半导体激光器输出特性的影响因素Word文件下载.docx
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光功率
半导体激光器的输出光功率
其中I为激光器的驱动电流,Pth为激光器的阈值功率;
Ith为激光器的阈值电流;
ηd为外微分量子效率;
hf为光子能量;
e为电子电荷。
hf、e为常数,Pth很小可忽略。
由此可知,输出光功率主要取决于驱动电流I、阈值电流Ith以及外微分量子效率ηd。
驱动电流是可随意调节的,因此这里主要讨论后两者。
除此之外,温度也是影响光功率的重要因素。
1)阈值电流
半导体激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示。
当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用Ith表示。
当激励电流I<
Ith时,有源区无法达到粒子数反转,也无法达到谐振条件,以自发辐射为主,输出功率很小,发出的是荧光;
当激励电流I>
Ith时,有源区不仅有粒子数反转,而且达到了谐振条件,受激辐射为主,输出功率急剧增加,发出的是激光,此时P-I曲线是线性变化的。
对于激光器来说,要求阈值电流越小越好。
阈值电流主要与下列影响因素有关:
a)晶体的掺杂浓度越大,阈值电流越小。
b)谐振腔的损耗越小,阈值电流越小。
c)与半导体材料结型有关,异质结阈值电流比同质结小得多。
d)温度越高,阈值电流越大。
2)外微分量子效率
外微分量子效率ηd定义为激光器达到阈值后,输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,其表达式为
外微分量子效率代表了半导体激光器的电——光转换效率,它与内量子效率、载流子对有源区的注入效率、光在谐振腔内的损耗情况、谐振腔端面的反射系数和温度等因素有关。
它对应着P-I曲线线性部分的斜率。
3)温度
半导体激光器对温度很敏感,其输出功率随温度变化而变化。
温度变化将改变激光器的输出光功率,有两个原因:
一是激光器的阈值电流随温度升高而增大。
温度对阈值电流的影响,可用下式描述:
式中,I0表示室温下的阈值电流,T表示温度,T0称为特征温度(表示激光器对温度的敏感程度)。
一般InGaAsP的激光器,T0=50~80K;
A1GaAs/GaAs的激光器,T0=100~150K。
二是外微分量子效率随温度升高而减小。
如GaAs激光器,绝对温度77K时,ηd约为50%;
当绝对温度升高到300K时,ηd只有约30%。
2.光谱
半导体激光器的光谱随着驱动电流的变化而变化。
当驱动电流I<阈值电流Ith时,发出的是荧光,光谱很宽,如图(a)所示。
当I>Ith后,发射光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如图(b)所示。
当驱动电流达到阈值后,随着驱动电流的增大,纵模模数变小,谱线宽度变窄。
当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模。
此外,温度也会影响半导体激光器的光谱。
随着温度的升高,半导体的禁带宽度变小,将导致整个光谱向长波长方向移动。
3.激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。
近场是指激光器反射镜面上的光强分布,远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸,即平行于PN结平面的宽度w和垂直于PN结平面的厚度t所决定的,并称为激光器的横模。
平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄,场图呈现出由多横模变为单横模;
垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄,这个方向的场图总是单横模。
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