半导体激光器基本结构
半导体激光的原理和应用
半导体激光的原理和应用引言半导体激光是一种重要的光学器件，具有广泛的应用领域。
本文将介绍半导体激光的工作原理及其在通信、医疗、制造业等领域的应用。
工作原理半导体激光的工作原理基于半导体材料的特性。
当电流通过半导体材料时，会激发出光子并形成发光。
具体工作原理如下：1.pn结构：半导体激光器的基本结构是由p型半导体和n型半导体组成的pn结构。
在pn结构中，p区和n区之间形成空间电荷区，也称为p-n 结。
2.电流注入：当通过pn结施加适当的电压，电子从n区向p区流动，形成电流注入。
这些电子与空穴在p区与n区之间复合，产生光子。
3.光反射：在激光器的两侧，通常会使用反射镜，以确保光子在激光器内部多次反射，增加激射效果。
4.放大效应：在光子多次反射后，激光器中的光子会被放大，形成激光束。
5.激光输出：当光子放大到一定程度时，会通过激光输出端口输出，形成一束聚焦强度高的激光。
应用领域半导体激光广泛应用于下述领域：1. 通信领域•光纤通信：半导体激光器的小体积、高效率和调制速度的优势，使其成为光纤通信中的关键元件。
它们被用于发送和接收信号，实现高速、稳定的数据传输。
•光纤传感器：半导体激光器可以用于光纤传感器中的光源，通过测量光的特性实现温度、压力和应变等参数的监测。
2. 医疗领域•激光眼科手术：半导体激光器可以用于激光眼科手术，如LASIK手术。
它们通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等眼科问题。
•激光治疗：半导体激光器可以用于激光治疗，如治疗疱疹病毒感染、减少毛囊炎症等。
3. 制造业领域•材料加工：半导体激光器用于材料加工，如切割、焊接和打孔等。
由于激光束的高能量密度和聚焦性，它们可以实现高精度的材料加工。
•激光制造：半导体激光器可以用于激光制造，如3D打印、激光烧结等。
它们可以实现复杂结构的制造，提高生产效率。
4. 科研领域•光谱分析：半导体激光器可以用于光谱分析，如拉曼光谱和荧光光谱。
它们可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱结果，帮助科研人员研究物质的性质。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而半导体激光器是其中一种常用的激光器类型。
它通过半导体材料的特殊性质来产生激光光束。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理。
一、激光的基本原理要了解半导体激光器的工作原理，首先需要了解激光的基本原理。
激光是一种特殊的光，与普通的自然光有很大区别。
激光光束具有相干性、单色性和聚焦性等特点，这些特征使得激光在各个领域有广泛的应用。
激光的产生是通过光子的受激辐射过程实现的。
在光学腔中，光子通过与激发状态的原子或分子发生相互作用，被吸收并获得能量。
然后，这些激发的原子或分子会受到外界刺激，由高能级跃迁到低能级，释放出原子或分子的“多余”能量。
这些能量会以光子的形式，经过光放大器的反射和反射，最后通过激光器的输出窗口发出。
这样就形成了一束特殊的激光光束。
二、半导体激光器的结构半导体激光器是利用半导体材料的特性来产生激光的器件。
它的主要结构由正、负型半导体材料组成，通常是p型和n型半导体，中间夹层为n型材料。
具体来说，半导体激光器一般由以下几个关键部分构成：1. 激活层（active layer）：激活层是半导体激光器的核心部分，也是激光的产生和放大的地方。
它由两种半导体材料之间的异质结构构成，通常是由n型和p型材料组成。
当外加电流通过激活层时，会在激活层中产生载流子（电子和空穴）。
2. 波导层（waveguide layer）：波导层是指导激光光束传播的部分，其材料的折射率通常比周围材料低。
通过选择合适的波导层结构，可以实现激光束的单模（TEM00）输出。
3. 管腔（cavity）：管腔是激光器中的一个重要元件，它由两个高反射率镜片构成，将光线限制在波导层中，形成光学腔。
其中一个是部分透射的输出镜，另一个是全反射的输出镜。
管腔的长度决定了激光的波长。
4. 电极（electrodes）：电极主要用于施加电场，控制激光器的开启和关闭。
它们通常位于激光器的两端，通过外接电源提供正向或反向偏置电压。
半导体激光器基本结构
第3章 通信用光器件
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位 物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为 N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布
N2 E2－E1 ＝exp－ N1 kT
(3.2)
式中，k=1.381×10－23 J/K，为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2－E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因 为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速 率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如 果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光 强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。
第3章 通信用光器件
T I th＝I 0 exp( ) T0
(3.9)
式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特 征温度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100～150 K、InGaAsP-InP激光 器T0=40～70 K，所以长波长InGaAsP-此靠近，
组成有一定宽度的带，称为能带。形成共价键的价电子所占 据的能带称为价带（低能带），而价带上面临近的空带（自
由电子占据的能带）称为导带（高能带）。二者之间的区域
称为禁带。
第3章 通信用光器件
3. 激光振荡和光学谐振腔
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产 生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方 向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射 镜构成，并被称为法布里-珀罗(F-P，Fabry Perot)谐振腔。由于 谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自 发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播 的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈， 不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提 高。
半导体激光器ppt课件
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子 填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识
.
Free Electron Si
P型半导体（C）
将3价原子（硼、镍、铟等 ）掺入本征半导体中， 则 将多余出空穴数目，形成p 型半导体。空穴为主要载流 子，电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴，故称为受主杂 质（Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中，因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得，
(k)dk ＝ V
k2 2
dk＝
mr
k
d ,
(0
)＝
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1＋ 0 2 T22
本征半导体（A）
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时，其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带，而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物，如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下， 典型的增益 (0 )频率关系曲线
单模半导体激光器
单模半导体激光器
单模半导体激光器是一种使用半导体材料制造的激光器，能够产生单一模式（即具有特定波长和方向的激光束）。
它通常由半导体材料（如GaAs或InP）制成的PN结构组成，其中包
含一个激活区域。
在单模半导体激光器中，激活区域通过注入电流被激发，并产生光子。
光子在激光器的材料中来回反射，并在激光器两端的反射镜之间形成光学腔。
其中一个反射镜是一个半透明薄膜，允许激光束从其中透出。
由于单模半导体激光器中的光学腔长度非常短（通常为几毫米到几厘米），因此只能支持特定的激射模式。
这种结构使单模半导体激光器能够产生单一模式的激光束，其特点是产生高质量、高亮度和较窄的光束。
单模半导体激光器具有多种应用，包括光纤通信、激光器打印、激光雷达、科学研究等。
它们具有体积小、功耗低和可靠性高等优点，广泛应用于现代通信和工业领域。
半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构半导体材料的带隙能级结构：半导体材料有一种特殊的能带结构，即价带和导带之间的能带隙。
在室温下，绝大多数的电子都位于价带中，而导带中的电子很少。
当半导体材料被外加能量（如电子或光子）激发时，部分价带中的电子可以跃迁到导带中，形成电子空穴对（即一个自由电子和一个电子准正空穴）。
基本结构：1.活性层：活性层是半导体激光器中的关键组成部分，由两种不同的半导体材料组成，通常是p型半导体和n型半导体。
活性层的主要作用是在激发能量下产生电子空穴对。
2.限制层：限制层位于活性层的两侧，通过选择性的掺杂和选用合适的材料，限制层能够限定和增强光场在活性层中的传播。
3.p型区和n型区：p型区和n型区分别为半导体激光器提供正负载流子。
其中p型区富含准正空穴，n型区富含自由电子。
这种介质结构导致了在活性层中形成电子与准正空穴的往复跃迁。
工作原理：1.连续工作模式：（1）原始激发：在激光器的活性层中，通过电流或光激励，会使得电子和准正空穴对被激发到导带和价带之间，产生电子空穴对。
（2）产生反映：电子和准正空穴对在原地跃迁，产生辐射效应。
由于受到限制层的调控，只有在活性层的中央区域产生的光才能被放大。
（3）光放大：放大的光通过反射和吸收来回往复传播，不断增强。
当光子数目经过数次放大后超过临界值，就会发生光放大。
（4）光输出：当光子数目增加到一定程度时，会反射出一部分光线，形成输出激光。
2.脉冲工作模式：与连续工作模式相比，脉冲工作模式中，外加的激发电流或光脉冲的时间和强度较短，产生的激光输出也更为短暂和高强度。
脉冲工作模式在通信、医疗和材料加工等领域有广泛应用。
总结：半导体激光器利用半导体材料的带隙能级结构和电子之间的跃迁来产生激光。
其基本结构由活性层、限制层、p型区和n型区组成。
在连续工作模式中，通过激励产生电子空穴对，在活性层中逐渐放大并输出激光。
在脉冲工作模式中，产生的激发脉冲时间短暂，输出的激光也对应短暂和高强度的脉冲。
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第3章 通信用光器件
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带 时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式 (3.1)得到 h f=Eg 式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10－34 J· s为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
第3章 通信用光器件
1. 受激辐射和粒子数反转分布
有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物 质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比 基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态。电子在低能级E1的 基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图 3.1)： (1) 受激吸收。 (2) 自发辐射。 (3) 受激辐射。
第3章 通信用光
(3.5)
式中，λ为激光在真空中传播的波长，n为激活物质的折射率， λ/n为激光在介质中传播的波长，q=1, 2, 3，…称为纵模模数。 式(3.5)意味着，L应为介质中激光传播波长的1/2的整数倍。
第3章 通信用光器件
4. 半导体激光器基本结构
半导体激光器的结构多种多样，基本结构如图3.5示出 的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型 半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所 用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄禁带 P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽禁带的P型和N型半 导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两 个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。
E2-E1 =10.20eV 令g2=g1 =1，在室温T=300K时(kT近似为0.026eV)，可以 计算出
10.20 n2 e 0.026 e392 10170 n1
第3章 通信用光器件 2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。 在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展 成能级连续分布的能带。晶体的能级谱在原子能级的基础上
按共有化运动的不同分裂成若干组，每组中能级彼此靠近，
组成有一定宽度的带，称为能带。形成共价键的价电子所占 据的能带称为价带（低能带），而价带上面临近的空带（自
由电子占据的能带）称为导带（高能带）。二者之间的区域
称为禁带。
第3章 通信用光器件
3. 激光振荡和光学谐振腔
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产 生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方 向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射 镜构成，并被称为法布里-珀罗(F-P，Fabry Perot)谐振腔。由于 谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自 发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播 的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈， 不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提 高。
第3章 通信用光器件
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位 物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为 N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布
N2 E2－E1 ＝exp－ N1 kT
(3.2)
式中，k=1.381×10－23 J/K，为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2－E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因 为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速 率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如 果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光 强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。
第3章 通信用光器件
第3章 通信用光器件
光 源
光检测器 光无源器件 小 结
第3章 通信用光器件
3.1 光 源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数 反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光 放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的 光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开 始。
hc 1.24 ( m) Eg Eg
(3.6)
第3章 通信用光器件
2. 激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光 器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距 离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远 场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行 于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称 为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振 腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直 于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。
第3章 通信用光器件
另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存
在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等 (满足振幅平衡条件)时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振
荡，其阈值条件为
1 1 th＝＋ ln 2 L R1 R2
(3.4)
式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1、R2<1为两个反射镜的反射率。
第3章 通信用光器件 如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这 种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒 子(电子)数反转分布。 例：以氢原子为例，它的第一激发态能量为E2=-3.40eV，
基态能量为E1=-13.6eV，则