校歷第十周計劃（10.28-11.3）：半導體激光器的工作原理

10.28

• 粒子反轉分布與光增益

為了在半導體雙異質結中心有源區能產生受激光發射，必須使凈受激發射速率大于凈受激吸收速率。

半導體中產生受激光發射的必要條件是對應非平衡電子和空穴的準費米能級之差應該大于受激發射的光子能量。

當滿足粒子數反轉條件時，凈受激發射速率為正值。這時光波通過處于該狀態的半導體時將獲得增益。粒子數程度越高，得到的增益越大。

• 閾值條件和增益分布

粒子反轉分布時，半導體材料從光吸收物質介質變成增益物質增益系數如下式所示。

閾值增益為?，當激光器達到閾值時，光子從每單位長度介質所獲得的增益必須足以抵消由于介質對光子的吸收，散射，等內部損耗，還有激光從腔面透射出來的部分。

隨著激勵水平的增加，能帶載流子數目增大，增益曲線的最大值向更高的光子能量處移動。

隨溫度的增高，費米能級附近占有幾率的變化平坦了，因此增益降低。

10.29

• 法布里-珀羅共振腔

用垂直于結面的兩個嚴格平行的晶體解離面作為天然反射鏡面，稱為法布里-珀羅共振腔。

當一定頻率的受激發射沿平行于結平面的方向在反射面間來回反射且最終形成兩列方向相反的波疊加時，就會在共振腔形成駐波。(兩個振幅、波長、周期皆相同的正弦波相向行進干涉而成的合成波)

受激輻射在共振腔內來回反射時，也會因吸收、散射及反射面透射等損耗，不過，注入電流則會使有源區內的受激輻射不斷增強，即使之獲得增益。而損耗和增益的消長決定著最終能否有激光的發射。把增益等于損耗時的注入電流密度稱為閥值電流密度。

10.30?

• 半導體的工作原理

建立起激射媒質(有源區)內載流子的反轉分布。即處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的電子數大很多。這是靠給異質結加正向偏壓，向有源層內注人必要的載流子來實現的。

有一個合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋而形成激光振蕩。對F-P腔半導體激光器很方便地可以利用晶體的【110】面作自然解理面來形成F-P腔。

為了形成穩定振蕩,激光媒質必須能提供足夠大的增益,使光增益等于或大于各種損耗之和。這就要求足夠強的電流注入，必須滿足一定的電流閾值條件。

10.31

• f-p腔半導體激光器的結構

F-P腔雙異質結半導體激光器的管芯結構如上圖所示，在x方向上，核心部分是異質結-有源區-異質結三層結構的平板波導結構。核心部分下面是襯底和歐姆接觸電極，上面是包層、帽層和上歐姆接觸電極。除此種結構外，還有大光腔（LOC）和分別限制異質結（SCH）兩種結構。其帶隙圖、折射率、和光強分布圖如下所示。

y方向上沒有任何側向載流子限制和光波導引結構的稱為寬接觸半導體激光器（效果不好，僅用來討論工作原理）。為獲得優良的性能，在激光有源區的側向（y向）必須加以載流子限制和波導引機制，這就形成了增益導引和折射率導引（又分為弱、強兩種）兩類激光器。側向導引機構的引入能使閾值電流降低，提高了電能向光能的轉換效率，改善散熱特性，減慢衰變過程。能夠大大改善模式特性。具體的側向限制結構種類如下圖：

z方向通常用襯底材料的（110）晶面作解理面以此形成F-P腔的諧振腔，并在腔面上蒸鍍抗反射或增投播磨以改善腔面光學性能。

11.1

• 條形激光器

為滿足激光器發射光束具有較小的發散角，小的色散，高的光譜純度等條件，半導體激光器必須是基橫模和基側模工作，甚至要求單縱模工作。為了獲得良好的光束特性和穩定的基橫模工作，必須在半導體激光器有源區平行于結平面的側向加進限制結構。即在y方向上加一個光增益限制區或是建立有折射率差的導引機構。

在垂直于結的x方向上，有源區被小折射率的上下包層（也叫限制層）限制著。在平行于結的y方向上兩側被無源區限制著。

這類結構的好處：1、注人載流子的側向限制和載流子側向擴散的限制以及輻射場的有效限制能使器件的閾值電流降低;2、能實現側向基模工作,易于和光纖實現高效率耦合;3、有源區產生的熱量能通過四個方向的無源區傳遞而逸散,改善器件的熱狀態;4、有源區尺寸小了，提高了材料均勻的可能性;5、減慢了激光器的退化過程;⑥提高了電能向光能的轉換效率。
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的半导体激光器的工作原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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