1、第七章 半导体异质结激光器,1 什么是激光的三个基本要素？ 什么是爱因斯坦关系？ 粒子数翻转 增益谱随着注入如何变化。 激光器的阈值条件？,本次课问题？,7.1.1 半导体激光器的特点和优势,特点： 体积小； 很高的电-光能量转换效率(通常50%)；发射的光波长合适(例如石英单模光纤1.3m和1.55m低损耗窗口)；发光区面积小，与光纤芯匹配；驱动电压低(典型值2V)；可以直接电流调制到20GHz以上； 高可靠性。 从经济角度看，目前半导体激光器已成为最重要的激光器,7.1 半导体激光器简介,Laser characteristics,spectrally broaddivergentcant
2、 be focused tightlynot very intenseincoherent,very monochromaticdoes not diverge as fastcan be focused tightlycan be extremely intensespatial coherence (interference)temporally coherent (beat notes),What is needed ?,More generally:gain mediumpump - far from thermal equilibriumfeedback (resonator, mi
3、rrors, cavity),发散,非相干,单色,干涉,反馈（谐振器，镜子，腔）：光束的选择性,增益物质（激活物质）：单光,泵浦源（激励源）：粒子数反转,光存储,激光打印,激光显示,光通讯,7.1.2 半导体激光器的应用,电吸收分布反馈,光功率放大器,De-Multiplexer 分路器,Wavelength Division Multiplexer 波分复用系统,前置放大器,7.1.3 半导体激光器的发展,7.1.4 实现激光器三个要素,光受激辐射、发出激光必须具备三个要素： 1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁； 2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置； 3、放置激活介质的谐振腔，提
4、供光反馈并进行放大，发出激光。 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。,7.2.1 激光材料的选择,7.2 半导体激光器工作原理,7.2.2 自发发射和受激发射,Three major methods for light to interact with a material: Absorption: incoming photon creates electron-hole pair (solar cell). Spontaneous Emission: electron-hole pair spontane
5、ously 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).,自发辐射：是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的因而是不相干的。此外，自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有模式上。,受激辐射：在外界辐射场的控制下的发光过程，因而
6、容易设想各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布，而应具有和外界辐射场相同的相位。,在量子电动力学的基础上可以证明：受激辐射光子与入射(激励)光子属于同一光子态；或者说，受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢(传播方向)和偏振，因而，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射处于同一光波模或同一光子态，因而是相干的。,受激辐射的相干性,吸收: 向上跃迁的数率可以写成 r12=B12f1(1-f2)p(E21) (7.1) 1. 跃迁几率B12 2. E1 被电子占据的几率f1 3. E2态空着的几率(1-f2) 4. 能量为E21的光子密度p(E21)
7、。,E1和E2被占据的几率由费米-狄喇克分布给出：,(7.2),7.2.3 吸收、受激发射和自发发射的关系,r21=B21f2(1-f1)p(E21) (7.3),受激发射向下的跃迁的速率：,1 跃迁几率B12 2 E2 被电子占据的几率f2 3 E1态空着的几率(1-f1) 4 能量为E21的光子密度p(E21),受激发射,自发发射： E2 的电子可以自发返回E1而不与辐射场p(E21)发生作用。,自发发射率：,A21表示自发发射过程的几率。,热平衡时，向上跃迁的速率必须等于向下跃迁的总速率。,光子密度,爱因斯坦关系,在相同条件下,受激发射和受纪激吸收具有相同的几率。即一个光子碰到共振的高能
8、电子而引起受激发射的可能性正好相当于它碰到低能级电子而被吸收的可能性。,若hv=1eV ，, 受激辐射完全被受激吸收所掩盖.,需人为增加光子密度，以增大受激辐射程度. (谐振腔),r21=B21f2(1-f1)p(E21)r12=B12f1(1-f2)p(E21) (7.11) f2(1-f1) f1(1-f2) f2f1 (7.12),在准平衡条件下，半导体的价带的空穴和导带中的电子的数量要足够大，使与他们相应的准费米能级进入价带和导带。,同质结：需重掺 异质结：不需,This defines the population inversion in a semiconductor. The
9、quasi-Fermi levels are determined by the pumping (injection) level (EFc Efv）= eV Eg, where V is the forward bias voltage),7.2.4半导体中受激发射的必要条件,产生激光的必要条件二：粒子数反转分布,产生粒子数反转的方法,注入载流子半导体激光器 强光对激光物质进行照射固体激光器,发光的半导体必处于非平衡态。 过剩载流子 偏离平衡态程度：稍稍偏离：自发 严重偏离：粒子数反转，受激辐射,阈值以下，基本上都是自发发射； 阈值以上，受激发射占优势。,7.3 半导体吸收系数的光谱分布,
10、吸收：a为正时，经过介质以后的光强比原来的光强低。增益：a为负时，经过介质以后的光强比原来的光强高。,吸收系数,某一能级E1到某一能级E2 =E1+hv 的跃迁。,总的吸收系数：导带和价带中所有的能量差为hv的能级之间的跃迁进行积分。,M=,（1）若注入少数载流子，则在带隙能量附近的光波长范围产生放大增益。（2）在常温下，只有一部分载流子参与增益，在低温有更多的部分参与所以增益增大。（3）随着载流子密度的增大，给出最大增益的波长向高能端移动（带填充效应）,7.4 谐振腔和阀值条件,光在介质中传播的物理图像,Instead, these photons can induce downward t
11、ransitions of an electron from a filled conduction band state into an empty valence band,光量子的放大,受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。如果我们能使腔内某一特定模式(或少数几个模式)的 大大增加，而其它所有模式的 很小，就获得一个或少数几个模式高的光子简并度。,光的受激辐射放大:若轴向模式不是被原子吸收(受激吸收)，而是由于原子的受激辐射而得到放大，即获得极高的光子简并度。,超辐射发光管简介 超辐射发光二极管（SLD）近年来迅速发展，它是介于激光器（LD）和发光二极管（LED）之间的一种半导
12、体光电器件。其发光机理是一种强激发状态下定向的辐射现象。即当激发密度足够高时，自发发射的光子受激放大而雪崩式倍增，发光强度随激发强度超线性地急剧增加，谱线宽度变窄，由初始的自发发射占主导地位很快地演变为以受激发射占主导地位。理想的超辐射光是一种相位不一致的非相干光源或称短相干光源。超辐射光和激光的光增益过程都是受激放大过程，两者的根本区别在于器件是否存在振荡及选模作用,激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分，光腔的作用如下：,1模式选择。保证激光器单模(或少数轴向模)振荡，从而提高激光器的相干性.,2提供轴向光波模的反馈。,7.4.1 谐振腔,谐振腔的作用：,*产生与维持光的振荡，使光得到加强。
13、 *使激光有极好的方向性。 *使激光单色性好。 总之，具有对光放大实行 选择、控制、增强 的作用。,由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。,Ohmic contacts,GaAs, Ga(1-x)AlxAs, GaxIn(1-x)As(1-y)Py,反射镜1,反射镜2,R2,R1,7.4.2阈值条件,为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率,只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。,腔面损耗,激光器达到阈值条件：增益损耗,图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性(a) 短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长InGaAsP/InP,7.4.3半导体激光器的纵模,
