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27
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

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Page 1: 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 10 β ≈ − 22 半導体レーザー J th = + A B n 0 ed A τ n = 0 ph 1 g τ

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

Page 2: 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 10 β ≈ − 22 半導体レーザー J th = + A B n 0 ed A τ n = 0 ph 1 g τ

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

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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

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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

Page 5: 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 10 β ≈ − 22 半導体レーザー J th = + A B n 0 ed A τ n = 0 ph 1 g τ

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

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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

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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

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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：　

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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

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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）

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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

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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 =

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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

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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）

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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

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16

半導体レーザー

出力比

PRTRT

RTP

1221

211 +=

21 PPP +=

PRTRT

RTP

1221

122 +=

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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

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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

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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

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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

Page 21: 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 10 β ≈ − 22 半導体レーザー J th = + A B n 0 ed A τ n = 0 ph 1 g τ

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

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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

Page 23: 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 10 β ≈ − 22 半導体レーザー J th = + A B n 0 ed A τ n = 0 ph 1 g τ

23

半導体レーザー

電流－光出力特性

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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

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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

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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

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半導体レーザー

偏光

TEモード発振

TE

TM(TM)(TE) thth gg <


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