半导体光电子学课程报告.

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1、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。

2、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)

3、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

4、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

5、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

6、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,

7、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

8、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