半導體雷射器的瞬態特性

半導體雷射器的瞬態特性

正文

半導體雷射器從某一穩定工作狀態過渡到另一穩定工作狀態的過程中所出現的瞬態現象，或對階躍電流的回響。主要有激射延遲、張弛振盪和自脈動。這些現象限制著半導體雷射器振幅調製或頻率調製的性能，特別是最高調製速率。
激射延遲　半導體雷射器加上階躍電流後，不會立即發射具有相干性的雷射。最初是產生不相干的自發發射，並不斷增強。從PN結注入到半導體雷射器諧振腔有源區中的非平衡載流子濃度N在自發複合過程(其壽命時間為τ≈1～5×10-9秒)中不斷積累,使腔內半導體不斷從吸收狀態變為增益狀態，直到第一次達到相應的平衡值Nth之後(圖1中N/Nth曲線達到1時)才能開始激射。對於雙異質結半導體雷射器，垂直結面光限制較強（折射率差約為0.2）,激射延遲時間td主要由非平衡載流子的積累時間決定，約為

式中j為注入電流密度,jth為閾值電流密度。電流切斷後,雷射很快消失,而非平衡載流子濃度N則經歷τ時間才能降低到切斷時的36.8％，所以在td以內的外加信號將無光回響而丟失(碼型效應)。這種正常的激射延遲效應可用來測量短壽命τ,也可採取措施（如加適當偏流Ib或先行脈衝）來消除。但在同質結和單異質結(SH)雷射器中垂直結面方向至少有一邊光限制很弱（其折射率差約為6×10-4），有時易被注入載流子等離子振盪的反波導效應所抵消，因而使非平衡載流子有過量的積累，並增大腔內散射損耗,使td延長1～2個數量級(～10-7 秒),直到注入電流在腔內焦耳熱引起的溫差（墹T）正波導效應 (其折射率差＝4.5×10-4墹T)恢復光限制、降低腔損耗時才激射（反常長延遲效應），或一直到切斷電流時才突然發射一個雷射尖峰（內Q開關效應）。
張弛振盪　正常的半導體雷射器在加上階躍電流後約經td時間產生的激射，往往是以超過相應穩態值埅很多的很窄（～10-11秒）尖峰出現，然後再在埅上下作阻尼振盪，約經阻尼時間τ≈2τ才逐漸穩定在埅,即圖1中曲線,其振盪間隔隨振盪幅度減小而稍微變小（軟彈簧效應）並趨於頻率式中

是半導體雷射器腔內本徵諧振頻率，τ悘是未注入前與腔內損耗有關的表觀壽命。在實際的大信號情況,過沖尖峰高度和阻尼時間τ隨導波模式的自發發射因子γ 的增大而迅速減小。γ是腔內非平衡載流子自發輻射複合所生的各種光子中屬某一導波模式的比率。γ大則達td時導波模式光子數多，而能更早衝過埅,使N 超過Nth不太多，故雷射過沖尖峰不太高,張弛振盪過程提早結束。如作小信號正弦調製，則調製深度隨調製頻率的變化在γ＜10-2情況將出現類諧振峰 (圖2),其峰高隨γ增加而減小,在γ＞10-2情況下,類諧振峰消失。出現類諧振峰的頻率主要也是由fi決定，並隨注入電流增加而提高。條形半導體雷射器中載流子分布不均勻,則載流子擴散過程一般起阻尼作用,降低峰高和縮短阻尼時間。在張弛振盪或高速調製過程中，雷射光譜的包絡寬度或模數隨時間變化,且比穩態增寬,故即使在穩態是單模工作的半導體雷射器，在瞬態或高速調製時，也是多模工作的。大信號正弦深調製可以使半導體雷射每周或每幾周只出現單獨一條皮秒級窄雷射脈衝，並實現瞬態單模工作。注入同模直流雷射可以抑制張弛振盪，用微弱的同頻同模雷射注入鎖定或用外腔或內腔光柵等也可抑制多模，實現瞬態單模工作。
自脈動　半導體雷射器加上一定大小範圍的階躍電流 (j＞jth)經td後也可出現不衰減的周期性窄尖峰脈動,這稱為自脈動。其脈動頻率也是fi量級,並隨注入電流增加而提高(約為0.1～2吉赫)。產生自脈動時，雷射光譜包絡變寬，每條譜線也變寬(比穩態線約增寬一倍)。這種瞬態現象雖不如前兩種普遍，但對調製性能和調製速率影響更大。可利用這種現象作高重複頻率(吉赫級)窄光脈衝（皮秒級）源和雙穩雷射器。產生自脈動的原因是：①由於半導體雷射器有源諧振腔內雷射本徵噪聲頻譜存在一個尖峰，其頻率也在fi量級並隨注入電流增加而提高，因而可能受其激發的自鎖模過程；②由器件結構本身存在的或由工藝不完善性造成的均勻分布（或不均勻分布）的某種可飽和吸收體,引起重複性內Q開關過程。因此，改進工藝（消除微觀及巨觀缺陷），採用適當的器件結構（例如使其具有自建折射率波導），就有可能避免自脈動的產生。減小條寬,使γ增大也可抑制自脈動,但這時雷射光譜包絡將變寬，超輻射將增強,基橫模遠場將出現雙峰。

半導體雷射器的瞬態特性

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