1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性
(1)伏安特性
GaAs 激光器的伏安特性與二極管相同,也具有單向?qū)щ娦?span style="color:black">,如圖(1)所示。激光器系正向使用,其電阻主要取決于晶體體電阻和接觸電阻,其阻值雖然不大,但因工作電流密度大,不能忽視它的影響。
(2)閾值電流密度
影響閾值的因素有:①晶體的摻雜濃度越大,閾值越??;②諧振腔的損耗越小,閾值越??;③在一定范圍內(nèi),腔長(zhǎng)越長(zhǎng),閾值越低;④溫度對(duì)閾值電流的影響很大,半導(dǎo)體激光器宜在低溫或室溫下工作。同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度很高.達(dá)(3×104~5×104)A/cm2。這樣高的電流密度,將使器件發(fā)熱。故同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器在室溫下只能低重復(fù)率(幾KHz一幾十KHz)下脈沖工作。
圖(1) GaAs激光器的伏安特性 圖(2) 激光束的空間分布
(3)方向性
由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小,激光方向性較差,特別是在結(jié)的垂直平面內(nèi),發(fā)散角很大,可達(dá)20°~30°。在結(jié)的水平面內(nèi),發(fā)散角約為幾度。圖(2)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。
(4)光譜特性
圖(3)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時(shí)的熒光光譜,譜寬一般為幾百埃,圖#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(b)是注入電流達(dá)到或大于閾值時(shí)的激光光譜,譜寬達(dá)幾十埃。半導(dǎo)體激光的譜寬盡管比熒光窄得多,但比氣體和固體激光器要寬得多。隨著新器件的出現(xiàn),譜寬已有所改善,如分布反饋式激光器的線寬,只有1埃左右。
圖(3) GaAs激光器的發(fā)射光譜 (a) 低于閾值 (b) 高于閾值
(5)轉(zhuǎn)換效率
注入式半導(dǎo)體激光器是一種把電功率直接轉(zhuǎn)換為光功率的器件,轉(zhuǎn)換效率極高。轉(zhuǎn)換效率通常用量子效率和功率效率量度。
① 外微分量子效率
外微分量子效率定義為
式中,P是輸出功率,Pth是閾值發(fā)射光功率,hv為發(fā)射光子能量,i是正向電流,ith是正向閾值電流,e為電子電量。由于P#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#比Pth大得多,所以上式可改寫為
(2)
式中V是正向偏壓。由該式可見,ηD實(shí)際上對(duì)應(yīng)于輸出功率與正向電流的關(guān)系曲線中閾值以上的線性范圍內(nèi)的斜率。
② 功率效率
功率效率ηP定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比,即
式中,V是p-n結(jié)上的電壓降,RS是激光器串聯(lián)電阻(包括材料電阻和接觸電阻)。由于激光器的工作電流較大,電阻功耗很大,所以在室溫下的功率效率只有百分之幾。
2.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器
由不同材料的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的p-n結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。為了克服同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的缺點(diǎn),提高功率和效率,降低閾值電流,研制出了異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。
(1)單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器
單異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)如圖(4)(b)所示,單異質(zhì)結(jié)是由p-GaAs與p-GaAlAs形成的。電子由n區(qū)注入p-GaAs,由于異質(zhì)結(jié)高勢(shì)壘的限制,激活區(qū)厚度d»2#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#m,同時(shí),因p-GaAlAs折射率小,“光波導(dǎo)效應(yīng)”顯著,將光波傳輸限制在激活區(qū)內(nèi)。這兩個(gè)因素使得單異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度降低了1~2個(gè)數(shù)量級(jí),約
(2)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器
雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器指的是在激活區(qū)兩側(cè),有兩個(gè)異質(zhì)結(jié),如圖(4)(c)所示。
圖(4) 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)示意圖
雙異質(zhì)結(jié)激光器激活區(qū)內(nèi)注入的電子和空穴,由于兩側(cè)高勢(shì)壘的限制,深度劇增,激活區(qū)厚度變窄,d»0.5m。同時(shí),由于激活區(qū)兩側(cè)折射率差都很大,“光波導(dǎo)效應(yīng)”非常顯著,使光波傳輸損耗大大減小。所以,雙異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流密度更低,可降到102~
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