【正文】 N區(qū)的電子向 P區(qū)擴散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區(qū)域 。這樣一來，載流子擴散運動的結果形成了一個空間電荷區(qū) /結區(qū) 。空間電荷區(qū)的電場方向由 N區(qū)指向 P區(qū)，這個電場稱為“ 自建電場 /內(nèi)建電場 ”，與外加電場相反。 內(nèi)建電場 在 P型半導體中存在大量帶正電的空穴，同時還存在著等量的帶負電的電離受主，它們的電性相互抵消而表現(xiàn)出 電中性 。 在 N型半導體中存在大量帶負電的電子，同時還存在著等量的帶正電的電離施主，它們的電性相互抵消而表現(xiàn)出 電中性 。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 24 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 自建電場逐漸加強，直到漂移運動（自建電場引起）完全抵消了擴散運動，從而使 PN結達到 動態(tài)平衡狀態(tài) （熱平衡狀態(tài)），客觀上沒有電流通過。 2. PN結的能帶（熱平衡狀態(tài)） 由于一個熱平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級，這就要求原來在 P區(qū)和 N區(qū)高低不同的費米能級達到相同的水平。在走向熱平衡狀態(tài)的過程中，費米能級趨向同一高度，如果 N區(qū)的能級位置不變，那么 P區(qū)的能級應該提高，從而使 PN結的 能帶發(fā)生傾斜彎曲 。 PN結能帶的彎曲正 反映了空間電荷區(qū)的存在 。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 25 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 廣東海洋大學理學院 光纖通信 26 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建場從 N區(qū)指向 P區(qū)，這說明 P區(qū)相對于 N區(qū)為負電荷，用 VD來表示，叫做 接觸電位差/PN結的勢壘高度 ， P區(qū)所有能級的電子都附加了位能，其值為 (e0).(VD)=e0 VD，從而使 P區(qū)的能帶相對于 N區(qū)來說提高了 e0 VD。 3. 正向偏置下 (PN結施加正向電壓 )形成增益區(qū) /有源區(qū) 正向電壓施加以后，削弱了原有內(nèi)建電場，使勢壘降低。如果 N區(qū)的能帶還保持不變，則 P區(qū)的能帶應向下移動，下降的數(shù)值應為 e0 V （ V VD ）。在這種非熱平衡狀態(tài)下，費米能級隨之發(fā)生了分裂，在 PN結出現(xiàn)了兩個費米能級， N區(qū)和 P區(qū)的費米能級分別為 Efc和 Efv 。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 27 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導體光源的工作原理 正向偏置的作用下，熱平衡狀態(tài)被破壞，外加電場區(qū)（正向電壓形成）使空穴向 N區(qū)運動，電子向 P區(qū)運動，在 PN結形成一個特殊的 增益區(qū) /有源區(qū) 。在增益區(qū)，導帶的多數(shù)載流子是電子，價帶的多數(shù)載流子是空穴，結果形成 粒子數(shù)反轉分布 。 在滿足粒子數(shù)反轉條件的情況下，當 Eghυ (Efc Efv )時（ 自發(fā)輻射的光波 ），則光子能量為 hυ的這束光波經(jīng)過雙兼并型半導體時將被放大。 增益區(qū) P + N Efc Efv hυ 廣東海洋大學理學院 光纖通信 28 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 一、形成激光振蕩的條件 1. 知識回顧 —激光產(chǎn)生的三個條件 ?能夠產(chǎn)生激光的 工作物質 ； ?能夠使工作物質處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的 泵浦源 ；（激活物質） ?能夠完成頻率選擇及反饋作用的 光學諧振腔 。 工作物質在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉分布，成為 激活物質 （將處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的物質稱為激活物質 /增益物質），從而有光的放大作用。 激活物質和光學諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的 必要條件 。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 29 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 2. 半導體激光器形成激光振蕩條件 ?工作物質 重摻雜的雙兼并型 PN結； ?激活物質 /增益物質 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉分布； 正向偏置的重摻雜 PN結。 ?光學諧振機制 提供正反饋，并且在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。 當 PN結加上正向電壓后， P區(qū)和 N區(qū)注入的非平衡載流子在擴散過程中不斷地復合，這種電子 — 空穴復合發(fā)出熒光（自發(fā)輻射），形成半導體激光器中的 初始光場 。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 30 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 半導體激光器的 初始光場 由于來源于導帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬、方向也雜亂無章，此時必須有 光學諧振機制 對光的 頻率和方向進行選擇 ，以獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 光學諧振機制 諧振腔 ：晶體的天然解理面形成FP腔。 有源區(qū)一側的 波紋結構 ： DFB（分布反饋）、 DBR（分布布拉格反射）。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 31 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 二、 FP腔半導體激光器 1. 原理結構 FP諧振腔是一種最簡單的光學反饋裝置，它由一對平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導體晶體材料的天然解理面：高度平行）組成 。 作用： ①選擇方向；②建立起穩(wěn)定的振蕩。 穩(wěn)定的光振蕩需要滿足什么樣的條件？ P側 (+) N側 () 前鏡面 后鏡面 L 熱沉（銅） 廣東海洋大學理學院 光纖通信 32 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 （ 1）光振蕩需要滿足的相位條件 一束光（一個光子）走一周的相位 因此，只有確定波長的光能在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的振蕩，使激光器的發(fā)射光譜呈現(xiàn)出譜線尖銳的結構。 ? ?2 2 1 , 2 , 3L q q? ? ?? ? ? ? ? ?縱 模 模 數(shù) ， 相 位 常 數(shù)? ?222 1 , 2 , 3 ,L n k qnLqqn??? ? ?? ? ? ???是 激 活 物 質 的 折 射 率廣東海洋大學理學院 光纖通信 33 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 由相位條件導出縱模的頻率間隔或波長間隔為 （ 2）建立穩(wěn)定振蕩的閾值條件 /振幅條件 光在 FP諧振腔內(nèi)的傳播同時受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用 一方面，在外部激勵源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉的有源區(qū)，往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射，使得 光信號不斷增強 ； 另一方面，腔內(nèi)也存在著 損耗 ，例如鏡面的反射損耗（鏡面反射率總是小于 1）、工作物質的吸收和散射損耗等。 2cfLn??22Ln????廣東海洋大學理學院 光纖通信 34 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 閾值條件的物理意義： 當光信號往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化時稱為達到閾值狀態(tài)。如果用光強（光功率）來衡量信號的強弱，那么閾值條件用公式表示 ? th為閾值增益系數(shù)， α為諧振腔內(nèi)部工作物質的強度損耗系數(shù)， R1和 R2是鏡面的反射系數(shù)。 ( ) 2 12 1th Le R R??? ? 1211ln2th L R R??? ? ? 廣東海洋大學理學院 光纖通信 35 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 FP腔激光器的基本原理 廣東海洋大學理學院 光纖通信 36 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 2. 雙異質結（ DH）結構 — 實際應用型結構 實際上， FP腔激光二極管從結構上可分為3種，如下圖所示 廣東海洋大學理學院 光纖通信 37 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 （ 1）同質結半導體激光器 核心部分是 一個 PN結，由結區(qū)發(fā)出激光。 缺點是 閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實用。 （ 2）異質結半導體激光器 異質結半導體激光器包括 單異質結 和 雙異質結 半導體激光器兩種。 異質結半導體激光器的 “結” 是由不同的半導體材料制成，目的是 降低閾值電流 ， 提高效率 。 特點是 對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強度。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 38 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 目前，光纖通信用的激光器大多采用銦鎵砷磷（ InGaAsP） 雙異質結 條形激光器。 NInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū) 有源區(qū)，其上、下兩層稱為 限制層 ，它們和有源區(qū)構成光學諧振腔。限制層和作用層之間形成 異質結 。最下面一層 NInP是襯底，頂層P+InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。早期的是 GaAs、 GaAlAs。 前后兩個 晶體解理面作為反射鏡構成 (FP)諧振腔 . 窄帶隙材料 寬帶隙材料 廣東海洋大學理學院 光纖通信 39 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 E 電 子空 穴異 質 勢 壘復 合限 制 層 有 源 層 限 制 層Eg Eg? Eg? ~5% 能帶 折射率 光強 廣東海洋大學理學院 光纖通信 40 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 因此，從能帶圖可以看出，窄帶隙的有源區(qū)材料被夾在寬帶隙之間，施加正向電壓以后，注入到有源區(qū)的電子和空穴被限制在有源區(qū)內(nèi)形成反轉粒子分布，有源區(qū)電子 空穴對復合輻射出激光。 異質結的優(yōu)點： ?帶隙差形成的勢壘對載流子起限制作用，阻止了有源區(qū)里的載流子逃離出去，此時 只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益； ?有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被束縛在有源層內(nèi)。（折射率差由帶隙差決定，約 5%） 結果： DH半導體激光器的閾值電流很低，散熱量很小，可在室溫下持續(xù)工作，而且電 /光轉換效率很高。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 41 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 （ 3） 量子阱半導體激光器 量子阱激光器 與一般雙異質結激光器類似 ，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質結器件。 理論分析表明，當有源區(qū)的厚度非常小時，則在有源層與兩邊相鄰層的 能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象 ，在有源區(qū)的異質結將產(chǎn)生一個 勢能阱 ，因此將產(chǎn)生這種 量子效應的激光器 結構中這種“阱”的作用使得電子和空穴被限制在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉分布的 濃度很高 。量子阱半導體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激光器。 廣東海洋大學理學院 光纖通信 42 2022年 2月 11日星期五 量子阱半導體激光器： 167。 43 半導體激光器 廣東海洋大學理學院 光纖通信 43 2022年 2月 11日星期五 超晶格量子阱半導體激光器的特性： ? 閾值電流低； ? 波長可調諧； ? 線寬窄，頻率啁啾低； ? 調制速率高； ? 溫度穩(wěn)定性強。 167。 43 半導體激光器 廣東海洋大學理學院 光纖通信 44 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 三、 分布反饋 (DFB)和分布布拉格反射 (DBR)半導體激光器 1. 結構特點 特點： 激光振蕩不是由反射鏡提供，而是折射率周期性變化的波紋光柵（波紋結構：在 有源區(qū)一側生長波紋結構 ，可以取不同形狀，如正弦、三角或方波）提供。 注入電流 注入電流 波紋光柵 廣東海洋大學理學院 光纖通信 45 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導體激光器 ?DFB激光器是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的 單縱模激光器 ，即在高速調制下仍能單縱模工作的半導體激光器。 ?DFB激光器是在異質結激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構成的。 ?DFB激光器的結構和工作原理 (基于 布拉格反射原理 )與DBR激光器類似 (閾值電流要比 DFB激光器的 )，不同的是 DBR激光器的波紋結構在 有源區(qū)的外面 ，從而避免光柵制作過程中造成晶格損傷。 布拉格反射是指 當光波入射到兩種不同介質的交界面時，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射。 在有源區(qū)的一側或兩側加了一段分布式布拉