【正文】 寸影響橫模的數(shù)目。 100%e h i? ??單 位 時 間 內(nèi) 激 光 器 輻 射 出 的 光 子 數(shù) 目單 位 時 間 內(nèi) 注 入 到 激 光 器 的 對 數(shù) 目ePIe?? ?el o s s e, 0 , , ththIIII?????? ? ?，c）微分量子效率 外量子效率只能表示特定條件下器件的輸出效率，具體數(shù)值隨輸入而變。橫模特性與激光器的橫向尺寸，即其橫截面的形狀和大小有關(guān)系。radDrJJne???較 小 時2d, n 。 圖形分析： 當(dāng)注入電流小，腔體增益不滿足增益閾值條件時，激光器處于發(fā)熒光階段，沒有穩(wěn)定的激光輸出。用 Es和 分別表示峰值模式附近的模式的光子能量和波長。s p o n s p o nRR??(3)自収輻射產(chǎn)生率 ()m c m s p o nrdS cg S Rd t n? ? ?? ? ? 光子面密度的連續(xù)性方程可寫為： 2. 載流子的速率方程 是分析半導(dǎo)體激光器工作過程的另一個工具。 sponR 39。 要形成穩(wěn)定的激光輸出，光波在腔體內(nèi)部傳輸來回反射傳輸時，其強(qiáng)度至少要保持不減小，即光波在兩個界面來回反射兩次并回到其出發(fā)點(diǎn)時，其強(qiáng)度應(yīng)保持不變，這就是激光輸出的閾值條件： 20?( ) ( )p h p hI L I2 1200?? ? ?()( ) ( )l o s sGLp h p hI e R R I?0 ?? ()( ) ( ) l o s sGxp h p hI x I e ?考慮到多種損耗因素，可將所有損耗用 表示，稱為腔內(nèi)損耗，則光波在腔體內(nèi)傳輸時，其強(qiáng)度變換規(guī)律為： loss?假設(shè)垂直于光波出射方向的兩個端面其折射率相同，即： 12112? ? ? ? ?l n ( )t h l o s s l o s s RG L R R? ? ?12??RR R則激光器的閾值增益為： 要滿足上述條件，則腔體增益為下式所示，稱為“ 閾值增益 ” 11? ? ? ?lnth lo s s lo s s RG LR? ? ?其中 ，為腔體兩端面的損耗。相鄰縱模之間的頻率間隔為： 2 rcnL?? ?4. 光波限制因子 其物理含義是指限制在有源區(qū)中的光波在整個光腔內(nèi)的所有光波中所占的比例。 3. 粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn) 在無外界注入條件下，絕大多數(shù)電子都位于低能級，粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是指由于能量注入，使得高能級上的電子數(shù)反而比低能級電子數(shù)更多，這是普通激光器的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。 受激輻射特點(diǎn)： ?發(fā)出的光是相干光； ?光子相位、方向與引起輻射的光子一致。第 4章 半導(dǎo)體激光器 : 靜態(tài)特性 1. 引言； 2. 自収輻射與受激輻射； 3. 光學(xué)諧振腔； 4. 閾值特性； 5. 先進(jìn) LD：電子特性的改進(jìn)； 6. 先進(jìn) LD：光學(xué)特性的改進(jìn)。（？） II. 自収輻射與受激輻射 自収輻射特點(diǎn)： ?自發(fā)輻射是隨機(jī)過程； ?發(fā)出的光波是非相干光； ?光子能量大體相等，約等于材料帶隙； ?相位與方向各不相同。 能量吸收 自發(fā)輻射 受激輻射 Before After● ● ● ● 1E1E1E2E2E2E12h?1. 三種過程 12h?12h?12h?12h? 2. LD產(chǎn)生激光出射的過程： ?正向偏置下，首先由器件內(nèi)部的有源區(qū)自發(fā)輻射產(chǎn)生光子，這些光子中的極少一部分會引起受激輻射，這些光子就是 LD受激輻射發(fā)射激光的源頭； ?LD工作在高電場條件，即外界激勵很強(qiáng)，載流子濃度高，有源區(qū)達(dá)到粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)； ?光諧振腔的存在，使其中一部分光子因滿足諧振條件而迅速增強(qiáng)，逐漸在整個光波中占有絕對優(yōu)勢，最終克服器件損耗，形成穩(wěn)定的激光輸出。由縱模的表達(dá)式，容易理解：光腔的縱模是周期性的，理論上，光腔中可允許存在無限多個縱模，并且縱模都是等間隔的。 ()gh???()G g h??（ 2）光腔內(nèi)部的主要損耗過程 ? 限制層及電極區(qū)對光子吸收所帶來的損耗 (如這些區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)等引起的光吸收 )； ? 光子由腔體內(nèi)逸出所導(dǎo)致的損耗 (部分光子其傳輸方向并不與出射面垂直，斜入射出腔體 )； ? 載流子對光子的吸收造成的損耗； ? 出射面的光子出射損耗 (對內(nèi)部光波而言，輸出的光波引起損耗 )。 ? ? ?m s tim L s po ndS R R Rdt ? 對于平行于出射端面的平面上的光子面密度，可以用關(guān)于光子面密度的速率方程： 注意此處 與 的不同之處。 mcmr p hSc Sn????RL = 腔體損耗 光速 光子面密度 在上述表達(dá)式中， c11lnlo s s R lo s s LR? ? ? ?? ? ? ? 39。 ? ?? ? 12 2 ( ) ( , )spon D rm th D mR n nS g g n Ec? ?? ? ??0th cg ??? ? ?? ?22 ( ) ( , )s p o n Dmc D mrRnScg n En????? 光子面密度表達(dá)式： 在閾值點(diǎn)上，激光器的腔體增益恰好抵消激光器的損耗，即存在下列關(guān)系： 故光子面密度的表達(dá)式可以改寫為： gEsE pE2 22()( ) ( )2spspdgg E g Ed?????? 用 Ep和 分別表示增益譜峰值所對應(yīng)的光子的能量和波長，此模式稱為峰值模式。這些模式的受激輻射過程消耗了大量載流子，使離峰值較遠(yuǎn)的模式更加不能滿足閾值條件形成穩(wěn)定激光輸出。自發(fā)輻射因子越大，說明自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子中，對受激輻射有貢獻(xiàn)的部分就越多，引起的受激輻射就越強(qiáng)烈，對載流子消耗也就越大，最終載流子密度達(dá)到飽和后的密度值也就越??； 2 2D , n 。 閾值電流密度的計(jì)算 閾值增益 thG注入載流子密度閾值 thn?閾值電流密度 thJ?)th(J)th(JJ nrrth ??l a s3thrl a sth de F nden ???3l a sd 為 有 源 區(qū) 厚 度 ， F 為 俄 歇 系 數(shù) ， Fn 為 俄 歇 率3. 靜態(tài)輸出特性 （ 1） PI特性 , 0 , thJJ ?? 凈 增 益 處 于 發(fā) 射 熒 光 階 段out, g 0 , J PthJJ ? ? ? ? ? ?開 始 輸 出 激 光 ，（ 2） LD輸出曲線的“彎折” 圖形分析： ? 激光器不僅存在縱模特性，還存在橫模特性，一個縱?？赡軐?yīng)多個橫模輸出特性。 b）外量子效率 定義為單位時間內(nèi)從激光器輻射出的光子數(shù)目與單位時間內(nèi)注入的電子 空穴對數(shù)目的比值。橫模主要受到光腔的橫截面形狀和橫向尺寸的影響。 1lo s s = 1 0 c m?1 lnto t lo s s R lo s s RL? ? ? ?? ? ? ?12l n ( 0 .3 3 )1 0 6 5 .4 32 1 0 cm??? ? ??激光器總損耗為： 101 3 . 6 0 . 5 13 1 0 6 5 . 4 3ph t o t psv? ?? ? ???V. 先進(jìn)激光器 ——電子特性的改進(jìn) 激光器設(shè)計(jì)的目標(biāo)： ? 低閾值電流； ? 高輸出功率； ? 大調(diào)制帶寬； ? 窄輸出頻譜； ? 其他特性 (如滿足特定使用需求所需波長：長波長、短 波長等 )。此時有源層形成量子阱。 kz是電子波矢量在 Z方向上的分量。利用壓縮應(yīng)變效應(yīng)制作的應(yīng)變量子阱激光器，出射光波為 TE偏振，而利用拉伸應(yīng)變效應(yīng)制作的 LD，出射光波為 TM偏振。有源區(qū)與周圍限制層材料之間的折射率差可達(dá)