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1、第12章半导体激光器的输出特性 12.1半导体激光器的转换效率12.2半导体激光器的空间模式12.3半导体激光器的纵模12.4半导体激光器的动态特性 第12章半导体激光器的输出特性 12.1.1 功率效率功率效率p是表征激光器将输入的电能(或电功率)转换为输出激光能量(或光功率)的效率，也称总效率，定义为(12-1)12.1 半导体激光器的转换效率 第12章半导体激光器的输出特性 图12.1 不同温度下激光器的Pex-I 曲线第12章半导体激光器的输出特性 式中Pex为激光器输出的光功率，I 为激光器工作电流，V为正向压降，rs为串联电阻(包括半导体材料的体电阻与电极的欧姆接触电阻)。对一般半
2、导体激光器来说，并不测量这一效率，但可以从半导体激光器产品的Pex-I 特性曲线分析激光器的质量，如图12.1所示。对理想的LD，在正向偏压Vb下的正向电流可表示为(12-2)第12章半导体激光器的输出特性 式中n为反映电流特点的一个常数，对电流主要是复合电流的半导体激光器，取n=2。正向偏压Vb为串联电阻rs上的压降和PN 结上的压降之和，可表示为Vb=V+Irs(12-3)第12章半导体激光器的输出特性 12.1.2 量子效率由于有源区存在各种损耗，主要包括非辐射复合、腔内散射、衍射、吸收等因素，使注入有源区的电子-空穴对不能全部转换为输出光子，描述转换效率的量子效率主要有内量子效率、外量
3、子效率、外微分量子效率等。针对非辐射复合损耗，表征激光器有源区注入的电子-空穴对数转换为有源区内辐射的光子数的效率，称为内量子效率i，定义式为(12-4)第12章半导体激光器的输出特性 针对腔内损耗，有源区输出的光子数少于有源区辐射的光子数。表征激光器有源区注入电子-空穴对数转换为输出光子数的效率，称为外量子效率ex，定义式为(12-5)由于h=eV=Eg，代入有(12-6)第12章半导体激光器的输出特性 由图12.1可以看出，当IIth)时，Pex-I 特性曲线上升陡直。由曲线的线性部分的斜率可确定另一个参量外微分量子效率D，定义为输出光子数随阈值以上注入电子数增加的比率，则有(12-7)式
4、中Pth是对应阈值电流Ith的输出光功率，因PthPex，故上式可近似为(12-8)第12章半导体激光器的输出特性 实际上D是Pex-I 关系曲线阈值以上的线性部分的斜率，故亦称做斜率效率，与电流无关，仅是温度的函数。D可直观地比较不同激光器之间性能的优劣。D与i的关系为(12-9)第12章半导体激光器的输出特性 采用边发射的LD 具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况，横向是折射率波导，侧向可以是折射率波导，也可以是增益波导。因而LD 的空间模式有横模和侧模(垂直横模、水平横模)之分，如图12.2所示。12.2 半导
5、体激光器的空间模式 第12章半导体激光器的输出特性 图12.2 激光束的空间特性第12章半导体激光器的输出特性 12.2.1 垂直方向发散角将光强下降为光斑中心的(13.5%)处定义为高斯光束的光斑半径。对腰斑半径为0的高斯光束，发散角(全角)为(12-10)第12章半导体激光器的输出特性 然而LD 的远场并非严格的高斯分布，有较大的且在横向和侧向不对称的光束发散角。由于LD 有源层厚度d较小，因而在横向有较大的发散角。AlxGa1-xAs/GaAs 半导体激光器的与d的关系如图12.3所示。在d0.1 m 时，的近似公式为(12-11)第12章半导体激光器的输出特性 当d与 相比拟，但仍工作
6、在基横模时，由式(12-11)可见，可以忽略分母中的因子1，近似为(12-12)第12章半导体激光器的输出特性 可见其与0一致。说明在一定的有源层厚度范围内，随d的增加而减小，横向光场具有较好的高斯光束特性，可以用衍射理论解释。图12.3所示曲线的虚线部分对应可能出现高阶模时的有源层厚度。第12章半导体激光器的输出特性 图12.3 半导体激光器与d的关系第12章半导体激光器的输出特性 12.2.2 平行方向发散角由于LD 在侧向具有较大的有源层宽度W，其侧向发散角较小，可表示为(12-13)侧向折射率波导比增益波导有较小的，如图12.4所示。图(a)为增益波导的远场分布，图(b)为折射率波导的
7、远场分布。第12章半导体激光器的输出特性 图12.4 不同波导结构的远场分布第12章半导体激光器的输出特性 12.2.3 半导体激光器的像散当用光学系统对半导体激光器解理面近场成像时，就会发现由于像散的存在，会在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横向都是利用有源层两边折射率差形成的光波导效应对有源区光子进行限制的，而在侧向有增益波导与折射率波导两种光限制类型。折射率波导型输出波前在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰处为平面波前，如图12.5(a)所示。第12章半导体激光器的输出特性 图12.5 增益波导激光器的波前 第12章半导体激光器的输出特性 图12.6 条形激光器的远场
8、分布第12章半导体激光器的输出特性 由式(11-1)可知半导体激光器的谐振波长是由禁带宽度决定的，然而这一波长还必须满足谐振腔的驻波条件2nL=q(q=1,2,)。由它们决定的波长有可能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而振荡，因而形成一系列的纵模，如图12.7所示。这些纵模之间的间隔 为(12-14)12.3 半导体激光器的纵模 第12章半导体激光器的输出特性 图12.7 激光器的纵模谱第12章半导体激光器的输出特性 12.3.1 纵模模谱注入电流在半导体激光器内部所引起的一些物理过程如图12.8所示。注入电流使半导体材料形成有源区，非平衡载流子的复合将形成自发发射和受激发射，在有源区中形
9、成一定的光子数密度。相应的多模速率方程为(12-15)(12-16)第12章半导体激光器的输出特性 图12.8 注入电流在激光器内引起的一些物理过程第12章半导体激光器的输出特性 式中N 为注入载流子浓度，J 为注入电流密度，gq为q阶模增益，Sq为q阶模的光子数密度，c为腔损耗，s为自发辐射寿命，为自发发射因子(表示一个谐振模的光能量与总的自发辐射光能量之比)，为模场限制因子。在抛物线增益谱近似中gq为(12-17)第12章半导体激光器的输出特性 gp是由式(10-29)决定的增益系数。由单模光子数方程可得Sq为(12-18)从半导体激光器输出端面输出的q阶模的光功率为(12-19)第12章
10、半导体激光器的输出特性 12.3.2 影响纵模谱的因素 1.自发发射因子 的影响 定义为一个谐振模式的光能量与总的自发辐射光能量之比，表示为(12-20)第12章半导体激光器的输出特性 图12.9 腔长250 m、输出功率2 mW 的激光器的模谱第12章半导体激光器的输出特性 图12.10 半导体激光器在不同工作电流下的模谱第12章半导体激光器的输出特性 2.纵模谱与电流密度的关系当半导体激光器具有标准腔长250 m 和典型的=10-4时，不同工作电流Iop情况下的纵模谱如图12.10所示。3.器件结构对模谱的影响侧向折射率波导激光器比增益波导结构激光器具有更好的纵模特性。图12.11 表示的
11、是波长为780 nm 的两种侧向波导结构的纵模谱，第12章半导体激光器的输出特性 图12.11 折射率波导同增益波导纵模谱的比较第12章半导体激光器的输出特性 4.温度对模谱的影响 由于有源层材料的禁带宽度随温度增加而变窄，使激射波长发生红移，其红移量约为0.20.3 nm/，与器件结构和有源区材料有关。借此特性，可以用适当的温度变化来微调激光的峰值波长，以满足对波长要求严格的一些应用，也可利用温度来稳定激光器的工作波长。图12.12表示温度对峰值波长的影响。第12章半导体激光器的输出特性 图12.12 温度和功率引起波长红移第12章半导体激光器的输出特性 12.3.3 纵模与横模之间的关系如
12、前所述，纵模和横模的形成机理不同，但它们之间有着内在的联系和相互的影响，稳定的单纵模振荡必须有稳定的基横模工作。12.3.4 LD 的光谱线宽LD 时间相干性通常用它的光谱线宽来定量地表示，定义为光谱曲线半峰值处的全宽(FWHM)。第12章半导体激光器的输出特性 LD 线宽 与输出功率Pex的关系为(12-21)其中：为输出损耗；v 为群速度；g为增益，可用阈值gt表示；nsp为反映不完全的粒子数反转的自发发射因子，表示为(12-22)第12章半导体激光器的输出特性 图12.13 温度对激光器光谱线宽的影响 第12章半导体激光器的输出特性 12.4.1 速率方程为了简化分析，对半导体激光器有源
13、区作一些简化假设，如忽略载流子的侧向扩散，载流子、光子、粒子数反转在腔内均匀分布，自发辐射因子=1，光场限制因子=1 等。给出这些假设是为了更容易理解速率方程的物理意义，由多模速率方程组式(12-15)、式(12-16)得单模速率方程组为12.4 半导体激光器的动态特性 第12章半导体激光器的输出特性(12-23)(12-24)第12章半导体激光器的输出特性 在电子浓度N 和单个模内光子密度S 达到稳定值N0和S0时，由速率方程左端为零可得(12-25)(12-26)第12章半导体激光器的输出特性(1)当JJth时，S00，由式(12-25)有。将r代入自发发射速率Rsp可得(12-27)(2
14、)当J=Jth时，N0=Nth，由式(12-25)有。这时激光器开始产生受激辐射。第12章半导体激光器的输出特性(3)当JJth时，N0=Nth，由于增益饱和g=gth，如果忽略自发辐射对振荡模的贡献，可求出(12-28)(12-29)第12章半导体激光器的输出特性 需要指出的是，在上述讨论中，我们忽略了强光场对增益系数的影响。在阈值以上，随着光子密度的增加，粒子数反转程度要下降，增益系数也要线性减小。因此为保持g=gth，必须有一个满足以下条件的电子浓度的增量(12-30)第12章半导体激光器的输出特性 从电子与光子的饱和关系出发，式(12-29)可改写为(12-31)第12章半导体激光器的
15、输出特性 12.4.2 接通延迟和弛豫振荡当半导体激光器加上电脉冲后，产生的光脉冲相对于电脉冲会有延迟和瞬态振荡。为了解释这些现象，必须考虑有源区内载流子浓度N(t)和光子密度S(t)随时间的瞬态变化。可以用速率方程以数值法计算激光器加上台阶电脉冲后的响应曲线，得到N(t)、S(t)在瞬态过程中的变化，计算结果如图12.14所示。第12章半导体激光器的输出特性 图12.14 结形半导体激光器中的瞬态过程第12章半导体激光器的输出特性 由于td比tn和tN大得多，td近似等于载流子的复合时间r(约23 ns)，所以激射脉冲的延迟可取为有源区载流子的初始积累时间td。在低于阈值下求解式(12-23
16、)，即忽略受激辐射、电流扩展和载流子扩散，可以得到对高掺杂有源区内载流子速率方程为(12-32)第12章半导体激光器的输出特性 设注入电流为理想的阶跃函数，且N(0)=0，则式(12-32)的解为(12-33)定义t=td时，有N=Nth，代入式(12-33)得延迟时间td为(12-34)第12章半导体激光器的输出特性 12.4.3 调制特性至今，半导体激光器几乎已经是光纤通信系统中唯一的光源。其主要优点之一是通过改变工作电流就可以进行信号的直接调制，也使激光器与调制用电子电路有可能实现单片集成。半导体激光器的调制特性与器件结构有密切的关系，调制带宽受制于器件弛豫振荡和电学寄生参数。半导体激光
17、器的调制方式有强度调制(IM)、频率调制(FM)、相位调制(PM)之分。第12章半导体激光器的输出特性 12.4.4 噪声特性 1.强度调制噪声强度调制噪声产生于自发发射涨落。分析表明，总的强度调制噪声功率反比于正常的偏置水平，即工作偏置电流越高，强度调制噪声功率越低，噪声谱则更宽。除量子噪声外，载流子浓度的涨落也能产生噪声。载流子涨落产生的噪声比内在的量子噪声大，所以通常测量出来的是前者强度噪声的功率谱密度，该功率谱密度分布有一个谐振峰值，如图12.15 所示。第12章半导体激光器的输出特性 图12.15 单纵模激光器强度调制噪声的功率谱密度第12章半导体激光器的输出特性 2.频率调制噪声频率调制噪声的成分及产生原因从图12.16表示的频率调制噪声功率密度谱就可以看出。第12章半导体激光器的输出特性 图12.16 单纵模激光器频率调制噪声的功率谱密度第12章半导体激光器的输出特性 3.其他噪声源对于半导体激光器，即使静态是单模工作，也还存在其他噪声源，它们是模分配噪声(Mode-Partition Noise)、反射光波噪声(Reflected Lightwave Noise)及跳模噪声(Mode Hopping Noise)。1)模分配噪声2)反射光波噪声 3)跳模噪声