【正文】 后逐漸減弱，最終，滿足共振條件的頻率在輸出光譜中占絕對優(yōu)勢。 在平衡狀態(tài)下（無外界載流子注入），兩種能級上的電子數(shù)目分別是： 111: E k TE n e ??222: E k TE n e ??21()211E E k Tn en ??? ? ?在非平衡狀態(tài)下（有載流子注入），導(dǎo)帶能級和價帶能級被電子占據(jù)的幾率分別是： 1()1eFneeEEkTfEe???1()1hFphhEEkTfEe??? 假設(shè)引起 LD受激輻射的光束強度為 ，則有源區(qū)的受激輻射率為： ? ??hI( ) ( ) ( ) ( ) ( )e e e h h hr c vw N E f E N E f E I h dE????? ? 吸收率為： ? ? ? ?( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )e e e h h ha c vw N E f E N E f E I h dE????? ? ??raww?? distribution of particles reversed ? ? ? ?( ) ( ) 1 ( ) 1 ( )( ) ( ) 1 0e e h h e e h he e h hf E f E f E f Ef E f E? ? ? ? ?? ? ? ?達到粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)的必要條件是： ? 高注入； ? 高摻雜。 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)。在穿過有源區(qū)的光子激發(fā)下，導(dǎo)帶電子落入價帶，與價帶空穴復(fù)合，產(chǎn)生光子，此光子與激發(fā)復(fù)合過程的光子在頻率、相位、方向上亦完全一致。 ?半導(dǎo)體激光器工作過程： 在半導(dǎo)體激光器中，有源區(qū)發(fā)光過程涉及到兩種載流子。以二能級系統(tǒng)為例，其過程是：在外界能量注入條件下，原子中的外層電子吸收能量，躍遷到高能級。 受激輻射特點： ?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。 激光器是利用受激輻射產(chǎn)生光子，其激勵方式 (能量注入方式 )有： ?電流注入（利用 PN結(jié)結(jié)構(gòu)的載流子注入）； ?電子束注入； ?激光注入； ?碰撞電離。無法用于高速、遠(yuǎn)距離通信，只能用于低速、短距離傳輸，例如局域網(wǎng)、接入網(wǎng)（ ONU無色化）等。但 LED作為通信用光源的話存在諸多缺陷： ? 輸出頻譜（線寬）大； ? 響應(yīng)速度慢，調(diào)制帶寬??； ? LED是非相干光源。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 LD：電子特性的改進； 6. 先進 LD：光學(xué)特性的改進。 I. 引言 LED是在顯示、通信、照明等領(lǐng)域廣泛使用的光源，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能可靠。 LED的輸出線寬大約比 LD的輸出線寬大 2個數(shù)量級，而其帶寬則比 LD帶寬小得多。 Laser Diode eh對在高質(zhì)量的 光學(xué)諧振腔中復(fù)合 LED發(fā)光特性 輸出頻譜寬 自發(fā)輻射，響應(yīng) 速度慢，帶寬小 使用“光諧振腔” 提高特定頻率 的輻射強度 利用受激輻射提高 eh對的復(fù)合率 改進措施 LD的主要優(yōu)點： ?輸出功率高（相對 LED）； ?體積小； ?發(fā)光效率高； ?輸出頻譜窄； ?響應(yīng)速度快，帶寬大。（？） II. 自収輻射與受激輻射 自収輻射特點： ?自發(fā)輻射是隨機過程； ?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。 ?普通激光器工作過程： 一般激光器的工作過程涉及到原子的能級躍遷。在高能級的原子態(tài)并不穩(wěn)定，如果此時有光子從有源區(qū)穿過，則會激勵此高能原子，使電子由高能級躍遷回低能級，同時放出一個光子，此光子與引起輻射的光子在頻率、相位、方向上完全一致。其過程是：正向偏置電壓下，外界注入高能載流子，注入的電子能級位于導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶底附近，注入的空穴能級位于價帶，在價帶頂部附近。 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，載流子濃度高，有源區(qū)達到粒子數(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，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。對于半導(dǎo)體激光器，工作過程涉及到兩種載流子，其粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是指在一定能量范圍內(nèi)，導(dǎo)帶內(nèi)的電子比價帶內(nèi)的電子還要多。 1 l n8F n c ccnnE E k TNN??? ? ?????1 l n8F p v vvppE E k TNN??? ? ?????III. 激光器結(jié)構(gòu)：光學(xué)諧振腔 1. FP（ FabryPerot）腔 限制層 限制層 粗糙面 激活層 輸出光 LI左右兩個側(cè)面為平行的拋光面 zyx FP腔的主要構(gòu)造： ? PN結(jié)結(jié)構(gòu)； ? 與 PN結(jié)面垂直的兩個鏡面； ? 電極及熱沉。根據(jù)相長干涉條件，光波從某點出發(fā)經(jīng)過兩個端面的反射，最后回到出發(fā)點時，其相位變化應(yīng)該是 的整數(shù)倍。由縱模的表達式，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。 光腔厚度方向上的距離 折射率 光波強度 有源區(qū) P 區(qū) N 區(qū) 光波限制因子是衡量有源區(qū)對光波限制作用的強弱的參數(shù)，其大小與激光器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的激光器其光波限制因子有很大差別。 【 例 】 一個 GaAs材料制作的 FP腔半導(dǎo)體激光器，其腔長為 L=200um， GaAs材料的折射率為 。 101143 1 0 2 1 02 2 3 . 6 6 ( 2 0 0 1 0 )rc HznL?? ??? ? ? ?? ? ?34 1119( 4 10 ) ( 2 10 ) 3 10h m e V?????????5. 光吸收、損耗與增益 （ 1）增益系數(shù) 在激光器內(nèi)部，同時存在光的吸收和光輻射過程，因此，光吸收和光增益是同時存在的，在不同條件下，增益的情況不同。 ()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 )。 12112? ln ( )R L R R?【 例 】 GaAs制作的 FP腔 LD，腔內(nèi)損耗為 ，其端面損耗與腔內(nèi)損耗相等，計算此 FP腔的長度。分析激光器內(nèi)部的工作過程，可以從光子的速率方程入手： 光子密度的變化率 (單位時間光子密度的變化量 )= 受激輻射率 腔體損耗 +自發(fā)輻射中對激光輸出有貢獻的部分 ? ? ? 39。這一數(shù)值在不同的激光器中往往差別很大。 ? ? ?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。sponR?(1)受激輻