Chapter VII Semiconductor Lasers 参考书：《激光原理及应用》，陈鹤鸣，赵新彦著，电子工业出版社

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1 Chapter VII Semiconductor Lasers 参考书：《激光原理及应用》，陈鹤鸣，赵新彦著，电子工业出版社
Lecture 11 Chapter VII Semiconductor Lasers Highlights 受激发光条件 有源介质的增益系数 1. 半导体激光器工作原理 阈值条件 速率方程 2. 异质结半导体激光器 3. 量子阱半导体激光器 4. 半导体激光器的谐振腔结构 5. 半导体激光器的特性 参考书：《激光原理及应用》，陈鹤鸣，赵新彦著，电子工业出版社

2 直接禁带半导体 (Direct Gap Semiconductor)
§7.0 Introduction I. Some Semiconductor Physics Background . . . Solid State Semiconductor CB VB electrons holes Forbidden Gaps A) Energy Band 绝缘体 金属 半导体 B) Electrons Energy 导带： 价带： 直接禁带半导体 (Direct Gap Semiconductor)

3 §7.0 Introduction C) Femi-Dirac Distribution Electrons: Holes:
费米能级。反映电子在半导体内能带上的分布情况 Holes: 理想情况下，纯净半导体中，导带为空带，而价带被电子充满。 D) p-type and n-type Semiconductor n-type： 在四价半导体晶体材料中掺以五价元素。多出电子 p-type： 在四价半导体晶体材料中掺以三价元素。多出空穴 n-type p-type：

4 §7.0 Introduction E) p-n Junction
P-type range n-type range Self-Built Field Space Charge Range 在 p-n 结上加正向电压，形成载流子注入现象，在这种状态下，结区附近统一的费米能级不复存在 〉双简并能带结构 P range N range 作用区内，同时有大量导电电子和价带空穴 双简并能带结构 光放大

5 §7.0 Introduction II. 半导体中载流子的复合发光
半导体材料中的导带和价带分别对应于原子系统中的激光上、下能级，并通过导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射。

6 §7.1 半导体激光器的工作原理 I. 半导体激光器受激发光条件 (A) 电子在能带间的跃迁 自发辐射跃迁 导带的电子态密度
§7.1 半导体激光器的工作原理 I. 半导体激光器受激发光条件 (A) 电子在能带间的跃迁 自发辐射跃迁 导带的电子态密度 价带的电子态密度 受激吸收跃迁 光子能量密度 受激辐射跃迁

7 §7.1 半导体激光器的工作原理 (B) 粒子数反转条件 伯纳德-杜拉福格条件 II. 有源介质的增益系数 模场限制因子

8 §7.1 半导体激光器的工作原理 III. 阈值条件 阈值增益 内部损耗因子 输出损耗因子 有源区厚度 内量子效率 随温度变化的 两个参量

9 §7.1 半导体激光器的工作原理 IV. 速率方程 注入电流密度 有源区厚度 电子的自发辐射 复合寿命 光子寿命 受激辐射速率 稳态解
§7.1 半导体激光器的工作原理 IV. 速率方程 注入电流密度 有源区厚度 电子的自发辐射 复合寿命 光子寿命 受激辐射速率 稳态解 (1) (2) but (3) and 受激辐射占主导地位

10 理想半导体激光器的输出功率和注入电流曲线
§7.1 半导体激光器的工作原理 LED LD 理想半导体激光器的输出功率和注入电流曲线

11 §7.2 异质结半导体激光器 I. 异质结 为解决同质结半导体结构的高电流密度和加热问题，提出双异质结结构。 基质 单异质结 双异质结 P
§7.2 异质结半导体激光器 为解决同质结半导体结构的高电流密度和加热问题，提出双异质结结构。 I. 异质结 基质 单异质结 双异质结 P I N x z n E

12 §7.2 异质结半导体激光器 II. 双异质结(DH)半导体激光器

13 §7.2 异质结半导体激光器 (A) 增益波导结构 (B) 折射率波导结构 增益波导激光器

14 §7.3 量子阱半导体激光器 量子阱的能带结构 各种量子阱结构

15 §7.3 量子阱半导体激光器

16 §7.4 半导体激光器的谐振腔结构 I. FP腔半导体激光器 II. 分布反馈式(DFB)半导体激光器 (A) 原理 光程差 反射增强

17 §7.4 半导体激光器的谐振腔结构 (B) 结构

18 §7.4 半导体激光器的谐振腔结构 III. 分布布喇格反射(DBR)半导体激光器

19 §7.4 半导体激光器的谐振腔结构 IV. 单频半导体激光器

20 §7.4 半导体激光器的谐振腔结构 V. 垂直腔表面发射(VCSEL)半导体激光器 (1) 发光效率高 (2) 工作阈值极低
§7.4 半导体激光器的谐振腔结构 V. 垂直腔表面发射(VCSEL)半导体激光器 (1) 发光效率高 (2) 工作阈值极低 (3) 工作速率很高 (4) 温度稳定性高，寿命长

21 §7.4 半导体激光器的谐振腔结构 (1) 吉比特局域网 (2) 甭浦固体激光器 (3) 光信息并行处理

22 §7.5 半导体激光器的特性 1、阈值特性 LED LD 阈值电流一般在5mA到100mA之间 2、效率 功率效率 量子效率

23 §7.5 半导体激光器的特性 3、输出模式 （A）纵摸与线宽 线宽：几十到几百MHz （B）横摸与光束发散角