半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器是⼀类⾮常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有⼴泛的应⽤。下⾯我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个⽅⾯的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。1． 波长

半导体激光器的发射波长是由导带的电⼦跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。hf = Eg f (Hz)和λ(µm)分别为发射光的频率和波长

且c=3×108m/s ， h=6.628×10?34 J·s，leV=1.60×10?19 J得

决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因⽽有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适⽤于0.85 µm 波段， InGaAsP-InP 材料适⽤于1.3~1.55 µm 波段。

温度的升⾼会使半导体的禁带宽度变⼩，导致波长变⼤。2． 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，P th 为激光器的阈值功率；I th 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I th 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I th 表⽰。当激励电流I< I th 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> I th 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。)

(th d th I I e hfP P -+=ηλc

=f ) ( )(24.1m eV Eg µλ=

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，它与量⼦效率、载流⼦对有源区的注⼊效率、光在谐振腔的损耗情况、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。th th th th d /)(/)(I I P P e I I hf P P --=--=η

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，I 0表⽰室温下的阈值电流，T 表⽰温度，T 0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，T 0 =50～80K ；A1GaAs/GaAs 的激光器， T 0 =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%。3． 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I th 时，发出的是荧光，光谱很宽，如图（a ）所⽰。当I ＞ I th 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。 0/0T T th eI I

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。4．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。

下图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥分别为平⾏于结平⾯和垂直于结平⾯的辐射⾓，整个光束的横截⾯呈椭圆形。