半导体激光器：原理和应用

1.半导体激光器的基本原理[23-24]

半导体激光器与发光二极管相比具有准直性好、单色性好、亮度高和相干性好的特性,Ⅲ族氮化物半导体基于其优良的光电性质,在激光器领域也受到广泛关注。Ⅲ族氮化物半导体激光器具有效率高、损耗低、体积小、寿命长、质量轻等优点,在高密度光数据存储、激光显示、水下光通信等应用领域具有重要作用。

图3.2.1　光和二能级系统相互作用发生的三个过程

以光和一个二能级系统的相互作用为例,如图3.2.1所示,说明半导体激光器的基本原理。光和二能级系统相互作用时,可能会发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三个过程。图3.2.1(a)所示为受激吸收:低能级的电子吸收入射光子能量以后跃迁到高能级的过程。图3.2.1(b)所示为自发辐射:高能级的电子自发回到低能级,发射出一个光子的过程。该过程是随机的,因而辐射的光为非相干光。图3.2.1(c)所示为受激辐射:高能级的电子在入射光子的作用下回到低能级,产生与入射光偏振、相位和方向都相同的辐射光,发射一对相干光子的过程。这一过程是受激吸收的逆过程。在这个二能级系统中,受激吸收、自发辐射、受激辐射的速率(单位体积、单位能量间隔、单位时间发生跃迁的电子数)可以表示如下。

(1)受激吸收速率为

式中,B 12为电子从低能级E 1向高能级E 2的跃迁概率,又称吸收系数;f 1和f 2分别是低能级E 1和高能级E 2被电子占据的概率,ρ(E 21)为能量是E 21的光子密度。

根据费米-狄拉克统计分布,f 1和f 2又可表示为

式中,E F1和E F2分别是计算E 1和E 2电子占据概率的时候所用的准费米能级。

(2)自发辐射速率:

式中,A 21表示自发辐射过程的跃迁概率,被称为自发辐射系数。

(3)受激辐射速率:

式中,B 21为受激辐射过程中电子从高能级E 2向低能级E 1的跃迁概率,被称为受激辐射系数;ρ(E 21)为外来光的光场单色能量密度。

热平衡时,电子向上跃迁的速率必须等于向下跃迁的总速率,因此有

根据普朗克量子假说,得到A 21、B 12、B 21之间的关系为

式中,hν=E 2-E 1。

根据以上关系,可得受激辐射速率与自发辐射速率的比值为

根据式(3.2.9),在室温下,对于hν=1e V的光子能量,受激辐射与自发辐射速率之比约为10-1 6。由此可见,在热平衡状态下,辐射光中以自发辐射占主导。为了使激光器能够以受激辐射为主,必须人为增加光子密度,这就需要谐振腔来实现。因此,谐振腔是激光器的必要条件之一。

在光的作用下,受激吸收和受激辐射存在相互竞争的关系,半导体若要受激发射,必须使受激辐射速率大于受激吸收速率,即r 21＞r 12。联立式(3.2.1)～式(3.2.5),可得:

此式说明,高能级上的电子数多于低能级上的电子数,即发生了粒子数反转。因此,粒子数反转是产生激光的另一必要条件。对于半导体来说,式(3.2.10)中的E 2-E 1≈E g(E g为半导体的禁带宽度),说明半导体的电子准费米能级和空穴准费米能级分别进入了导带和价带,即导带底的电子和价带顶的电子发生了反转分布,如图3.2.2所示,使导带的电子和价带的空穴浓度足够大,是产生激光的必要条件。

图3.2.2　半导体中的粒子数反转分布

基于以上理论基础,激光产生的三要素包括激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁;能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置(激励源);放置激活介质的谐振腔,提供光反馈并进行放大,从而发出激光。由此得到的激光器的基本组成架构如图3.2.3所示。

图3.2.3　激光器的基本结构示意图

半导体激光器是以半导体为激活介质的激光器,要实现激光输出,需满足以下三个必要条件。(www.xing528.com)

(1)有源区内载流子的反转分布。载流子反转分布是通过激励源来实现的,常用的激励源有光注入、电注入、放电激励、热能激励、化学激励等方式,半导体激光器主要依靠pn结正向偏压下,电子和空穴分别从n区和p区注入有源区,使有源区导带底电子数目大于价带顶电子数目,实现粒子数反转的电注入方式,如图3.2.4所示。

图3.2.4　pn结实现粒子数反转示意图

(2)合适的光学谐振腔。谐振腔主要起到对光进行放大和模式选择的作用。光放大通过谐振腔中充满的激活介质发生受激辐射来实现,而模式选择通过谐振腔的结构设计来实现。激光的模式分为纵向模式和横向模式。其中,纵向模式(纵模)是指在谐振腔内可以起振的激光,决定了腔里可以稳定振荡的激光的频率(或波长),每一个频率光对应一个纵模。横向模式(横模)决定的是激光光束在横截面上的光场分布。由于光在谐振腔内来回反射,相干叠加,只有形成驻波的光才能振荡。能够在谐振腔里形成驻波的光波的波长应满足:

式中,λ为激光在真空中传播的波长;n为激活物质的折射率;q=1,2,3,…,被称为纵模模数。而各纵模之间的波长间隔为

激光器的增益由于导带和价带中的态密度分布通常呈现随波长的先增加后减小的包型趋势,只有在增益带宽内波长的光才能产生增益。通过谐振腔的设计可以调整各纵模和其之间的波长间隔,使预期选择的模式落入增益区间,从而实现选模的作用。如图3.2.5所示,在图(a)中增益区间包含5个纵模,而在图(b)中只包含4个纵模。

图3.2.5　谐振腔纵模选择原理图

(3)满足阈值条件。光在谐振腔的传播过程中,除了会因为受激辐射的作用产生增益,也会因为自由载流子吸收、缺陷散射、端面透射或散射等因素发生损耗。只有当增益大于或等于总损耗时,才能建立起稳定的激光振荡。增益等于损耗时的增益被称为阈值增益,这一条件被称为阈值条件,可由式(3.2.13)表示,式中,g th为阈值增益,α为谐振腔内激活物质的损耗系数,L为谐振腔的长度,R 1,R 2为两个反射端面的反射率。对于电注入激励源来说,就是需要足够大的注入电流,使激光器达到阈值条件,这一电流被称为阈值电流。

2.半导体激光器的主要性能参数

(1)P-I特性和阈值电流。P-I(功率—电流)特性反映了激光器输出光功率随着注入电流的变化而变化的规律,从P-I曲线中可以提取激光器的阈值电流,如图3.2.6所示。当注入电流很小时,有源区还没有发生粒子数反转,受激吸收速率大于受激辐射速率,激光器的输出光以自发辐射为主,光谱很宽,类似LED;当注入电流逐渐增大,受激辐射开始占据主导地位,但若电流小于阈值电流,光在谐振腔内的增益小于损耗,仍不能形成一定模式的稳定振荡;当继续增大注入电流,并使其大于阈值电流时,激光器才能发出谱线尖锐、模式明确的激光。

图3.2.6　激光器的P-I曲线示意图

(2)半导体激光器的效率。

①功率效率(ηp)是指施加在激光器上的电功率转化为输出光功率的效率。其值为激光器辐射的光功率与激光器所消耗的电功率的比值,即

式中,P ex为激光器所发射的光功率;I为工作电流;V为激光器的正向电压;r s为串联电阻。

②内量子效率(ηi)是激光器有源区内每秒产生的光子数与每秒注入有源区的电子-空穴对数的比值。

③外量子效率(ηex)是激光器每秒发射的光子数与有源区每秒注入的电子-空穴对数的比值,即

④外微分量子效率(ηd)是在阈值电流以上,每对复合载流子产生的光子数,可表示为

(3)半导体激光器的纵模和边模抑制比。激光器出射光的频谱由其纵模决定,一般存在一个主要的激射波长(主模)和在增益带宽内满足式(3.2.12)的振荡模式,如图3.2.7所示。

图3.2.7　激光器的纵模谱示意图

边模抑制比(SSR)就是在规定输出功率和规定调制时,激光发射光谱中最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。

(4)半导体激光器的线宽。半导体激光器的线宽为光谱曲线半峰值处的全宽,表征了激光器时间相干性的光谱纯度。一般情况下,阈值以下发射光谱线宽度在60 nm左右,阈值以上的谱线宽度为2～3 nm,甚至更小。引起激光器线宽增大的原因包括自发发射引起的相位无序变化、载流子浓度变化、载流子分布变化等因素,可以通过增大光功率、减少自发发射速率、稳定载流子密度等方法来减小线宽。

(5)半导体激光器的空间分布。半导体激光器的空间分布可以分为近场分布和远场分布,如图3.2.8所示。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布;远场是指距反射镜面有一定距离处的光强分布。对于具有矩形光波导结构的半导体激光器,近场分布更能体现激光的横向模式特性。根据方向的不同,横向模式有垂直横模(横模)和侧向横模(侧模)之分,垂直横模体现了光场在垂直于激光器pn结方向的分布,侧向横模体现了光场在平行于pn结方向的分布。光场在平行于结面的方向一般呈现周期性的空间分布,称为多(侧向)横模;由于谐振腔很薄,在垂直于结面方向,光场呈现单峰值的分布,称为单(垂直)横模。

远场分布一般体现的是激光光束的发散角。远场并非严格的高斯分布,在横向(垂直于pn结方向)和侧向常有不对称的光束发散角。由于半导体激光器的有源层厚度很薄,有较强的衍射效应,通常情况下横向发散角θ⊥更大。

图3.2.8　半导体激光光束的空间分布示意图