半导体激光器介绍
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半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 温度特性
同质结、异质结结构示意图 为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。
4. 半导体激光器基本结构
3）、双异质结（DH）半导体激光器
图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不 同的光波长。 结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有 源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三 层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构
LD的发光过程
• 注入电流，即注入载流子； • 在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少 数电子自发跃迁到价带，产生光子； • 1 个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释 放出 2 个相干光子，持续这个过程，直到释放出 多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大； • 光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工 作。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物 质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
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
电流 金属接触 100μm P型
N型
有源层
200μm 解理面
300μm
大面积半导体激光器
4. 1）、同质结半导体激光器
PN能带
正向电压V时形成的双简并能带 结构
− + Eg EF − EF V = e e
所加的正向偏压必须满足
PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作
4.
2）、异质结半导体激光器
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L = m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔
注入电流
解理面
有源区
解理面
L
R1
增益介质
R2
z=0
z=L
法布里－珀罗腔
激光稳定工作的条件2：光增益等于或大于总损耗
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。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为 工作模式，即在该频率上形成激光输出。
获得粒子数反转分布
增益区（作用区）的产生：
在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加 电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方 向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子 数反转分布，见图3.3(c)。
受激辐射和自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生 的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同， 这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其 频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种 光称为非相干光。 受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件， 即
产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位
(1)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会 自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐 射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图6－15(a)。
(2)受激辐射
在高能级E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐 射，见图6－15(b)。 (3)受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图6－15(c)。
内部电场
PN P区 结空 间电 荷区 N 区
（a) P-N结内载流子运动；
扩散
能量
p
漂移
n
E
c
E
c
P 区 E
f
势垒 (b) 零偏压时P-N结 的能带倾斜图
N 区
n p
E
v
E
图 3.3 PN
v
p
E
c n
E
c n
h f
h f
p
E
fLeabharlann Ef pE
v
n
E
v
内部电场 外加电场
电子， 空穴
正向偏压下P-N结能带图
4. 半导体激光器基本结构
驱动电源
注入式
光子激励 电子束激励
工作物质
PN结（同质结） 异质结 解理面
布拉格反馈
单异质结 双异质结（DH）
谐振腔
分布反馈式DFB 分布布拉格反射式DBR
4. 1）、同质结（PN结）半导体激光器
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、 P型和N型限制层构成，如下图所示。
Ef Ev
在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分 布
(a)
(c)
1 p( E ) = E − Ef 1 + exp( ) kT
(3.3)
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能 级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用 E f 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为 1 1 ln γth =α+ 2 L R1R2 式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
L= m 或 = 2nL 2n m
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 … 称为纵模模数。 在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。 有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光 腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有 一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
～ 5%
(d)
P 光
图 3.6
DH
(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg 式中， f=c/λ， f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
能量 Eg /2 Eg Eg /2 导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
Ef Ev
(a)
(c)
图 3.2 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
能量 Eg /2 Eg Eg /2
导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系 数(吸收和辐射的概率)相等。
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物 质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制 在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很 低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
(a)
＋
P Ga1 － Al As x x
P GaAs
N Ga1 － Al As y y 电子
－
(b)
E 能 量
复合
空穴 n 折 射 率
异质 势垒
(c)
在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空 穴复合，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的 非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。
产生粒子数反转分布的条件：
n p Eg EF − EF V = q q
3
工作物质
EC
光 增 益
EV
产生激光的必要条件三：有光学谐振腔
3
激光振荡的产生
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1
6.3.1
半导体激光器工作原理和基本结构
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。 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，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
DH激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空 穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
同质结、异质结结构示意图 为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。
4. 半导体激光器基本结构
3）、双异质结（DH）半导体激光器
图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不 同的光波长。 结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有 源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三 层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构
LD的发光过程
• 注入电流，即注入载流子； • 在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少 数电子自发跃迁到价带，产生光子； • 1 个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释 放出 2 个相干光子，持续这个过程，直到释放出 多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大； • 光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工 作。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物 质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
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
电流 金属接触 100μm P型
N型
有源层
200μm 解理面
300μm
大面积半导体激光器
4. 1）、同质结半导体激光器
PN能带
正向电压V时形成的双简并能带 结构
− + Eg EF − EF V = e e
所加的正向偏压必须满足
PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作
4.
2）、异质结半导体激光器
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L = m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔
注入电流
解理面
有源区
解理面
L
R1
增益介质
R2
z=0
z=L
法布里－珀罗腔
激光稳定工作的条件2：光增益等于或大于总损耗
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。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为 工作模式，即在该频率上形成激光输出。
获得粒子数反转分布
增益区（作用区）的产生：
在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加 电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方 向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子 数反转分布，见图3.3(c)。
受激辐射和自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生 的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同， 这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其 频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种 光称为非相干光。 受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件， 即
产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位
(1)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会 自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐 射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图6－15(a)。
(2)受激辐射
在高能级E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐 射，见图6－15(b)。 (3)受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图6－15(c)。
内部电场
PN P区 结空 间电 荷区 N 区
（a) P-N结内载流子运动；
扩散
能量
p
漂移
n
E
c
E
c
P 区 E
f
势垒 (b) 零偏压时P-N结 的能带倾斜图
N 区
n p
E
v
E
图 3.3 PN
v
p
E
c n
E
c n
h f
h f
p
E
fLeabharlann Ef pE
v
n
E
v
内部电场 外加电场
电子， 空穴
正向偏压下P-N结能带图
4. 半导体激光器基本结构
驱动电源
注入式
光子激励 电子束激励
工作物质
PN结（同质结） 异质结 解理面
布拉格反馈
单异质结 双异质结（DH）
谐振腔
分布反馈式DFB 分布布拉格反射式DBR
4. 1）、同质结（PN结）半导体激光器
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、 P型和N型限制层构成，如下图所示。
Ef Ev
在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分 布
(a)
(c)
1 p( E ) = E − Ef 1 + exp( ) kT
(3.3)
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能 级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用 E f 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为 1 1 ln γth =α+ 2 L R1R2 式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
L= m 或 = 2nL 2n m
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 … 称为纵模模数。 在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。 有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光 腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有 一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
～ 5%
(d)
P 光
图 3.6
DH
(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg 式中， f=c/λ， f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
能量 Eg /2 Eg Eg /2 导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
Ef Ev
(a)
(c)
图 3.2 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
能量 Eg /2 Eg Eg /2
导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系 数(吸收和辐射的概率)相等。
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物 质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制 在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很 低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
(a)
＋
P Ga1 － Al As x x
P GaAs
N Ga1 － Al As y y 电子
－
(b)
E 能 量
复合
空穴 n 折 射 率
异质 势垒
(c)
在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空 穴复合，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的 非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。
产生粒子数反转分布的条件：
n p Eg EF − EF V = q q
3
工作物质
EC
光 增 益
EV
产生激光的必要条件三：有光学谐振腔
3
激光振荡的产生
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1
6.3.1
半导体激光器工作原理和基本结构
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。 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，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
DH激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空 穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
