《半导体激光器》翻译

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 摘要

半导体激光器

摘 要

这篇文章综述了半导体激光器的工作原理，并对其工作原理进行讨论。自1964年初以来，人们加大了半导体激光器的研究度。目前有关于砷化镓半导体激光器的最先进技术已经有所进展。

自从1962年首次在砷化镓中发现受激激发光子的现象后，使得半导体激光器领域取得了相当大的进步。现已存在由不同材料制成的各种各样的激光器。激光光波长的范围已经从可见光扩展到紫外线和红外线。紫外线和红外线是光谱中可见光波长两端之外的波长。已经可以利用的有以下几种泵浦源，如：P-N结，电子注入，光泵浦，雪崩注入。

本文将探讨半导体激光器的工作原理。为了使该探讨具有完整性，半导体激光器的工作原理也会涉及到。早期的工作，追随到1964年二月，在早期的报纸上已经发表了多种关于激光器原理的文章，例如，G.Burns 的《 P-N结激光器》和当今的作者（代表有BN）的文章。因此，本文将只浅显地涉及到有关于半导体激光器的早期工作、近期发展的主要方向和目前的最新水平。其它有关于半导体激光器工作原理的文章在文献[11]至[14]中出现。

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目 录

1工作原理 .................................................. 1

1.1粒子数反转与阈值 ............................................... 1

1.2 直接带隙半导体与间接带隙半导体 ................................. 4 1.3 受激辐射方法 ................................................... 4

2 材料 ..................................................... 8 3 半导体激光器——最先进技术 .............................. 10

3.1 结构造 ........................................................ 10 3.2 阈值电流密度 .................................................. 11 3.3 阈值与温度的关系 .............................................. 12 3.4 工作特性 ...................................................... 13 3.5 调制 .......................................................... 17 3.6 应用与设备 .................................................... 18

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1工作原理

在激光器中，当高能态比低能态拥有粒子的概率高，从而致使粒子数发生反转时，受激辐射就发生在这两个能态间。在两个能级之间的粒子向下跃迁产生能量等于hv光子发生的概率比粒子向上跃迁概率大时，受激辐射就产生了。在一个合适的谐振腔中会有激光产生。多篇文章和文献[15]详细讨论了这一观点。因此，这一章节将会介绍有关于半导体激光器的特征的一部分，例如：1.电子势态的连续光谱2.使粒子数反转的各种方式，如泵浦源。 1.1粒子数反转与阈值

图1显示了能量与本征半导体能级之间的关系。最高能级是填满电子的价带。能级比价带低的是导带，它与价带的能量相差一个带隙Eg。这个带隙里没有允态。图1（a）表示的是本征半导体的平衡状态（没有电杂质的存在）。如果一种光波以光能大于Eg的能量入射到晶体上，光子将被电子吸收，从价带跃迁到导带。图1（b）显示了在0oK下粒子数反转的情况。没有了电子（或者充满空穴）的价带势能下降到Fv，导带的势能上升到Fc。若光子的能量hv在Eg?hv?(Fc?Fv)情况下，将会引起粒子数反转，从而导致受激辐射。

图1.1本征半导体的能级图

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图（1.1b）显示了在有限的温度下，能级间是否充满粒子对能级间能量的差距并不会有多大的影响。然而，图1.1（c）却显示了携带粒子量对能量的影响。载流子得数量仍可以作为受激辐射发生以否的条件。严格意义上的热平衡并不存在，当然，我们假设在一个给定的能带上，载流子将在热平衡中相互作用。根据费米迪拉克统计得，导带充满粒子的几率是，

fc?1 （1-1）

1?exp(E?Fo)/kTFo是电子在导带上的准费米能级,它所在的能级发生被载流子占满的概率是50%。价带也有类似的情况。因为要求发射光子的数量要大于被吸收的光子的数量，所以受激辐射的条件是：

Fc?Fv?hv （1-2）

前面讨论了本征半导体的载流子从导带跃迁到价带的情况。如果半导体里有杂质，并且杂质的能级属于初始或者最后的能级，那就仅仅需要使用准费米能级为杂质半导体以适当的简并划分能级。

为了获得激光，不仅需要受激辐射的发生，还需要增益大于损失。阈值增益可以满足这一条件。法布里-珀罗谐振腔的增益可以使得光波以无损耗遍历谐振腔。这就是：

Re(gt??)l?1 （1-3）

式中gt是在阈值上每单位长度的增益系数，?是损耗系数，l是谐振腔的长度，R是谐振腔两端的反射系数。半导体的物理损失是由杂光进入谐振腔的作用区域（这个区域发生粒子数反转）和自由载流子光吸收导致的。光的增益与载流子受激辐射的概率成正比。对于在两个分立能级之间跃迁的粒子获得的增益由式（1-4）计算得，

c2[N2?N1(g2/g1)]A(v)g(hv)? （1-4） 228?vno?rA(v)的线性归一化为?A(v)dv?1，Ni为能级2或能级1上的每立方厘米的原子数，gi为

这些能级的统计权重，no为折射指数，v为频率，?r为辐射寿命。激光会在g为最大和

A?Amax?1/?v的波段产生，?v为谱线宽度。

从式（1-4）可以看出，若g2?g1，增益与能量相差为hv的两能级上的高能态的电子数减去低能级的电子数成正比，这表现了激发率的线性变化。例如一个四能级激光器的N1?0，它的增益与激发率是成正比的。该函数的曲线形状与线性A(v)有关，与激发率无关，最大增益出现在一个固定的频率上的。通常来说，这种情形在半导体上更加复杂。因为激发率提高了，导致Fc和Fv的分布函数改变了——Fc变大，Fv变小。增益曲

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线与光子能量改变量的关系看出在更高的能级上增益曲线有最大的改变量。增益的表达式：

g(E)dE??(4?2e2?/(m2cnoE))M(fc?fv) （1-5）

M为矩阵元，式中累加和包括在E和E?dE所有的不相同能量的能级对。

为了明确说明上文提到的一些观点，我们用一个半导体激光器的简单模型来说明。在将要介绍到的半导体激光器的非均匀注入电流也会用到这个模型。图（1.2）为其能

2量与态密度的关系图。高能级的导带的态密度为pc，

pc?poexpE/EO (1-6)

式中po和Eo为常数。低能级为不连续的，例如，一个杂质能级能量足够大以至于它的粒子数与激发无关。

图1.2 杂质半导体简单模型的能量与态密度的关系曲线图

因此该能级就如被空置。如P型半导体，在平衡状态下，其低能级电子占有一半。因为激发加强了，导带的电子数量也增加了，并且Fc上升了。假设跃迁与能量无关。在温度为0oK时，在能量为E时的增益与该能量上导带的态密度成比例。

g(E)??K?oexpE/Eo, E?Fc （1-7a） g(E)??K?oexpE/Eo, E?Fc (1-7b)

K为常数。假设跃迁与能量无关，在小于Fc的给定能量上的增益与激光发生的能量是 相互独立的，并且最大增益是在Fc这个点上的。导带n区的电子数量为：

Fc n?????c(E)dE?Eog(Fc)Eo?gmax （1-8） KK因此，在线性变化独立于Fc的条件下，这个模型的最大增益与n、激发率成比例的。但是，当gmax出现在更高能级上时，光子的能量与只有两个能级的简单系统的情形是相反的。因为此时在任意的一个态密度上，g与n并不成比例，每种因素都得单独考虑到。举个例子，独立于能量的某一态密度的增益与n也是不相关的。在0开氏度下，抛物线

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