1、第七章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器,1 什么是激光的三個(gè)基本要素？ 什么是愛因斯坦關(guān)系？ 粒子數(shù)翻轉(zhuǎn) 增益譜隨著注入如何變化。 激光器的閾值條件？,本次課問題？,7.1.1 半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),特點(diǎn)： 體積?。?很高的電-光能量轉(zhuǎn)換效率(通常50%)； 發(fā)射的光波長(zhǎng)合適(例如石英單模光纖1.3m和1.55m低損耗窗口)； 發(fā)光區(qū)面積小，與光纖芯匹配； 驅(qū)動(dòng)電壓低(典型值2V)； 可以直接電流調(diào)制到20GHz以上； 高可靠性。 從經(jīng)濟(jì)角度看，目前半導(dǎo)體激光器已成為最重要的激光器,7.1 半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)介,Laser characteristics,spectrally broad divergen

2、t cant be focused tightly not very intense incoherent,very monochromatic does not diverge as fast can be focused tightly can be extremely intense spatial coherence (interference) temporally coherent (beat notes),What is needed ?,More generally: gain medium pump - far from thermal equilibrium feedbac

3、k (resonator, mirrors, cavity),發(fā)散,非相干,單色,干涉,反饋（諧振器，鏡子，腔）：光束的選擇性,增益物質(zhì)（激活物質(zhì)）：?jiǎn)喂?泵浦源（激勵(lì)源）：粒子數(shù)反轉(zhuǎn),光存儲(chǔ),激光打印,激光顯示,光通訊,7.1.2 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用,電吸收分布反饋,光功率放大器,De-Multiplexer 分路器,Wavelength Division Multiplexer 波分復(fù)用系統(tǒng),前置放大器,7.1.3 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展,7.1.4 實(shí)現(xiàn)激光器三個(gè)要素,光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個(gè)要素： 1、激活介質(zhì)經(jīng)受激后能實(shí)現(xiàn)能級(jí)之間的躍遷； 2、能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦裝置

4、； 3、放置激活介質(zhì)的諧振腔，提供光反饋并進(jìn)行放大，發(fā)出激光。 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。,7.2.1 激光材料的選擇,7.2 半導(dǎo)體激光器工作原理,7.2.2 自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射,Three major methods for light to interact with a material: Absorption: incoming photon creates electron-hole pair (solar cell). Spontaneous Emission: electron-ho

5、le pair spontaneously decays to eject photon. Stimulated Emission: incoming photon stimulates electron-hole pair to decay and eject another photon, i.e. one photon in two photons out (LASER).,自發(fā)輻射： 是原子在不受外界輻射場(chǎng)控制情況下的自發(fā)過程。大量原子的自發(fā)輻射場(chǎng)的相位是無規(guī)則分布的因而是不相干的。此外，自發(fā)幅射場(chǎng)的傳播方向和偏振方向也是無規(guī)則分布的，自發(fā)輻射平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。,受激輻射：

6、在外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光過程，因而容易設(shè)想各原子的受激輻射的相位不再是無規(guī)則分布，而應(yīng)具有和外界輻射場(chǎng)相同的相位。,在量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上可以證明：受激輻射光子與入射(激勵(lì))光子屬于同一光子態(tài)；或者說，受激輻射場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)具有相同的頻率、相位、波矢(傳播方向)和偏振，因而，受激輻射場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)屬于同一模式。大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射處于同一光波?；蛲还庾討B(tài)，因而是相干的。,受激輻射的相干性,吸收: 向上躍遷的數(shù)率可以寫成 r12=B12f1(1-f2)p(E21) (7.1) 1. 躍遷幾率B12 2. E1 被電子占據(jù)的幾率f1 3. E2態(tài)空著的幾率(1-f2) 4.

7、 能量為E21的光子密度p(E21)。,E1和E2被占據(jù)的幾率由費(fèi)米-狄喇克分布給出：,(7.2),7.2.3 吸收、受激發(fā)射和自發(fā)發(fā)射的關(guān)系,r21=B21f2(1-f1)p(E21) (7.3),受激發(fā)射向下的躍遷的速率：,1 躍遷幾率B12 2 E2 被電子占據(jù)的幾率f2 3 E1態(tài)空著的幾率(1-f1) 4 能量為E21的光子密度p(E21),受激發(fā)射,自發(fā)發(fā)射： E2 的電子可以自發(fā)返回E1而不與輻射場(chǎng)p(E21)發(fā)生作用。,自發(fā)發(fā)射率：,A21表示自發(fā)發(fā)射過程的幾率。,熱平衡時(shí)，向上躍遷的速率必須等于向下躍遷的總速率。,光子密度,愛因斯坦關(guān)系,在相同條件下,受激發(fā)射和受紀(jì)激吸收具有

8、相同的幾率。即一個(gè)光子碰到共振的高能電子而引起受激發(fā)射的可能性正好相當(dāng)于它碰到低能級(jí)電子而被吸收的可能性。,若hv=1eV ，, 受激輻射完全被受激吸收所掩蓋.,需人為增加光子密度，以增大受激輻射程度. (諧振腔),r21=B21f2(1-f1)p(E21)r12=B12f1(1-f2)p(E21)(7.11) f2(1-f1) f1(1-f2) f2f1 (7.12),在準(zhǔn)平衡條件下，半導(dǎo)體的價(jià)帶的空穴和導(dǎo)帶中的電子的數(shù)量要足夠大，使與他們相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶和導(dǎo)帶。,同質(zhì)結(jié)：需重?fù)?異質(zhì)結(jié)：不需,This defines the population inversion in a se

9、miconductor. The quasi-Fermi levels are determined by the pumping (injection) level (EFc Efv）= eV Eg, where V is the forward bias voltage),7.2.4半導(dǎo)體中受激發(fā)射的必要條件,產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法,注入載流子半導(dǎo)體激光器 強(qiáng)光對(duì)激光物質(zhì)進(jìn)行照射固體激光器,發(fā)光的半導(dǎo)體必處于非平衡態(tài)。 過剩載流子 偏離平衡態(tài)程度： 稍稍偏離：自發(fā) 嚴(yán)重偏離：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射,閾值以下，基本上都是自發(fā)發(fā)射； 閾值以上，受激發(fā)射占優(yōu)勢(shì)。

10、,7.3 半導(dǎo)體吸收系數(shù)的光譜分布,吸收：a為正時(shí)，經(jīng)過介質(zhì)以后的光強(qiáng)比原來的光強(qiáng)低。 增益：a為負(fù)時(shí)，經(jīng)過介質(zhì)以后的光強(qiáng)比原來的光強(qiáng)高。,吸收系數(shù),某一能級(jí)E1到某一能級(jí)E2 =E1+hv 的躍遷。,總的吸收系數(shù)：導(dǎo)帶和價(jià)帶中所有的能量差為hv的能級(jí)之間的躍遷進(jìn)行積分。,M=,（1）若注入少數(shù)載流子，則在帶隙能量附近的光波長(zhǎng)范圍產(chǎn)生放大增益。 （2）在常溫下，只有一部分載流子參與增益，在低溫有更多的部分參與所以增益增大。 （3）隨著載流子密度的增大，給出最大增益的波長(zhǎng)向高能端移動(dòng)（帶填充效應(yīng)）,7.4 諧振腔和閥值條件,光在介質(zhì)中傳播的物理圖像,Instead, these photons

11、can induce downward transitions of an electron from a filled conduction band state into an empty valence band,光量子的放大,受激輻射產(chǎn)生相干光子，而自發(fā)輻射產(chǎn)生非相干光子。如果我們能使腔內(nèi)某一特定模式(或少數(shù)幾個(gè)模式)的 大大增加，而其它所有模式的 很小，就獲得一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)模式高的光子簡(jiǎn)并度。,光的受激輻射放大:若軸向模式不是被原子吸收(受激吸收)，而是由于原子的受激輻射而得到放大，即獲得極高的光子簡(jiǎn)并度。,超輻射發(fā)光管簡(jiǎn)介 超輻射發(fā)光二極管（SLD）近年來迅速發(fā)展，它是介于激光器（

12、LD）和發(fā)光二極管（LED）之間的一種半導(dǎo)體光電器件。其發(fā)光機(jī)理是一種強(qiáng)激發(fā)狀態(tài)下定向的輻射現(xiàn)象。即當(dāng)激發(fā)密度足夠高時(shí)，自發(fā)發(fā)射的光子受激放大而雪崩式倍增，發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)強(qiáng)度超線性地急劇增加，譜線寬度變窄，由初始的自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位很快地演變?yōu)橐允芗ぐl(fā)射占主導(dǎo)地位。理想的超輻射光是一種相位不一致的非相干光源或稱短相干光源。 超輻射光和激光的光增益過程都是受激放大過程，兩者的根本區(qū)別在于器件是否存在振蕩及選模作用,激光器應(yīng)包括光放大器和光諧振腔兩部分，光腔的作用如下：,1模式選擇。保證激光器單模(或少數(shù)軸向模)振蕩，從而提高激光器的相干性.,2提供軸向光波模的反饋。,7.4.1 諧振腔,諧振腔的作用：,*產(chǎn)生與維持光的振蕩，使光得到加強(qiáng)。 *使激光有極好的方向性。 *使激光單色性好。 總之，具有對(duì)光放大實(shí)行 選擇、控制、增強(qiáng) 的作用。,由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。,Ohmic contacts,GaAs, Ga(1-x)AlxAs, GaxIn(1-x)As(1-y)Py,反射鏡1,反射鏡2,R2,R1,7.4.2閾值條