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　　光电器件基础第三章半导体激光器§3.1半导体激光器的基础理论§3.2半导体激光器的分类§3.3半导体激光器的基本结构§3.4几种常见的半导体激光器§3.5半导体激光器的基本特性§3.6量子阱激光器激光是1964年钱学森首先倡议对LASER一词的意译名。LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的首字母缩写，意思是光的受激发射放大”。激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为激光振荡器”。1962年砷化傢同质结激光二极管实现了脉冲激射。1963年H.Kroeme首先提出了用AIGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。1969年，前苏联的Zh.I.Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H.Kroemer和Zh.I.Alferov因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。本章着重介绍半导体激光器的基本原理、基本结构和基本特性。半导体激光器又称激光二极管（laserdiode,LD），是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：（1体积小，重量轻；（2驱动功率和电流较低；（3效率高，工作寿命长；（4可直接电调制；（5易于与各种光电子器件实现光电子集成；（6与半导体制造技术兼容，可大批量生产。由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低温（77K）脉冲运转发展到室温连续工作，工作波长从最开始的红外、红光扩展到蓝紫光，阈值电流由105A/cm2量级降至102A/cm2量级，工作电流最小到亚mA量级，输出功率从最初的几mW到现在的阵列器件输出功率达数kW，结构从同质结发展到单异质结、双异质结米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型（DFB）、分布布拉格反射型（DBR）等270多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延（LPE）、气相外延（VPE）、金属有机化合物淀积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、化学束外延（CBE）等多种制备工艺。§3.1半导体激光器的基础理论3.1.1激光器的三大要素广义而言，无论是固体激光器、气体激光器还是半导体激光器以及别的激光器，若要发出激光，必须满足三个基本条件：（1能产生激光的物质。如镱铝石榴石（YAG）、He-Ne气体、GaAs晶体等，它们都具有一定的能级或能带结构和载流子复合速率等。对于半导体来说，直接带隙半导体的发光效率比间接带隙半导体高3个数量级，因此只有直接带隙半导体材料才能制作激光器。（2粒子数反转。在通常的情况下，高能态上的粒子数总是比低能态上的粒子数少许多。这就像地球上的水总会向下流淌，高处的水总是比低处的水少许多，这就是水的正常分布。可是人们可以通过某种方式，比如农田里的水泵，把江河湖海中的水抽送（泵浦）到高处的田地里。我们同样可以采取某些措施，比如光照、高压放电、电流注入、化学反应等不同方式把能量转换给能产生激光的物质，使其中的粒子由低能态泵浦到高能态。如果泵浦能力足够强，使位于高能态上的粒子数目远远大于该温度下平衡时低能态上的粒子数，从而实现粒子数反转。假定在半导体材料中存在有两个能级E1和E2，并且E2

　　E1,分布于这两个能级上的电子数分别为N1和N2。如果采用电注入或其他泵浦方式使得N2

　　N1,则实现了粒子数反转。（3谐振腔。谐振腔对合适波长的光产生正反馈，使其获得足够大的增益，克服内部和端面的损耗，从而发生谐振，产生激光振荡。谐振腔的作用犹如部队的连长，它的口令使得全连战士的步伐整齐一致，非常有力。谐振腔起到了产生反馈、选择波长、形成谐振、发出激光的作用。在各种半导体材料中，凡是能带结构为直接带隙的半导体材料都适合于制作激光器，也就是说，它们是合适的激光物质；半导体的泵浦方式有光照、电子束激发和通过pn结注入载流子等许多种，前两种泵浦方式的效率不高，而pn结注入是很简便的方式。特别是异质结构具有高注入比和超注入等优异特性，可以非常方便有效地在半导体结构中实现载流子数目的反转；半导体晶体的（110）面很容易解理，这些解理面相互平行，又有一定的反射率，因而通过解理的方法很容易地就形成了谐振腔。当然也可以通过周期性的光栅、布拉格反射器等方式制成性能更好的谐振腔。总之，直接带隙材料、电注入实现粒子数反转和谐振腔这三大要素构成了半导体激光器的基本支柱，成为研究半导体激光器的三个重点。3.1.2自发辐射和受激辐射在2.1.1节我们曾经讨论了半导体材料中辐射复合的概念，辐射复合又可以分为自发辐射和受激辐射两种类型，如图2.1（b和（c所示。自发辐射和受激辐射的概念最早是由爱因斯坦于1916年提出来的。在半导体中注入载流子，其位于导带或施主能级上的电子同价带或受主能级上的空穴复合时，便发出能量hv=E2E1的光，其中E1和E2分别表示低能态能级和高能态能级。由于这种复合过程是随机的，电子-空穴对复合时产生光子的波长、相位等彼此不相关，是一种自发性的行为，因此称之为自发辐射。自发辐射所产生光波的光谱较宽，相位不一致，没有偏振性，输出的光功率也较弱。前面讲的发光二极管的发光过程就是典型的自发辐射。如果半导体中正在传播一个光子，其能量正好等于E2-E1,并且它没有被E1能级上的电子所吸收（没有发生光吸收过程），而是诱发已在E2上的电子向下跃迁，同E1能级上的空穴复合，产生一个新的光子。由于这一过程是前一个光子诱发的结果，因此后一个光子的能量、相位、偏振等特性与前一个光子完全相同。这种受前一个光子诱发而发生的辐射复合过程称之为受激辐射。同自发辐射形成对照的是：受激辐射的光谱窄，相位一致，有偏振方向，光输出功率大。3.1.3半导体激光器粒子数反转的条件半导体中的电子是依照费米-狄拉克统计规律而分布在价带中和导带中的不同能态上，这是电子的正常分布。费米-狄拉克统计公式表示为1exp1(-??????????????-+=TkEEEfBF，(3.1其中EF为材料的费米能级，kB为玻耳兹曼常数，T为温度。从费米分布公 式看出，电子优 先占据能量较低的能级，从低能态到高能态依次填充。 设定在一定的温度下，系统处于非平衡状态。应用电子和空穴的准费米能级 E Fn 和E Fp，则电子占据导带或价带中某一能级 E 的概率f c (E 和f v (E 分别为 1 exp 1 (-?????? ???????? -+=T k E E E f B Fn c，(3.2 1 exp 1 (-?????? ???????? -+=T k E E E f B Fp v， (3.3 同时，未被电子占据的概率分别为［1- fc (E ］和［1- fv (E ］。 若用能量h v能流密度为I (h 的光子束照射半导体系统，则必然同时引起 光吸收和受激辐射过程。现分别讨论辐射率和吸收率。因为受激辐射是导带上能量 为E 的电子跃迁到价带中能量为E -h 曲勺空能级的过程，因此，辐射率应与导带上 能态密度N c (E 和电子占据概率f c (E 的乘积成正比，而且还与价带上能态密度 N v (E -h V口未被电子占据概率[1- fv (E -h V的乘积成正比。对全部能量范围积分， 可求得总的辐 射率W r 为 / ---X dE h I h E f h E N E f E N W v v c c r(](1[( ( ( 。(3.4 VVV 与受激辐射相反，吸收是价带中能量为 E -h 的电子跃迁到能量为E 的导带空 能级上的过程，用相同的处理，求得总吸收率应为 / ---XdE h I E f E f E N h E f h E N W c c c v v a (](1[( ( ( ( 。(3.5 显然，要达 vv 到分布反转(光量子放大)，必须有 W r

　　Wa，从上面两个公式中可以得 出](1[(](1[(E f h E f h E f E f c v v c --

　　-- 。(3.6 把费米分布公式代入到式(3.6 中，经化简后得到 V h E E Fp Fn

　　，(3.7 上式是本征跃迁时，受激辐射超出吸收的必要条件，也 就是达到分 布反转的必要条件。这说明，要产生受激辐射，必须使电子和空穴的准 费米能级之差大于入射光子 能量 h v同时，受激辐射发生的光子，其能量必须是 h v

　　E，所以 g Fp Fn E h E E 综

　　(3v8 在分布反转下，若有能量为h 的光子束通过半导 体，且h 满足上式，则受激辐射占主导地位，可以得到光量子放大。式 (3.8 的物 理意义在于，其导带中电子的准费米能级 E Fn 同价带中空穴的准费米能级 E Fp 之 差应当大于该材料的禁带宽度 E g，如图3.1 所示。因此，在半导体 激光器中，有源区常常采用重掺杂，其浓度足够高，常常形成杂质带。杂质带 与导带底或价 带顶相连，构成杂质尾带。当外加正向偏压时，注入 进来的电子或空穴很容易使带尾的能态填满。也 就是说，电子的准费米能级很容易进入导带，空穴的准费米能级很容易进入价 带，从而使电子和 空穴的准费米能级之差E Fn - E Fp 大于该材料的禁 带宽度Eg，很容易实现粒子数反转，满足光增益 条件，发射出强的激光。 3.1.4 半导体激光器的阈值条件 因为受激光发射具有频率相同、位相相同、偏振方向相同和传播方向相同的特 点，所以每一 对电子-空穴对受激发射产生的光相互之间可以发生干涉，只要参加 干涉的光子足够多，就能得到 单色性和方向性极好的强光，称之为激光。使介质变 成增益介质只是提供了产生激光的前提，而要 使激光能够出现还必须有一个谐振 腔，使光在谐振腔中反复加强。 谐振腔的种类很多，半导体激光器中最常用的谐振腔是两块平行晶面组成的谐 振腔，称为E k E Fn E Fp 图3.1 满足粒子数反转的理想能带结构 法布里-帕罗谐振腔，如图3.2 所示。 设镜面1 和镜面2 的透射率及发射率分别为t 1、r 1、t 2、r 2,谐振腔的腔长 为L。从左边入 射进来的光的原始电场强度为 E i，进入镜面后变为t 1E i，沿着 腔传播到镜面2 时变为t 1E i exp(- r L，r 为复数传播常数，它包括相位改变和衰减 (或增益)两部 分。到达镜面 2 的光的一部分t 1 t 2E i exp(- r L 穿出镜面2,而另 一部分t 1 r 2E i exp(- r L 反射 回去。当这一部分再回镜面 1 时变为t 1 r2E i exp(- 2r L。又有一部分穿出镜面1,另一部分反射回谐振腔中。依次类推，光经过多次 反射后从右边出来 的光的总电场强度 E t 应为 ]4exp( 2exp(1[exp(2 2212121L +-+-+-= r L r r r L r r r L Et (狂9 得到 2exp(1 exp(2121 r L r r r L t t E E i。-(3.10 当镜面1 左边没有输入而镜面 2 右边还有很强 的输出时，达到了自激振荡的条件，即激光出现了。由公式 (3.10 知 道，在E i = 0 的条件下，要 使E t 工,0 只有使括号内的分母为零，即 1 2exp(21=- r L r r。(3.11a 这个公式就是激光出现的阈值条件。复数传播常数 一般可以写