第4章 复习思考题
参考答案
4-1 简述半导体发光基理
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg?Ec?Ev以光的形式放出，如图4.2.1所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差?E所决定。能带差?E和发
h 是普朗克常数，出光的振荡频率vo之间有?E?hv的关系，等于6.625?10?34 J?s 。由??cv得出
hc1.2398?（?m） （4.2.1） ?E?E式中，c 为光速，?E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。
??
图4.2.1 半导体发光原理
4-2 简述激光器和光探测器的本质区别
答：发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差?E?Ec?Ev?hv的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b）所示。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv的光照射到占据低能带Ev的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带Ec上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c）所示，这就是光接收器件。
4-3 自发辐射的光有什么特点
答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回Ev能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a）所示。
4-4 受激发射的光有什么特点
答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。
4-5 如何才可能实现光放大？
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc?Nv时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数g?0，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使Nc?Nv，g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.3所示。
4-6 说出产生激光的过程
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc?Nv时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数g?0，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使Nc?Nv，增益系数g > 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.2.2（b）和图4.2.3所示。
半导体材料在通常状态下，总是Nc?Nv，因此称Nc?Nv的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。
EcEvEFpp+结n+导带电子EFnEcEc粒子数反转区p+EgEvn+EchvEFneVEFp价带空穴电子Ev
（a）没有偏置时的能带图
+-
（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起
粒子数反转，发生受激发射
图4.2.3 半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。在1.3.2节中，我们已讨论了法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（Cleaved Facets）构成法布里-珀罗谐振腔，如图4.2.4所示。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件，相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干，阈值条件使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。谐振腔里存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50 %耦合进入光纤，如图4.2.3（a）所示。后端面发射的光，由封装在内的光电检测器接收变为光电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定（图4.2.3（a）没有画出）。图4.2.5表示半导体激光器频谱特性的形成过程，它是由谐振腔内的增益谱和允许产生的腔模谱共同作用形成的。
4-7 激光器起振的阈值条件是什么
答：阈值条件是使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。
4-8 激光器起振的相位条件是什么
答：相位条件是使谐振腔内的前向和后向光波发生相干。
4-9 光学谐振腔存在哪些损耗？
答：光学谐振腔体存在的损耗有增益介质单位长度的吸收损耗和由于解理面反射率小于 1 而导致的损耗。
4-10 实际使用中为什么总是用热电制冷器对激光器进行冷却和温度控制
答：半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波长也随温度而变化。对于1.55 ?m器件，每增加1 ℃，频率变化13 GHz。频率随注入电流的变化虽然随器件而异，但典型值为每毫安变化130 GHz。通常要求频率变化不应超过调制带宽的1/10。实验表明，假如偏流控制在0.1 mA以内变化，采用自动温度控制后，波长稳定在几百兆赫变化，则现有商用DFB激光器就可以使用。许多商品化激光器组件包含了可以维持阈值电流相对恒定的器件，通常能够使温度稳定到0.1℃以下。
图4.6.2表示使用反馈控制的激光器自动温度控制电路原理图。安装在热电制冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。热电制冷器采用珀尔帖效应产生制冷，它的制冷效果与施加的电流成线性关系。为防止制冷器内部发热引起性能下降，在制冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。
图4.6.2 激光器的自动温度控制原理图
4-11 半导体激光器的基本特性是什么
答：半导体激光器的基本特性有阈值电流、温度特性、波长特性。
半导体激光器属于阈值性器件，即当注入电流大于阈值点时才有激光输出，否则为荧光输出。半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率是随温度而变化，另外，激光器的发射波长也随温度而变化。激光器的波长特性可以用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描述。
4-12 简述DFB激光器的工作原理
答：DFB半导体激光器可分为两类：分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器。图4.3.6为DBR激光器的结构及其工作原理，如图所示，DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右侧增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。这种衍射光栅相当于在3.4.5节介绍的频率选择电介质镜，也相当于在1.3.2节介绍的反射衍射光栅。衍射光栅产生布拉格衍射，DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距 ? 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如，当部分反射波A和B的路程差为2? 时，它们才发生相长干涉。DBR的模式选择性来自布拉格条件，即只有当布拉格波长?B满足同相干涉条件
m??Bn??2Λ （4.3.2）
时，相长干涉才会发生。式中，? 为光栅间距（衍射周期），n为介质折射率，整数m为布拉格衍射阶数。因此 DBR 激光器围绕?B具有高的反射，离开?B则反射就减小。其结果是只能产生特别的 F-P 腔模式，在图4.3.5中，只有靠近?B的波长才有激光输出。一阶布拉格