【正文】 N區(qū)的電子向 P區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個(gè)帶正電的區(qū)域 。這樣一來(lái)，載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果形成了一個(gè)空間電荷區(qū) /結(jié)區(qū) ?？臻g電荷區(qū)的電場(chǎng)方向由 N區(qū)指向 P區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為“ 自建電場(chǎng) /內(nèi)建電場(chǎng) ”，與外加電場(chǎng)相反。 內(nèi)建電場(chǎng) 在 P型半導(dǎo)體中存在大量帶正電的空穴，同時(shí)還存在著等量的帶負(fù)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(dǎo)體中存在大量帶負(fù)電的電子，同時(shí)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(xué)理學(xué)院 光纖通信 24 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 自建電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，直到漂移運(yùn)動(dòng)（自建電場(chǎng)引起）完全抵消了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而使 PN結(jié)達(dá)到 動(dòng)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(jié)的能帶（熱平衡狀態(tài)） 由于一個(gè)熱平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，這就要求原來(lái)在 P區(qū)和 N區(qū)高低不同的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到相同的水平。在走向熱平衡狀態(tài)的過程中，費(fèi)米能級(jí)趨向同一高度，如果 N區(qū)的能級(jí)位置不變，那么 P區(qū)的能級(jí)應(yīng)該提高，從而使 PN結(jié)的 能帶發(fā)生傾斜彎曲 。 PN結(jié)能帶的彎曲正 反映了空間電荷區(qū)的存在 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 25 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 26 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建場(chǎng)從 N區(qū)指向 P區(qū)，這說明 P區(qū)相對(duì)于 N區(qū)為負(fù)電荷，用 VD來(lái)表示，叫做 接觸電位差/PN結(jié)的勢(shì)壘高度 ， P區(qū)所有能級(jí)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(duì)于 N區(qū)來(lái)說提高了 e0 VD。 3. 正向偏置下 (PN結(jié)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(chǎng)，使勢(shì)壘降低。如果 N區(qū)的能帶還保持不變，則 P區(qū)的能帶應(yīng)向下移動(dòng)，下降的數(shù)值應(yīng)為 e0 V （ V VD ）。在這種非熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí)隨之發(fā)生了分裂，在 PN結(jié)出現(xiàn)了兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)， N區(qū)和 P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)分別為 Efc和 Efv 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 27 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)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(chǎng)區(qū)（正向電壓形成）使空穴向 N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向 P區(qū)運(yùn)動(dòng)，在 PN結(jié)形成一個(gè)特殊的 增益區(qū) /有源區(qū) 。在增益區(qū)，導(dǎo)帶的多數(shù)載流子是電子，價(jià)帶的多數(shù)載流子是空穴，結(jié)果形成 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 。 在滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件的情況下，當(dāng) Eghυ (Efc Efv )時(shí)（ 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(dǎo)體時(shí)將被放大。 增益區(qū) P + N Efc Efv hυ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 28 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 一、形成激光振蕩的條件 1. 知識(shí)回顧 —激光產(chǎn)生的三個(gè)條件 ?能夠產(chǎn)生激光的 工作物質(zhì) ； ?能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的 泵浦源 ；（激活物質(zhì)） ?能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫?光學(xué)諧振腔 。 工作物質(zhì)在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為 激活物質(zhì) （將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為激活物質(zhì) /增益物質(zhì)），從而有光的放大作用。 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的 必要條件 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 29 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 2. 半導(dǎo)體激光器形成激光振蕩條件 ?工作物質(zhì) 重?fù)诫s的雙兼并型 PN結(jié)； ?激活物質(zhì) /增益物質(zhì) 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 正向偏置的重?fù)诫s PN結(jié)。 ?光學(xué)諧振機(jī)制 提供正反饋，并且在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。 當(dāng) PN結(jié)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(kuò)散過程中不斷地復(fù)合，這種電子 — 空穴復(fù)合發(fā)出熒光（自發(fā)輻射），形成半導(dǎo)體激光器中的 初始光場(chǎng) 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 30 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器的 初始光場(chǎng) 由于來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬、方向也雜亂無(wú)章，此時(shí)必須有 光學(xué)諧振機(jī)制 對(duì)光的 頻率和方向進(jìn)行選擇 ，以獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 光學(xué)諧振機(jī)制 諧振腔 ：晶體的天然解理面形成FP腔。 有源區(qū)一側(cè)的 波紋結(jié)構(gòu) ： DFB（分布反饋）、 DBR（分布布拉格反射）。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 31 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 二、 FP腔半導(dǎo)體激光器 1. 原理結(jié)構(gòu) FP諧振腔是一種最簡(jiǎn)單的光學(xué)反饋裝置，它由一對(duì)平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導(dǎo)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(cè) (+) N側(cè) () 前鏡面 后鏡面 L 熱沉（銅） 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 32 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 1）光振蕩需要滿足的相位條件 一束光（一個(gè)光子）走一周的相位 因此，只有確定波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)。 ? ?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(zhì) 的 折 射 率廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 33 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 由相位條件導(dǎo)出縱模的頻率間隔或波長(zhǎng)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(shí)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(lì)源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(hào)不斷增強(qiáng) ； 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(zhì)的吸收和散射損耗等。 2cfLn??22Ln????廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 34 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 閾值條件的物理意義： 當(dāng)光信號(hào)往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化時(shí)稱為達(dá)到閾值狀態(tài)。如果用光強(qiáng)（光功率）來(lái)衡量信號(hào)的強(qiáng)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(zhì)的強(qiáng)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(xué)理學(xué)院 光纖通信 35 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 FP腔激光器的基本原理 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 36 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 2. 雙異質(zhì)結(jié)（ DH）結(jié)構(gòu) — 實(shí)際應(yīng)用型結(jié)構(gòu) 實(shí)際上， FP腔激光二極管從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如下圖所示 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 37 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 核心部分是 一個(gè) PN結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。 缺點(diǎn)是 閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。 （ 2）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器包括 單異質(zhì)結(jié) 和 雙異質(zhì)結(jié) 半導(dǎo)體激光器兩種。 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的 “結(jié)” 是由不同的半導(dǎo)體材料制成，目的是 降低閾值電流 ， 提高效率 。 特點(diǎn)是 對(duì)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(qiáng)度。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 38 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)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(zhì)結(jié) 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(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成 異質(zhì)結(jié) 。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(gè) 晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成 (FP)諧振腔 . 窄帶隙材料 寬帶隙材料 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 39 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 E 電 子空 穴異 質(zhì) 勢(shì) 壘復(fù) 合限 制 層 有 源 層 限 制 層Eg Eg? Eg? ~5% 能帶 折射率 光強(qiáng) 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 40 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)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(zhuǎn)粒子分布，有源區(qū)電子 空穴對(duì)復(fù)合輻射出激光。 異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)： ?帶隙差形成的勢(shì)壘對(duì)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(shí) 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(jié)果： DH半導(dǎo)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(zhuǎn)換效率很高。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 41 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 3） 量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱激光器 與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似 ，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。 理論分析表明，當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，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(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè) 勢(shì)能阱 ，因此將產(chǎn)生這種 量子效應(yīng)的激光器 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)分布的 濃度很高 。量子阱半導(dǎo)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(xué)理學(xué)院 光纖通信 42 2022年 2月 11日星期五 量子阱半導(dǎo)體激光器： 167。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 43 2022年 2月 11日星期五 超晶格量子阱半導(dǎo)體激光器的特性： ? 閾值電流低； ? 波長(zhǎng)可調(diào)諧； ? 線寬窄，頻率啁啾低； ? 調(diào)制速率高； ? 溫度穩(wěn)定性強(qiáng)。 167。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 44 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 三、 分布反饋 (DFB)和分布布拉格反射 (DBR)半導(dǎo)體激光器 1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 特點(diǎn)： 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(jié)構(gòu)：在 有源區(qū)一側(cè)生長(zhǎng)波紋結(jié)構(gòu) ，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(xué)理學(xué)院 光纖通信 45 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 ?DFB激光器是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的 單縱模激光器 ，即在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。 ?DFB激光器是在異質(zhì)結(jié)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(gòu)成的。 ?DFB激光器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，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(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉