文档介绍：引言
20世纪70年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后,开创了半导体激光器发展的新时期。随着半导体激光器激射波长范围的扩展、光谱特性的改善和输出功率的增加,半导体激光器的优越性更加明显,应用领域越来越广。
半导体激光器又称为激光二极管,其所发射激光依波长及应用,可分为短波长与长波长激光两大类。短波长激光包含发光波长由390纳米到950纳米的激光,主要用于光驱、激光打印机、条形码机、扫描仪及指示器等光信息及显示的应用;长波长激光则涵盖发光波长由980纳米至1550纳米之激光,主要用于光纤通信。
长波长激光二极管主要用砷化铝镓铟和砷磷化铟镓材料所制成,其中最重要的是使用具有单模、稳频操作的1310纳米或1550纳米激光二极管,以作为光纤通信的光源。另外,也有用在光纤放大器的激发源的980纳米或1480纳米激光二极管。由于长距离光纤通信朝向高传输功率及波长多任务系统发展,使用光纤放大器取代传统的电子式中继站正迅速发展。
激光二极管的寿命与其制备工艺密切相关,每一步工艺都可能对其可靠性产生重大影响。本文将着重研究长波长激光二极管的原理及制作工艺,力求降低激光器的阈值电流,提高激光器的光功率,延长激光器的工作寿命。
第一章激光理论基础
激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”。本章介绍了激光的产生及其特性。
激光的产生原理
普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级(E2)的电子寿命很短,在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将会产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量为hv=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程,各发光原子的发光过程各自独立,互不关联,即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外相位、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度,所以发射光的频率也不是单一的,而有一个范围。
在通常热平衡条件下,处于高能级E2上的原子数密度N2,远比处于低能级的原子数密度低,这是因为处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小,即
N∝exp(-E/kT),这是著名的波尔兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波尔兹曼常量,T为绝对温度。因为
E2>E1,所以N2《N1。所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
受激辐射和光的放大
由量子理论知识知道,一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数
n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态,除了能量还有轨道角动量L和自旋角动量S,它们都是量子化的,由相应的量子数来描述。对轨道角动量,波尔曾给出了量子化公式Ln=nh,但这不严格,因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。
量子理论告诉我们,电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在量子数相差±1的两个状态之间,这就是一种选择规则。如果选择规则不满足,则跃迁的几率很小,甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级,一旦电子被激发到这种能级上时,由于不满足跃迁的选择规则,可使它在这种能级上的寿命很长,不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是,在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级,并放出光子。这种过程是被
“激”出来的,故称为受激辐射。
受激辐射的过程大致如下:原子开始处于高能级E2,当一个外来光子所带的能量
hv正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点,就是原子可发出与诱发光子全同的光子,不仅频率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是,入射一个光子,就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大,这种受激过程中产生并被放大的光就是激光。
粒子数反转
当频率一定的光射入工作物质时,受激辐射和受激吸收两过程同时存在,受激辐射使光子数增加,受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时,粒子在各能级上的分布,遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律,处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时,光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称