光電子材料工学特論 第7回 半導体レーザー(発振条 …...Γ = τ 0 d d = t s 5 sp...
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1
レーザーの基本構成
誘導放出自然放出
光共振器
活性媒質
2
半導体レーザー
活性層
自然放出光の発生
誘導放出による光増幅
光共振器
光の帰還
3
半導体レーザー
必須の構成要素
光共振器
pn接合
ダブルへテロ構造
4
半導体レーザー
光共振器
へき開面
面
面
}110{}011{ 2
r
r0 1
1⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−
=nnR
5
へき開
原子間力が
弱い面
⇒へき開面
基板
半導体基板 へき開後
6
半導体レーザー
pn接合
順バイアス
活性層への
キャリア注入
反転分布
7
半導体レーザー
ダブルヘテロ接合
エネルギー障壁
キャリア閉込め
屈折率分布
光閉込め
8
半導体レーザー
発振条件
( ) ( )LknRRGRRG
GTTII
0r2
210S
2
210S
0S21
0
t
sin4-1 +=
透過特性
発振 00 t0 >= II かつ
( )01
0sin
210S
0r
=−=RRG
Lkn利得条件:
共振条件:
9
半導体レーザー
共振条件
( ) 0sin 0r =Lkn πnLkn =0r
垂直入射rt
0
2nnL λ
=
整数:n
10
半導体レーザー
利得条件
0)exp(11 21210S =−=− RRgLRRG
21
1ln1RRL
g = (利得)=
(ミラー損失)
11
半導体レーザー
利得と光強度分布
iαααα
−Γ=Γ−Γ−Γ−Γ=
aa
nnppaaaa
ggg
12
半導体レーザー
発振しきい利得
21i
21i
1ln211ln1
RRLRRLgaa +=+=Γ αα
(発振しきい利得)=
(内部損失)+(ミラー損失)
iα−Γ= aa gg21
1ln1RRL
g =
13
半導体レーザー
発光効率
21 PPP += 1P 2P
スロープ効率
IP
S jj Δ
Δ=d
14
半導体レーザー
発光効率
外部微分 量子効率
ω
ωη
h
heS
eIP
j
jj
d
d
=
Δ÷
Δ=
(外部放出光子数)
(注入キャリア数)
15
半導体レーザー
発光効率
外部微分 量子効率
21i
21id 1ln
21
1ln21
RRL
RRLj
+=
αηη
:内部量子効率iη
16
半導体レーザー
出力比
PRTRT
RTP
1221
211 +=
21 PPP +=
PRTRT
RTP
1221
122 +=
17
半導体レーザー
レート方程式
n
nSnGedJ
tn
τ−−= )(
ddキャリア
濃度
rsp
ph
)(dd
τβ
τnSSnG
tS
+−=光子数 密度
18
半導体レーザー
レート方程式
n
nSnGedJ
tn
τ−−= )(
dd
キャリア濃度
キャリア
注入誘導
放出
自然
放出非発光
再結合
19
半導体レーザー
レート方程式
rsp
ph
)(dd
τβ
τnSSnG
tS
+−=
光子数密度
誘導
放出自然
放出
共振器
損失
20
半導体レーザー
発振しきい値
n
nedJ
tn
τ−=
dd
0=S
定常状態
nedJn τ= nedJn τth
th =
0dd =tn
21
半導体レーザー
発振しきい値
定常状態
ph00
1)()(τ
=−Γ= nngnG a
ph
)(dd
τSSnG
tS
−=
0ph0
th1 n
gn
a
+Γ
=τ
0dd =tS
5sp 10−≈β
22
半導体レーザー
BAJ +=th
0nedAnτ
=
ph0
1ττ g
edBan Γ
=
発振しきい電流密度
23
半導体レーザー
電流-光出力特性
24
半導体レーザー
電流-光出力特性温度特性
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
00thth exp
TT
JJ j
:活性層の温度jT
:特性温度0T
25
半導体レーザー
温度上昇による Jth 増大
増大
利得スペクトルキャリア
オーバーフロー
自由キャリア
吸収
26
半導体レーザー
温度上昇による Jth 増大
オージェ効果 価電子帯吸収
27
半導体レーザー
偏光
TEモード発振
TE
TM(TM)(TE) thth gg <