TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 半導(dǎo)體激光器的簡(jiǎn)介 2\o"CurrentDocument"二、 半導(dǎo)體激光器的原理 2\o"CurrentDocument"三、 基本結(jié)構(gòu)和特征 3\o"CurrentDocument"四、 外文資料綜述 4\o"CurrentDocument"五、 參考文獻(xiàn) 5半導(dǎo)體激光器一、 半導(dǎo)體激光器的簡(jiǎn)介半導(dǎo)體激光器（LD）是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器。其工作物質(zhì)是采用直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)形器件，受激輻射是由電子一空穴復(fù)合而產(chǎn)生的。半導(dǎo)體激光器的發(fā)明推動(dòng)了光電子技術(shù)蓬勃發(fā)展，特別是光纖通信事業(yè)的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器得到驚人的發(fā)展，是由于它具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)：一，體積小，重量輕，激活面積約0.5mmx0.5mm。二，效率高。能量轉(zhuǎn)換效率大于30%，外微分量子效率大于50%，內(nèi)量子效率接近100%。三，輻射波長(zhǎng)范圍大。波長(zhǎng)在0.325~34rm之間。從藍(lán)綠光、紅光到紅外。四，使用壽命長(zhǎng)，在百萬(wàn)小時(shí)以上，即使在60C環(huán)境溫度下，其壽命達(dá)20萬(wàn)小時(shí)以上。半導(dǎo)體激光器自誕生以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光打印、激光焊接、激光醫(yī)學(xué)、泵浦固體激光器、軍事、科研及光信息處理等方面。二、 半導(dǎo)體激光器的原理半導(dǎo)體激光器的基本原理是基于光子和半導(dǎo)體中的載流子的相互作用。就基本原理而論，半導(dǎo)體激光器與其他類型的激光器沒(méi)有根本區(qū)別，都是基于受激輻射光放大，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件和滿足閾值條件。在具有能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體有源介質(zhì)中，如果沿用氣體、固體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件是令人費(fèi)解的。因?yàn)閮r(jià)帶空穴的有效質(zhì)量比導(dǎo)帶電子的高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而價(jià)帶電子態(tài)密度也要比導(dǎo)帶高的多。若要在半導(dǎo)體有源介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要導(dǎo)帶和價(jià)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差大于或等于禁帶寬度。為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與閾值條件，使激光器產(chǎn)生相干輸出，除了需要直接帶隙半導(dǎo)體有源介質(zhì)外，光子反饋諧振是實(shí)現(xiàn)上述條件的保證，這也是半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管的區(qū)別。從激光原理可知，激光器的工作原理是必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和閾值條件。這些條件是依靠激光器的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵(lì)源三部分。半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)的基本結(jié)構(gòu)單元是PN結(jié)。輻射復(fù)合產(chǎn)生的光場(chǎng)也會(huì)向有源區(qū)兩邊滲透，為使閾值電流密度降低和有效的工作，必須將注入有源區(qū)的載流子限制在更小的區(qū)域內(nèi)，以提高注入載流子濃度，并將光子限制在有源區(qū)內(nèi)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的的有效途徑是采用異質(zhì)結(jié)，利用異質(zhì)結(jié)兩邊帶隙差將載流子限制在有源區(qū)內(nèi)，又利用其折射率差形成光波導(dǎo)將光子也限制在有源區(qū)內(nèi)。半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)只有幾種，如雙異質(zhì)結(jié)、條形、量子阱和分布反饋等，某些性能優(yōu)良的激光器是這些基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合。三、基本結(jié)構(gòu)和特征單異質(zhì)結(jié)激光器是在1969年研制成功的，它是用液相外延法，在N-GaAa襯底外延生長(zhǎng)一層P-GaAa，再在GaAaPN結(jié)P-GaAa一側(cè)外延生長(zhǎng)一層P-GaAlAa半導(dǎo)體的三層結(jié)構(gòu)。單異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)點(diǎn)是閾值電流密度低、效率高。室溫下單異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度七與有源區(qū)寬度d有關(guān)，有源區(qū)寬度存在一個(gè)最佳值，當(dāng)d-2rm時(shí)、最低，對(duì)單異質(zhì)結(jié)激光器有源區(qū)寬度d的取值范圍為2-2.5rm。實(shí)驗(yàn)表明單異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度七與腔的損耗、腔長(zhǎng)、腔鏡反射率及工作條件等因素有關(guān)。而雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)為四層，即N-GaAa襯底和三層外延生長(zhǎng)層。雙異質(zhì)結(jié)的工作原理是在正向偏壓情況下，電子和空穴分別從寬帶隙的N區(qū)和P區(qū)注入有源區(qū)，注入的電子和空穴的擴(kuò)散分別受到PP異質(zhì)結(jié)和NN異質(zhì)結(jié)的限制，從而在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平衡載流子濃度，同時(shí)窄帶隙層的折射率較大，寬帶隙層的折射率較小，窄帶隙有源層構(gòu)成一個(gè)限制光子在有源區(qū)內(nèi)的介質(zhì)光波導(dǎo)。與同質(zhì)結(jié)器件相比，由于雙異質(zhì)結(jié)比較容易獲得很高的非平衡載流子濃度，因此有源區(qū)及限制層都不一定需要重?fù)诫s。單量子阱激光器的結(jié)構(gòu)基本上就是把普通雙異質(zhì)結(jié)激光器的有源層厚度做成數(shù)十納米的激光器。典型結(jié)構(gòu)參數(shù)：腔長(zhǎng)為120rm，有源區(qū)厚度為20〃m，閾值電流為0.55mA。而量子阱激光器具有的優(yōu)點(diǎn)有：通過(guò)改變量子阱厚度可以在很寬的光譜范圍改變激光器激射波長(zhǎng)。注入載流子利用率高，有利于產(chǎn)生更大的輸出功率，適合于制作大功率激光器陣列。價(jià)帶的輕、重空穴帶量子化能級(jí)分離，因此具有TE、TM模的選擇控制功能。微分增益系數(shù)高，能在更高的調(diào)制速率下工作，動(dòng)態(tài)特性好等。由于半導(dǎo)體激光器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能可靠，在集成光路和光纖信號(hào)傳輸應(yīng)用中是一種極好的光源。半導(dǎo)體激光器是一種高效率的電子一光子轉(zhuǎn)換器件。小功率的可以連續(xù)輸出功率在幾毫瓦到十幾毫瓦，大功率的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)到幾百瓦或千瓦的水平。半導(dǎo)體激光器的模式可以分為空間模和縱模。縱模表示頻譜分布，反映發(fā)射光功率在不同波長(zhǎng)上的分布，而空間模描述圍繞輸出光束軸線的光強(qiáng)分布，或是空間幾何位置上的光強(qiáng)分布。由于半導(dǎo)體激光器是電子和光子直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，因此它具有直接進(jìn)行信號(hào)調(diào)制的能力，這也是半導(dǎo)體激光器有區(qū)別于其他激光器的重要特點(diǎn)之一。與工作在直流狀況下的半導(dǎo)體激光器不同，在高速直接調(diào)制情況下也會(huì)出現(xiàn)一些有害的效應(yīng)，影響半導(dǎo)體激光器調(diào)制帶寬，如弛豫振蕩等。這些有害的效應(yīng)與有源區(qū)內(nèi)電子的自發(fā)輻射壽命七和光子壽命，密切相關(guān)。至今，半導(dǎo)體激光器幾乎已經(jīng)是光纖通信系統(tǒng)中唯」的光源。其主要優(yōu)點(diǎn)之一是通過(guò)改變工作電流就可以進(jìn)行信號(hào)的直接調(diào)制，也使激光器與調(diào)制用電子電路有可能實(shí)現(xiàn)單片集成，半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性與器件特性結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。四、外文資料綜述在這門(mén)課的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我學(xué)習(xí)了《在半導(dǎo)體二極管激光器的光學(xué)反饋弛豫振蕩動(dòng)力學(xué)》這篇英語(yǔ)文獻(xiàn)，這篇文獻(xiàn)是2013年3月15日在IEEE上發(fā)表的。這篇文獻(xiàn)從理論上探討單模半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性在短期外部延遲政權(quán)微弱光反饋。，在一般情況下，雖然激光是弛豫振蕩的反饋引起的激勵(lì)敏感，但是預(yù)測(cè)的完整的不敏感性為這些振蕩時(shí)的振蕩頻率的乘積與外部的延遲時(shí)間等于一個(gè)小的整數(shù)。這就可能形成的基礎(chǔ)弛豫振蕩無(wú)激光的設(shè)計(jì)。在過(guò)去的許多應(yīng)用法布里一珀羅型半導(dǎo)體激光器利用外部光反饋，或進(jìn)行自行注射。對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的方法是，反饋可以引入持續(xù)的弛豫振蕩。激光強(qiáng)度和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這對(duì)于一個(gè)孤獨(dú)的激光是一種阻尼振蕩，但之間的固有諧振可以很容易地根據(jù)延遲反饋通過(guò)一個(gè)所謂的霍普夫分分岔的影響力。它被隱含地知道，弛豫振蕩的出現(xiàn)是敏感的，另?yè)?jù)了解，為引起張弛振蕩的最小反饋水平的反滲透頻次的品敏感的外部延遲時(shí)間，有人預(yù)測(cè)，這種反饋電平顯示最大值，根據(jù)共振條件每次等于一個(gè)整數(shù)，這一預(yù)測(cè)是基于一定的數(shù)字和分析方面的考慮。在這篇文章中，作者專注于在松弛振蕩的激發(fā)外部反饋延遲時(shí)間的特殊作用。用一階延遲微分方程，并且表明傳與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器和光弛豫振蕩反饋。反饋激光器的行為就向弛豫振蕩仿佛沒(méi)有反饋存在一樣，在上述條件下，弛豫振蕩被衰減，而事實(shí)上，將被抑制。這種預(yù)測(cè)是有效的弱反饋，使得弛豫振蕩頻率不從其在激光大幅偏離。從第一階段描述小的時(shí)間演化方程，強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)解和倒置在一個(gè)單一縱模半導(dǎo)體激光弱的反饋可以由下式給出：8=-ycos(p)[8cp(t)-兇(t-氣)]+(y/21)sin(p)[81(t)-81(t-t)]+(y2)a^8n(t)61=-2yIsin(p)[8p(t)-8p(t-t)]-ycos(p)[81(t)-81(t-t)]+&18n(t)8n=-(1T+gI)8n(t)-T81(t)通過(guò)檢驗(yàn)以上方程并進(jìn)行下面的觀察，如果激光具有弛豫振蕩與頻率的當(dāng)滿足諧振條件ut=1,2,...以上方程可近似簡(jiǎn)化為：RO書(shū)廣(12)以笑n(t)<51=&I5n(t)c S < c5n=—(1T+&I)5n(t)-T51(t)l ' S 0這相當(dāng)于動(dòng)力學(xué)方程為無(wú)反饋的激光器?？梢缘玫浇Y(jié)論該共振條件下的反饋迫使激光表現(xiàn)為一個(gè)單獨(dú)的激光，在這種情況反滲透被抑制。人們可能不知道如何弛豫振蕩抑制機(jī)制會(huì)影響用激光的調(diào)制特性反饋。這里并沒(méi)有考察，但由于弛豫振蕩抑制條件下類似激光的行為在沒(méi)有反饋的單模激光器，預(yù)期頻率調(diào)制特性也很相似?？傊?，弛豫振蕩散裝或量子阱半導(dǎo)體激光器與光弱反饋可以當(dāng)激光被泵浦所抑制時(shí)，對(duì)弛豫振蕩共振條件附近的區(qū)域，當(dāng)反滲透頻率和延遲時(shí)間的乘積等于一個(gè)小整數(shù)。這個(gè)原理是在穩(wěn)定的單一設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，目前使用的是頻率集成二極管激光器。量子點(diǎn)激光器動(dòng)態(tài)行為的完全不同上述激光器。然而，定性推理導(dǎo)致方程仍然適用于量子點(diǎn)激光器，但它應(yīng)該是緊密聯(lián)系在一起的輸出增大強(qiáng)度。最后，在潛在應(yīng)用抑制不穩(wěn)定性。主要的應(yīng)用是在中弱濾波光反饋的使用，以強(qiáng)制激光在單一模式下的操作，這導(dǎo)致了穩(wěn)定的操作只對(duì)一定值反饋相位，這是很難控制的，即便具有相位控制元件的幫助。它將是最有利的操作，使激光在上述反饋相獨(dú)立的時(shí)間間隔具有穩(wěn)定性。五、參考文獻(xiàn)[1]周廣寬等.激光器件.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.，⑵周炳琨等.激光原理.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.13沃納、格朗.半導(dǎo)體器件電子學(xué).北京：電子工業(yè)出版社，2005.2DaanLenstra,SeniorMember,RelaxationOscillationDynamicsinSemiconductorDiodeLasersWithOpticalFeedback,IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.25,NO.6,MARCH15,2013HemashilpaKalagara,PetrG.Eliseev,andMarekOsi'nski,InducedAnomalousDispersioninSemiconductorLasers,IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINQUANTUMELECTRONICS,VOL.