±
(m+1 2)λ2B 2ng L
单纵模激光器的基本特性
¾ 线宽增强因子
α =−4π dneff aλ dN
¾ 谱线宽度
Δv
=
hvnspvg2 8πP0
αm
(αin
+αm
)(1+α)
¾ 频率啁啾效应
nsp
=
1 1−e−[(Fn−Fp
)−Eg
]
kT
Δv(t)
=
−
α 4π
⎡d ⎢ ⎣
ln P(t) dt
¾ 响应度和量子效率
¾ 解理耦合腔（C3）激光器
¾ 外腔激光器
¾ 分布反馈（DFB）激光器
¾ 分布布拉格反射（DBR） 激光器
¾ 垂直腔面发射激光器 （VCSEL）
DFB 激光器的光谱特性
¾ 均匀光栅的反射谱 ¾ DFB 激光器的输出谱
¾ λ/4 相移 DFB 激光器
¾ DFB 激光器的纵模
在无镜面反射时：
λm
=
λB
半导体光电子器件
Semiconductor Optoelectronic Devices （二）
陈根祥
北京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室 2007-4-23
半导体激光器的速率方程理论（0维模型）
¾ 激光器的纵模（以FP激光器为例）
纵向谐振条件： λm =2neffm, L m, m=int 纵模间隔：
−ΔEc kT
L
c, A
c, A
th
¾ 增益饱和
gj,th = a(Nth − N0)−b(ν j −ν0)2 高光子密度下： gj = gj,th (1+ε S) ε : 增益压缩因子
¾ 端面出光功率
Pout = P1 + P2
P1 ∝(1−r1) r2 , P2 ∝(1−r2) r1
P1
=ηext⎜⎝⎛
=
α Γ
=
1 Γ
(αin
+
1 2L
ln
1 r1r2
)
¾ L-I 特性和光谱特性
Nth
=
N0
+
1 aΓ
(αin
+
1 2L
ln
1 r1r2
)
J th
=
edNth τ
量子效率与热载流子泄露
¾ 微分量子效率
外部微分量子效率：
ηext
=
ΔPout ΔI
hν0 e
≅
Pout hv0 (I −Ith) e
Pout
=ηext⎜⎝⎛
hν0 e
⎟⎞(I ⎠
−Ith)
内部微分量子效率：
ηint
=
ΓgthΔS ΔI e
ηext = ΓΔgSthoΔuSt ηint = (αinα+mαm)ηint
¾ 热载流子泄露
J ∝ N e = N e e = N e −(Ec,B−Fn) kT
−(Ec,A−Fn ) kT −(Ec,B −Ec,A) kT
Δλm = λm −λm+1 ≈ 2neff,mL m2 = λ2m (2neffL)
¾ 纵模增益
gj(N) = a(N −N0)−b(ν j −ν0 )2
¾ 速率方程
∑ dN
dt
=
J ed
−
RSRH(N)
−
Rsp(N)
−
RAuger(N)
−
j
g jSjvg, j
dSj dt
= (Γj gj
−α j )Sjvg, j
¾ 一个实例
1.3um InGaAsP DCPBH LD
输出发散角
¾ 一般情形
θ ⊥ ~ 2 sin −1(λ ) deff ( ) θ|| ~ 2 sin −1 λ weff
典型值： θ ⊥ ~ 30 ~ 40°, θ|| ~ 10 ~ 20° ¾ 分别限制异质结（SCH）激光器
¾ 模斑变换器（SSC）
动态特性
¾ 时间延迟
dN= J − N dt ed τ
∫ τd
=
Nth 0
⎡J ⎢⎣ed
−
N⎥⎦⎤−1dN=τ
ln
J
J − Jth
¾ 瞬态过程：驰豫振荡和振荡阻尼
增益压缩因子 ε 、自发辐射系数 β
和纵模数目均对激光器的驰豫过程具 有阻尼作用
¾ 等效电路和调制谱宽
ωm
=
1 RsC p
动态单纵模激光器（纵模控制技术）
¾ ASE谱和噪声
I
+ ASE
,M
(ν
)
=
nsp
χ
(G
− 1)hν
¾ 交叉增益调制（串话）
χ
=
1 + R1G (1 − R1 R 2G 2 )
≈1+
R1G
N (∑ | E |2 ) ⇒ g(N ) ⇒ G(∑ | E |2 )
¾ 光学非线性
N (| E |2 ) ⇒ n( N ) ⇒ n(| E |2 )
+ 2Γε ηdhvV
⎤ P(t)⎥
⎦
半导体光放大器（SOA）
¾ 基本结构
¾ 增益谱
( ) G = 1−
(1 − R1 )(1 − R2 )Gs R1R2 Gs 2 + 4 R1R2 Gs sin 2 Φ
∫ L
[Γg
∫0
(v,
z
)−αin
]dz
G = e ; s
Φ = 2πν
c
L
0 neff (v, z)dz
J th = J 0eT T0
T0: 特征温度
加：T0 = 50 ~ 70K for InGaAsP LD' s, T0 = 150 ~ 180K for GaAs LD' s
¾ 量子效率随注入电流的变化
随注入电流增加，结温升高，导致载流子泄露和非辐射复合速率增加，
从而引起量子效率降低。
¾ 激射波长随温度的变化
随注入电流增加，结温升
高，导致有源区带隙减小，
从而引起激射波长的增大。
λm (T ) = 2neff (T )L(T ) m 0.07nm/K for GaAs; 0.1nm/K for InGaAsP
[ ] λpeak(T) =1.24 Eg (T) + kT
0.35nm/Kfor GaAs;0.5nm/Kfor InGaAsP
hν0 e
⎟⎞ ⎠
(
(1−r1) r2 r1 + r2 )(1−
r1r2 ) (I −Ith)
P2
=ηext⎜⎝⎛
hν0 e
⎟⎞ ⎠
(
(1−r2) r1 r1 + r2 )(1−
r1r2 ) (I −Ith)
半导体激光器的温度特性
¾ 阈值随温度的变化
载流子的非辐射复合速率和热载流子泄露均 随温度升高而增加，导致阈值电流密度增
应变层多量子阱（SL-MQW）器件
¾ nm级有源层
¾ 特点
态密度减小导致高微分增益和极低的阈值。为提高功率限制因子，一般 采用多量子阱和分别限制异质结结构。
¾ 应变层量子阱 和能带工程
PIN光电二极管
¾ PN结光电效应 ¾ PIN光电检测器
¾各种材料的吸收谱
+ β jRsp(N)
j = −M,−M +1,....,M
RSRH = AN,
Rsp = BN2,
RAuger = CN3,
α
j
=α
= αin
+
1 2L
ln
1 R1R2
,
Γj = Γ
半导体激光器的静态特性
¾ 稳态光子速率方程
Sj
=
βjRsp(N) (αj −Γjgj)vg,j
¾ 阈值增益
g0,th