半导体激光器的工作原理与特性详解

半导体激光器的工作原理是采用激励方式，这种方式利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器是通过电流驱动发光器件，只有当它的驱动电流在阈值电流以上时，半导体激光器才能产生并保持连续的光功率输出。对于高速电流信号的切换操作，一般是将激光器稍微偏置在阈值电流以上，以避免激光器因开启和关闭时造成的响应时间延迟给激光器的输出特性带来影响。半导体激光器的输出光功率依赖于其驱动电流的幅度和将电流信号转换为光信号的效率(激光器斜效率)，如图3-1 所示。半导体激光器是一个温度敏感器件，其阈值电流Ith随温度的升高而增大；激光器的调制效率(单位调制电流下激光器的输出光功率，量纲为mW/mA)随温度的升高而减小。同时激光器的阈值电流Ith还随器件的老化和使用时间而变大。

图3-1　半导体激光器的特性曲线(www.xing528.com)

图3-1(a)和图3-1(b)分别是半导体激光器U-I 特性曲线和半导体激光器的P-I 特性曲线。从图3-1(a)可以看出，当我们向半导体激光器注入电流I 时，其两端会产生正向电压U。半导体激光器的这一特性可以反映出其PN 结特性的优劣，通过大电流下的正向U-I特性可估算出串联电阻(郭少华，2004)。

图3-1(b)是半导体激光器的P-I 特性(又称L-I 特性)曲线，该曲线描述了激光器光功率P 随注入电流I 的变化规律。因此，它是人们使用半导体激光器系统进行设计的重要依据(曹瑞明，2008)。半导体激光器只有在其PN 结上增加一种大的正向电压，使流入激光器的注入电流达到足够大的时候，它才能产生激光。从理论上讲，当半导体激光器工作在额定范围内时，输出光功率P 与注入电流IF应该是一种严格的线性关系，其一阶微分曲线应该是一条近似水平的直线。如果在一阶微分曲线上出现了明显的拐点，或者是说该曲线不够平滑，那么我们就认为该半导体激光器有缺陷。也就是说，当一个半导体激光器工作在驱动电流出现拐点处的地方时，其输出光功率与注入电流值不成线性比例关系。由于输入电流与输出光功率呈线性关系，半导体激光器具有易于调制的重要特性，也就是说，人们可以通过调制输入电流，对半导体激光器的输出光强进行直接调制。

虽然半导体激光器的电子-光子转换效率非常高，但由于各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制的存在，使其外微分量子效率比较低。这意味着相当部分的注入电功率在转换为热量时，引起半导体激光器温度升高。通过前面的温度特性分析可知，温度升高会导致半导体激光器的输出光功率随之下降、阈值电流增大，甚至可能引起跳模。另外，半导体激光器长期在高温下工作，还能导致它的寿命缩短。因此，为了保证半导体激光器输出性能的稳定性及使用寿命，应将半导体激光器的工作温度保持在室温附近。