP分别是起始功率和循环一周后的反馈功率。分别是起始功率和循环一周后的反馈功率。衰减倍数与衰减倍数与放大倍数放大倍数必须相等必须相等衰衰减减倍倍数数与与放放大大倍倍数数应应相相等等，于于是是可可得得到到12exp2expint21gLLRR(4.2.8)由由此此式式可可 求求得得使使 fP/iP=1 的的增增益益，即即阈阈值值 增增益益thg，该该增增益益应应该该等等于于腔腔体体的的总总损损耗耗21in
29、tmirintcavth1ln21RRLg(4.2.9)式式中中int表表示示增增益益介介质质单单位位长长度度的的吸吸收收损损耗耗发射发射主模主模纵模纵模增益增益频率频率gthg()损耗损耗增益增益()半导体激光器的增益频谱半导体激光器的增益频谱 g()相当宽（约相当宽（约10 THz），在），在 F-P 谐振腔内同谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、
30、二个模与主模一起携带着激实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。光器的大部分功率。这种激光器就称作这种激光器就称作多模半导体激光器多模半导体激光器。激光器增益谱和损耗曲线激光器增益谱和损耗曲线阈值增益为两曲线相交时的增益值阈值增益为两曲线相交时的增益值发发射射主主模模纵纵模模增增益益频频率率gthg()损损耗耗增增益益()频频率率增增益益g 0法法布布里里-珀珀罗罗LD 通通常常发发射射多多个个纵纵模模的的光光由由图图可可见见，只只有有当当泵泵浦浦电电流流达达到到阈阈值值时时，高高、低低能能带带上上的的电电子子密密度度差差)(vcNN 才才达达到到阈阈
31、值值thvc)(NN，此此时时就就产产生生稳稳定定的的连连续续输输出出相相干干光光。当当泵泵浦浦超超过过阈阈值值时时，)(vcNN 仍仍然然维维持持thvc)(NN，因因为为thg必必须须保保持持不不变变，所所以以多多余余的的泵泵浦浦能能量量转转变变成成受受激激发发射射，使使输输出出功功率率增增加加。激光器激光器起振阈起振阈值条件值条件的简化的简化描述描述NcNv_NcNv_()thNcNv_PoP阈值阈值粒子数粒子数翻转翻转光光输输出出功功率率阈值电流阈值电流光输出光输出功率功率高、低高、低能带上能带上的电子的电子密度差密度差泵浦电流泵浦电流 I例题例题 激光器光腔越长，模式越多激光器光腔越
32、长，模式越多对于给定的峰值波长，模式间距随对于给定的峰值波长，模式间距随 L的减小而增加。的减小而增加。当当 L=200m mm 时时m1047.510m 或者或者 0.547nm在该带宽内的模数是在该带宽内的模数是mDD/21=(6nm)/(0.547nm)=10。当腔长减小到当腔长减小到 L=20m mm 时，模式间距增加到时，模式间距增加到nm47.522nLm此时该带宽内的模数是此时该带宽内的模数是mDD/21=(6nm)/(5.47nm)=1.1，对于峰值波长约对于峰值波长约 900nm，只有一个模式。，只有一个模式。很显然，减小腔长，可以抑制高阶模很显然，减小腔长，可以抑制高阶模。
33、小小 结结-光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件 在半导体激光器里，由两个起反射镜作用在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里的晶体解理面构成的法布里 珀罗谐振腔，珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（体损耗时（阈值条件阈值条件），并且谐振腔内的），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（前向和后向光波发生相干时（相干条件相干条件），），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透
34、谐振腔的两个端面，输的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。出谱线很窄的相干光束。LD的的工工作作原原理理有源区有源区电流注入电流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半导体激光器(a)半导体激光器 L1 2 34R1 1增益介质增益介质R2 2光的驻波光的驻波折射率折射率反反射射镜镜反反射射镜镜(b)纵模驻波(b)纵模驻波 2nnPNm m-m+(c)纵模共振光谱(c)纵模共振光谱增益差增益差11光光增增益益 o(a)腔内允许产生的模式腔内允许产生的模式 m m()/2=L(b)mn 相相对对光光强强 m(a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱(c)半导体激
35、光器的输出光谱光增益与波长的关系光增益与波长的关系 m m解理面解理面=0Z=xZ 同质结构只有一个简单同质结构只有一个简单P-N结，且结，且 P 区和区和 N 区都是同一区都是同一物质的半导体激光器。物质的半导体激光器。该激光器阈值电流密度太大，该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工在低温环境、脉冲状态下工作。作。为了提高激光器的功率和效为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质值电流，人们研究出了异质结的半导体激光器。结的半导体激光器。同同 质质 结结 构构 LDL电极电流Ga
36、AsGaAsn+p+解理面电极有源区(受激法射)LdPNN+P+PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs有有源源区区5%Dn折折射射率率-+m0.1 m异质结异质结半导体半导体激光器激光器为了提高为了提高 LD 的功率和效率，降低同质结的功率和效率，降低同质结 LD 的阈值电流，人们研究出的阈值电流，人们研究出了异质结了异质结 LD所谓所谓“异质结异质结”，就是由两种不同材料（例如，就是由两种不同材料（例如 GaAs 和和 GaAlAs）构）构成的成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包
37、围。射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。为进一步降低阈值电流，提高发光效率，提高与光纤的耦合效率，常常为进一步降低阈值电流，提高发光效率，提高与光纤的耦合效率，常常使有源区尺寸尽量减小，通常使有源区尺寸尽量减小，通常w=10 m mm，d=0.2m mm,L=100 400 m mm 同质结、双异质结同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较能级图及光子密度分布的比
38、较双双异异质质结结光光子子密密度度能能量量GaAsGaAs激激光光PNhv(0.11)%折折射射率率同同质质结结光光子子密密度度Eg(a a)(b b)dPNN+P+PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs导导带带价价带带Eg有有源源区区EgEc cEv v=1 1.4 4Ec cEv veV=eV2Ec cD D5%D Dn折折射射率率-+m m 0.1 m有有源源区区eV2eV2电电子子空空穴穴分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB)DFB激光器是单纵模激光器是单纵模(SLM)LD，即频谱特性只有一个纵，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的模（谱线）的 LD。SLM LD与法布里与法布
39、里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。件的光波才能建立起振荡。由这种激光器的增益和损耗曲线图可见，增益曲线首先由这种激光器的增益和损耗曲线图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其
40、损耗较大，不能达到阈值，成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。因而也不会从自发辐射中建立起振荡。SLM LD与法布里与法布里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗单纵模单纵模 DFB 半导体激光器半导体激光器增益和损耗曲线增益和损耗曲线发射发射主模主模纵模纵模频率频率gth 增益增益g()损耗损耗 B增益增益DFBDFB普通LD普通LDDFB LD的分类 分布反馈激光器分布反馈激光器DFB:Distributed Feed Back 分布布拉格反射激
41、光器分布布拉格反射激光器DBR:Distributed Bragg Reflector DFB LD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。长条件的光波才能建立起振荡。DFB LD结构及其原理结构及其原理PN光光栅栅波波导导区区有有源源区区 光光输输出出 B(nm)0.1nm光光功功率率LPN有有源源区区激激话话区区波波
42、纹纹电电介介质质光光栅栅分分布布式式布布拉拉格格反反射射器器光光输输出出入入射射光光反反射射光光AB mnB 2（a a）D DB BR R激激光光器器的的结结构构(b b)部部分分反反射射波波A A和和B B具具有有路路程程差差 2 2 时时才才发发生生相相长长干干涉涉 DBR LD 结构及其原理结构及其原理DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。格反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光
43、栅间距倍光栅间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波分反射波 A 和和 B 具有路程差具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。时，它们才发生相长干涉。可调谐DBR激光器二段式三段式Bragg Section:大范围调节Phase Section:精细调节调谐范围：10nm取样光栅可调谐DBR激光器工作原理：结构：调谐范围：100nm 外腔DBR激光器：线宽几十KHz 光纤式外腔激光器：线宽50KHz垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器 垂直腔表面发射激光器（垂直腔表面发射激光器（VCSEL,Vertical Cavity Sur
44、face Emitting Laser）顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。相同。VCSEL 激光器示意图激光器示意图有源区有源区电极电极电极电极电介电介质镜质镜衬底衬底电介电介质镜质镜+表面发射表面发射/(4/(4n1)L/(4/(4n2)ddn1n212z=0.1m mmInGaAsAlGaAsGaAs量子阱器件很薄的量子阱器件很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中，半导
45、体材料中，所以它是一种异质结器件。在这种激光器中，有源层的厚度所以它是一种异质结器件。在这种激光器中，有源层的厚度 d 很薄，很薄，导带中的禁带势能把电子封闭在导带中的禁带势能把电子封闭在 x 方向上的一维势能阱内，但是在方向上的一维势能阱内，但是在 y 和和 z 方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导体激光器有源层厚度仅是体激光器有源层厚度仅是10nm，约为异质结器件的，约为异质结器件的1
46、/10，所以注入电，所以注入电流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。量子阱量子阱(QW)LDAlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcD DEvD Dg()Ed量量子子阱阱状状态态密密度度xyz普普通通LD(a)QW 结结构构原原理理图图很很薄薄的的 GaAs 有有源源层层夹夹在在两两层层很很宽宽的的 AlGaAs 半半导导体体材材料料中中(b)导导带带中中的的电电子子在在 GaAl 层层中中的的 x 方方向向被被D DEc限限制制在在很很小小的的范范围围 d 内内，因因此此它它们们的的能能量量被被量
47、量化化了了(c)两两维维 QW 器器件件的的状状态态密密度度状状态态密密度度在在每每个个量量子子能能级级上上是是恒恒定定的的量子阱量子阱 LD 示意图示意图能量能量状态状态密度密度能量能量状态状态密度密度量子阱量子阱xzy势垒层势垒层E3E2E1InPInGaAs量子阱量子阱InGaAsP有源层有源层EcEvE隔离层隔离层(a)普通普通 LD(b)量子阱量子阱 LD(c)多量子阱多量子阱 LD 示意图示意图(d)多量子阱多量子阱 LD 能级图能级图自发辐射自发辐射-LED工作原理工作原理 当电子返回低能级时，它们各自独立地分当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光
48、波别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。这些光波的波长并不完全一样。因此，自发辐射的光是一种非相干光。因此，自发辐射的光是一种非相干光。面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高P(q)=P0cosq载流子注入25 mm5 mm边发光二极
49、管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入5070 mm100150 mm30120面发光二极管与光纤的透镜耦合 光 纤 球 端P 电 极50 mm0.7 mm2 mm20 mm(a)(b)截 头 透 镜(c)InP(集 成 微 透 镜)N-InP衬 底半导体光放大器半导体光放大器 对 于 半 导 体 光 放 大 器对 于 半 导 体 光 放 大 器(S O A,Semiconductor Optical Amplifiers)的的研究，早在研究，早在1962年发明半导体激光器不年发明半导体激光器不久就已开始了。久就已开始了。然而，只有在上世纪然而，
50、只有在上世纪80年代，在认识到年代，在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和进行了广泛的研究和开发。开发。半导体光放大器的机理半导体光放大器的机理 半导体光放大器的机理与激光器的相同，半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关
