半导体激光器和发光二极管.ppt

第2讲 半导体激光器和发光二极管,一.激光原理的基础知识二、半导体激光器的结构、分类三、半导体激光器的主要性质四、发光二极管,半导体光源：半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)半导体光源的优点：体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 发射波长适合在光纤中低损耗传输 可以直接进行强度调制 可靠性高,一.激光原理的基础知识,1、光的吸收和放大1）能级和能带2）能级的光跃迁3）光的吸收和放大2、半导体激光器中增益区的形成晶体中载流子的统计分布 PN结的能带和增益区的形成,1、光的吸收和放大,（1）原子能级和晶体的能带 电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，称之为原子的不同能级。,E1,E2,E3,E4,能量 E,晶体的能带 晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。,（2）能级的光跃迁：电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。,E2,E1,E2,E1,h=E2-E1,自发发射,特点：Rsp=rspN2=N2/sp 无外界作用，自发光跃迁；独立、自发发射，非相干光；,典型应用：发光二极管,E2,E1,E2,E1,h=E2-E1,受激辐射,特点：Rste=WstN2 Wst=C3()/(8n3h3sp)B()感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的光子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。,h=E2-E1,典型应用：半导体激光器,E2,E1,E2,E1,h=E2-E1,受激吸收,特点：Rsta=WstN1；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；消耗外来光能，产生电子空穴对。,典型应用：光电二极管,（3）光的吸收与放大,设光波频率为，光强为I，经过原子煤质 Rste=WstN2，发出光能:WstN2 h Rsta=WstN1,吸收光能：WstN1 h 单位体积中的净功率：（N2-N1）Wst h,是能量密度,吸收媒质 热平衡状态,放大媒质 粒子数翻转分布，布居翻转 对应激光放大状态,2、半导体激光器中增益区的形成晶体中载流子的统计分布：费米-狄拉克统计 f(E)=1/e(E Ef)/kK+1 f(E)：电子的费米分布函数 k:玻耳兹曼常数 K：绝对温度 Ef：费米能级，它只是反映电子在各能级中分布 情况的一个数学参量,位置由电子总数决定。E=Ef f(E)=1/2 该能级被电子占据概率等于50 E1/2 该能级被电子占据概率大于50 EEf f(E)1/2 该能级被电子占据概率小于50,各种半导体中电子的统计分布 本征半导体 P型半导体 N型半导体 兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体,2）PN结的能带和增益区的形成,PN结,导带,价带,导带,价带,Efv,Efc,兼并型P型半导体,兼并型N型半导体,P区,N区,Ef,达到热平衡时PN结的能带图,PN结的能带,e0VD势垒,加正向电压(e0V De0VEg)PN结的能带图对光子能量满足：Eg h e0V 有光增益,光增益区的形成：加正向电压,3、半导体激光器的激射条件,有源区里实现足够的粒子数反转分布 当处于高能级上的电子数N2大于处于低能级上的电子数 N1 时，受激辐射占据主导地位，光被放大。N2 N1 的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布局反转。(2)存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定的振荡,光学振荡,禁带,(a)利用晶体天然解理面形成法布里-珀罗谐振(F-P)腔(b)利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合形成光振荡(分布反馈型DFB,分布布喇格反射型DBR),制作材料：直接带隙的半导体材料 发射波长 hc/Eg,E,二、半导体激光器的结构、分类和主要性质 1、F-P腔激光器,(1)F-P腔的作用建立光振荡 振幅条件：使激光器成为阈值器件 e(th-)2L R=1 th：阈值时增益系数：谐振腔内部工作物质的损耗系数 L：谐振腔腔长 R：谐振腔两镜面反射率之积，R R1 R2 增加增益的方法：加大注入电流()=(N2-N1)C2 g()/(8n22sp),相位条件：使激光器的发射光谱呈模式振荡 2Lq2 q=1,2,3,：光波的相移系数，L：谐振腔腔长,波长,光功率,（2）F-P腔激光器的分类,按制作激光器的材料分类:短波长(0.85 m)波段，采用GaAs/GaAlAs 长波长(1.3 m1.55 m)，采用InGaAsP/InP按垂直于PN结方向的结构分类：同质结 单异质结 双异质结 双异质结的作用:带隙差对载流子有限制作用;折射率差对光子有限制作用,按平行于PN结方向的结构分类,宽面LD（没有导向）条形LD：台面条形 平面条形（SiO2条形，质子轰击条形，Zn扩散条形等）（增益导向）隐埋条形（折射率导向）,在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构；只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上(10 m左右)有电流通过的结构是条形结构。条形激光器主要优点是阈值电流低，发热少，利于散热，可以改善光谱特性。但受条宽限制不宜作大功率输出。,隐埋条形双异质结结构示例 2,按激射光束与PN结平面的关系分类,按激射光束与PN结平面的平行或垂直关系，半导体激光器可分边发射(侧面出光)和面发射(正面出光)结构(1)边发射结构 这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光。(2)面发射结构 这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平腔和垂直腔结构。,结构特点:1)发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2)形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是面发射激光器中最有前途的一种激光器.,VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的优点,发光效率高，例850nm，10mA电流，1.5mW功率发射圆形光束，耦合效率高阈值电流极低，工作电流也不高可通过短腔（510m）实现单纵模工作高温度稳定性，200Mb/s速率以下应用，可不需要APC高工作速率（达3Gb/s以上)，高张弛振荡频率易集成，低价格，高产量,2、量子阱激光器,结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well)半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管。性能特点：阈值电流低,输出功率高 谱线宽度窄，频率啁啾改善 调制速率高,3、DFB激光器,原理：通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立 光振荡，即布喇格反射原理,布拉格反射条件：n(D+B)=m nD(1+sin)=m 2 nD=m m=1,2,3,布拉格反射原理,DFB激光器的优点 单纵模振荡 线性度好 线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大为提高。稳定性好：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使其温度漂移很小。动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡，虽然动态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较F-P腔LD展宽小得多。,4.发展趋势:集成化 可调谐 窄化发射谱线 波长可调谐半导体激光器 波长可调谐激光器的主要性能指标有：调谐速度和波长调谐范围。温度调谐激光器和电流调谐 外腔可调谐激光器 双极DFB激光器 双极和三极DBR激光器,Integrated Devices,外腔激光器 实现大调谐范围的一种简单方法是在LD的两个端面之一上镀抗反射膜，然后在其外部加上可调的光滤波器。这种结构的LD叫外腔可调谐激光器。外部的光滤波器选择若干纵模中的一个。通过调整光滤波器。被选中的模的波长能精确地调谐直至发生模式跳变，跳到另一纵模上。,双极和三级DFB/DBR激光器 波长快速调谐可通过对 LD 有源层的载流子注入来实现。这是因为载流子的变化引起折射率的变化，而折射率的变化又改变激射波长。这种效应就是前面提到的绝热啁啾。,Tunable 2-Section DBR Laser,a discontinuous tuning characteristic over a range of a bit less than 10 nm.,Tunable 3-Section DBR Laser,Operation(of the 3-section device)is as follows:Current in the left-hand section of the device flows through the gain medium and here lasing(amplification)takes place.In the centre and rightmost sections the electron flux within the cavity causes the cavity to change in refractive index within these sections.The change in RI causes the wavelength of the light emitted to change also.The right-hand section has the grating inside it(or rather immediately adjacent to it)and this is used for broad tuning.Fine tuning is accomplished by varying the current in the“phase section”(middle part)of the laser cavity.A disadvantage of the 3-section device is that it requires relatively complex electronics for control.,Sampled-Grating Tunable DBR Lasers,This principle works quite well and devices with a tuning range of up to 100 nm have been reported in the literature.Commercial devices(albeit with a more limited tuning range)are currently available.,三.半导体激光器的主要特性,1.阈值特性 2.效率 3.温度特性 4.相对强度噪声 5.频率啁啾,(1)阈值性质,激射区 输出功率大 谱线尖锐,自发为主 荧光 超辐射态,(F-P),(2)电光转换效率 功率效率P：定义为激光器输出光功率Pex与注入激光器的电功率Pin之比。p=Pex/(VjI+I2Rs)内量子效率i：定义为有源区里每秒钟产生的光子数与有源区里每秒钟注入的电子-空穴对数之比。i=Rr/(Rnr+Rr)外量子效率ex：定义为激光器每秒钟实际输出的光子数与每秒钟外部注入的电子空穴对数之比。ex=(pex/h)/(I/e0)由于 h Eg e0V 因此 ex pex/IV,外微分量子效率D：对应PI特性中阈值以上的线性范围的斜率。,pex=D h(I-Ith)/e0,D=(Pex Pth)/h/(I-Ith)/e0 Pex/h/(I-Ith)/e0,(3)温度特性随温度升高：阈值电流增加 外微分量子效率下降 峰值波长向长波长方 向移动,Ith=I0 exp(K/K0)Ith2=Ith1 exp(K2-K1)/K0),(4)相对强度噪声 任何半导体激光器既使注入恒定的电流，其输出的光强和相位都有随机起伏，即噪声。幅度的起伏用相对强度噪声(RIN，Relative Intensity Noise)来描述，它定义为相对输出光功率的变化的功率谱密度。RIN对光反射非常敏感，对于相位或幅度噪声敏感的系统，采用光隔离器阻止光后向反射是必要的。,RIN 随光反射的变化,(5)频率啁啾 当对半导体激光器进行强度调制时，载流子密度的变化会导致折射率的变化，而折射率的变化会产生相位变化，随时间变化的相位相当于频率调制。频率啁啾定义为瞬时频率相对于稳态频率的偏移。频率啁啾由两部分组成：一部分是瞬态啁啾，另一部分为绝热啁啾。下图给出对一激光器注入2Gb/s NRZ脉冲电流时的频率啁啾的情况。可以看出脉冲上升沿导致频率变高(兰移)，而下降沿导致频率变低(红移)。,频率啁啾,四.半导体发光二极管,1.工作原理,当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。,特点（与半导体激光器比较）：非相干光源，自发发射为主，发射荧光过程 无光学谐振腔，不一定需要实现粒子数反转 非阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比,2.基本性质,发射谱线和发散角 光谱较宽，光纤色散严重；发散角大，与光纤的耦合效率较低；响应速度 调制速率低 热特性 温度特性较好，无需温控电路;寿命长，可靠性高,LED输出功率与注入电流的关系,3.结构分类,根据把光输出耦合到光纤的形式分为面发射型和边发射型两种基本结构。在面发射型结构中，异质结对载流子的限制作用除使发光效率提高外，还因通光区是宽带隙材料，可使光的再吸收减小。为进一步减小光的再吸收，在n-GaAs上腐蚀一个阱，将光纤插入阱中并用环氧树脂粘合定位，使光纤到发光面的间距减小到1015mm。p-n结的发光面积由隔离层限定，接触处的直径通常为15100mm。在边发射型结构中，以定向的光束发射出去，其优点是光的发散角较小，便于与光纤耦合，而且光从很窄的端边射出，使得辐射强度较高。,边发射型发光二极管(ELED)的结构,面发射型发光二极管(SLED)的结构,