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        科學(xué)決不是也永遠(yuǎn)不會是一本寫完了的書。每一項(xiàng)重大成就都會帶來新的問題。任何一個發(fā)展隨著時間的推移都會出現(xiàn)新的嚴(yán)重困難。—愛因斯坦（A.Einstein）

一、LD激光發(fā)射條件——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光學(xué)諧振腔 1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——產(chǎn)生激光的首要條件

       半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)是一個法布里-珀羅諧振腔，如圖6.2.1所示。激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。用Nc和Nv分別表示高、低能帶上的電子密度。當(dāng)Nc<Nv時，受激吸收過程大于受激發(fā)射，增益系數(shù)g<0，只能出現(xiàn)普通的熒光，光子被吸收的多，發(fā)射的少，光場減弱。若注入電流增加到一定值后，使Nc＞Nv，增益系數(shù)g＞0，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場迅速增強(qiáng)，此時的PN結(jié)區(qū)成為對光場有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射，如圖6.1.8b所示。

       半導(dǎo)體材料在通常狀態(tài)下，總是Nc<Nv，因此稱Nc＞Nv的狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的首要條件。

2.光學(xué)諧振腔——形成激光的第2個條件

       半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的第2個條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。初始光場在諧振腔體內(nèi)移動δx，獲得了增益δg，如圖6.2.1d所示。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。前面已討論了法布里-珀羅諧振腔的構(gòu)成和工作原理。在半導(dǎo)體激光器中，用晶體的天然解理面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔，如圖6.2.1所示。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件。相位條件使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干，閾值條件使腔內(nèi)獲得的光增益g（ν）正好與腔內(nèi)損耗相抵消，此時的縱模就變成發(fā)射主模，如圖6.2.2所示。諧振腔里存在著損耗，如鏡面反射損耗、工作物質(zhì)吸收和散射損耗等。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，才能在諧振腔的兩個端面輸出譜線很窄的相干光束。前端面發(fā)射的光約有50%耦合進(jìn)入光纖，如圖6.2.1a所示。后端面發(fā)射的光，由封裝在內(nèi)的光檢測器接收變?yōu)楣馍娏?，?jīng)過反饋控制回路，使激光器輸出功率保持恒定。

圖6.2.1半導(dǎo)體激光器

a）LD相當(dāng)于法布里-珀羅諧振腔   b）腔內(nèi)縱模駐波

c）腔內(nèi)縱模共振光譜d）初始光場在諧振腔體內(nèi)移動δx獲得增益δg

二、激光器起振的閾值條件——腔體閾值增益等于總損耗

       為了確定激光器起振的閾值條件，先來研究平面波幅度在諧振腔內(nèi)傳輸一個來回的變化情況。設(shè)平面波的幅度為E0，頻率為ω，在圖6.2.3中，設(shè)單位長度增益介質(zhì)的平均損耗為αint（cm-1），兩塊反射鏡的反射系數(shù)為R1和R2，光從x=0處出發(fā)，在x=L處被反射回x=0處，這時光強(qiáng)衰減了R1R2exp［-αint（2L）］。另外，在單位長度上因光受激發(fā)射放大得到了增益g，光往返一次其光強(qiáng)放大了exp［g（2L）］倍，維持振蕩時光波在腔內(nèi)來回一次的光功率應(yīng)保持不變，即Pf=Pi，這里Pi和Pf分別是起始功率和循環(huán)一周后的反饋功率。也就是說，衰減倍數(shù)與放大倍數(shù)應(yīng)相等，于是可得到

       由此可求得使Pf/Pi=1的增益，即閾值增益gth，該增益應(yīng)該等于腔體的總損耗，它對應(yīng)閾值粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，即Nc-Nv=（Nc-Nv）th，達(dá)到閾值時，高、低能帶上的電子密度差為（Nc-Nv）th，表示閾值粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)條件。法布里-珀羅半導(dǎo)體激光器通常發(fā)射多個縱模的光，如圖6.2.1c所示。半導(dǎo)體激光器的增益頻譜g（ω）相當(dāng)寬（約10THz），在F-P諧振腔內(nèi)同時存在著許多縱模，但只有接近增益峰的縱模變成主模，如圖6.2.2所示。在理想條件下，其他縱模不應(yīng)該達(dá)到閾值，因?yàn)樗鼈兊脑鲆婵偸潜戎髂Ｐ?。?shí)際上，增益差相當(dāng)小，主模兩邊相鄰的一兩個模與主模一起攜帶著激光器的大部分功率。這種激光器就稱作多模半導(dǎo)體激光器。由于群速度色散，每個模在光纖內(nèi)傳輸?shù)乃俣染幌嗤?，所以半?dǎo)體激光器的多模特性將限制光波系統(tǒng)的比特率和傳輸距離的乘積（BL）。

圖6.2.2激光器增益譜和損耗譜