半导体激光器面面观
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半导体激光器(一)PPT课件
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1 P ( E ) 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据 E Ef 和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 1 exp[ ] KT 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。
Ef
Ef
Ef
P 区
PN 结空 间电 场区
N 区
+ + + + ++
• • • • •
是 阈值增益系数； ln( 1 ) R1 R2 是谐振腔内激活物质的损耗系数； th 2L 为谐振腔长度 th 激光振荡的相位条件为： 或
L
L q
2n
L
2 nL
半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
双异质结（DH)LD的结构
E2
初态
hf12
E1
hf12
E2
终态
hf12
E1
hf12
(c)受激辐射
(a)受激吸收
能级与电子跃迁示意图
(b)自发辐射
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为 N1 和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率 分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时， 光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受 激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活 物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分 布。
光与物质相互作用的三种基本方式
• 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级， 同时释放出光子。 • 受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低 能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。 • 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃 迁到高能级。
半导体激光器ppt课件
Ⅱ、与同质结激光器相比，异质结激光器具有以下优点： 1）阈值电流低，同时阈值电流随温度的变化小； 2）由于界面处的折射率差异，光子被限制在作用区内； 3）能实现室温下的连续振荡。
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%。
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%。
半导体激光器的原理及其应用PPT
可靠性
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。
半导体激光器讲解PPT课件
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
14针双列直插式封装：
2019/11/7
36
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
蝶式封装：
2019/11/7
37
光纤通信基础
可编辑
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的 Bragg光栅提供反射功能，
2019/11/7
32
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
同轴激光器的封装：
2019/11/7
33
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
插拔式同轴封装：
2019/11/7
34
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
尾纤式同轴封装：
2019/11/7
35
Eg=h
2019/11/7
4
光纤通信基础
可编辑
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、 完整的半导体。
电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大 大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）
空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大 大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）
原理：Bragg光栅周期，发射波长满足 2=m/n (m=0,1,2,……)
干涉增强方向 2sin=m/n
特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上） 窄线宽，波长选择性好； 温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/℃, 调制特性好，
2019/11/7
半导体激光器原理ppt课件
整理版课件
24
远场特性
• θ⊥随有源区厚度及折射 率差的减小而减小。
• θ∥ 随有源区宽度的减小 而增大。
• 减小有源区的宽度，可 以使远场更趋向于圆形 光斑。
• 减小有源区宽度可以使 高阶模截止。
整理版课件
25
纵模
• F-P腔激光器： 多纵模工作
• DFB激光器 单纵模工作
整理版课件
26
F-P腔激光器
• 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射 率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb / ΔT 小于0.1nm /℃ 。
整理版课件
36
F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾
整理版课件
37
工作特性
5.光谱宽度 6边模抑制比 7上升/下降时间 8串联电阻 9热阻
整理版课件
38
各特性的关系
• 1.强折射率 导引的掩埋 异质结激光 器（BH-LD）
整理版课件
21
横模（侧横模）
折射率导引激光器（Index guide LD）
2.弱折射率导引激光器： 脊波导型激光器 （RWG-LD）
整理版课件
22
横模（侧横模）
增益导引激光器(Gain guide LD)
条形激光器
整理版课件
23
几种典型的折射率导引激光器
整理版课件
47
端面镀膜
• 先解理成条 • 端面镀膜:高反膜\增透膜
端面镀膜的作用: 1.增大出光功率，2.减小阈值电流 高反膜80-90%，增透膜5-10%
整理版课件
48
面发射激光器
Vertical Cavity Surface Emitting Laser
半导体激光器简介
• (3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐 振腔引起的光损耗及激光从腔面输出等引起的损耗，不断增加腔内的 光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒 子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流 阈值条件。当激光器达到阈值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并 被放大，最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中，电子 和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。
半导体激光器简介
目录
• • • • • • • 半导体激光器分类 半导体发光机理 半导体的分类 半导体激光器的原理和结构 半导体激光器性质 几种典型半导体激光器 半导体激光器应用及举例
• 半导体激光器分类
半导体激光器的种类很多，下图进行了简单示意。半导体激光器可 以根据有源层材料、发射波长、器件结构、输出功率和应用领域等不 同方式进行划分，分类方式灵活，相互交错。
典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线
•
•
2、P-I特性 P-I 特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律， 因此是激光器最重要的特性之一。
典型的激光器P-I曲线
• 由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，随注入电流的不同而 经历了几个典型阶段。 • 当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导 地位，半导体激光器发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于 一般的发光二极管。 • 随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占 主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足 以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，半导体激光器发射 的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。 • 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光， 光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。 • P-I 特性曲线决定了一系列半导体激光器参数与特性：
第七章半导体激光器
粒子数反转情况下，若注入光子能量满足
Eg≤h ν <EFn-EFp
将使导带电子向价带跃迁，产生受激辐射。
系统温度为T时，同样得到Eg≤h ν <EFn-Efp
分布反转
7.2 半导体激光器的工作原理
增益系数 增益系数:光放大物质对光的放大能力，定义为光波在介质中经过单位长 度后光强的相对增长率：
G dI (z) / I (z) dz
30
7.2 半导体激光器的工作原理
自发辐射
E2
.
E1
。
发光前
。
E2
E1
. h
发光后
不受外界因素的作用，原 子自发地从激发态回到基态 引起光子发射过程。
普通光源发光的机制
半导体自发辐射寿命，即原子在激发态的平均时间，变化很大，典
型值为10-9~10-3s，它取决于各种半导体参量如禁带宽度Eg（直接的
粒子数反转（Population Inversion ）
热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布:
E2 E1
N e 2
kT
N1
Q E1 E2 N1 N2
热平衡时粒子数的分布
系统处于热平衡态时，处在越高能级的粒子数越少。 当频率一定的光入射到工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存 在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减少。
通过腔两端的反射，向光子提 供正反馈。光信号每通过一次增 益媒质就得到一次放大。
激光器中的光反馈及FP腔
在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜，即光腔。
7.2 半导体激光器的工作原理
由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，这时只有在满足特定 相位关系的光波才能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件。
Eg≤h ν <EFn-EFp
将使导带电子向价带跃迁，产生受激辐射。
系统温度为T时，同样得到Eg≤h ν <EFn-Efp
分布反转
7.2 半导体激光器的工作原理
增益系数 增益系数:光放大物质对光的放大能力，定义为光波在介质中经过单位长 度后光强的相对增长率：
G dI (z) / I (z) dz
30
7.2 半导体激光器的工作原理
自发辐射
E2
.
E1
。
发光前
。
E2
E1
. h
发光后
不受外界因素的作用，原 子自发地从激发态回到基态 引起光子发射过程。
普通光源发光的机制
半导体自发辐射寿命，即原子在激发态的平均时间，变化很大，典
型值为10-9~10-3s，它取决于各种半导体参量如禁带宽度Eg（直接的
粒子数反转（Population Inversion ）
热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布:
E2 E1
N e 2
kT
N1
Q E1 E2 N1 N2
热平衡时粒子数的分布
系统处于热平衡态时，处在越高能级的粒子数越少。 当频率一定的光入射到工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存 在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减少。
通过腔两端的反射，向光子提 供正反馈。光信号每通过一次增 益媒质就得到一次放大。
激光器中的光反馈及FP腔
在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜，即光腔。
7.2 半导体激光器的工作原理
由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，这时只有在满足特定 相位关系的光波才能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件。
光电器件基础 第三章 半导体激光器讲解
光电器件基础·第三章半导体激光器§3.1 半导体激光器的基础理论§3.2 半导体激光器的分类§3.3 半导体激光器的基本结构§3.4 几种常见的半导体激光器§3.5 半导体激光器的基本特性§3.6 量子阱激光器激光是1964年钱学森首先倡议对LASER 一词的意译名。
LASER 是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写，意思是“光的受激发射放大”。
激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为“激光振荡器”。
1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。
1963年H. Kroeme首先提出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。
1969年，前苏联的Zh. I. Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer和Zh. I. Alferov因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。
本章着重介绍半导体激光器的基本原理、基本结构和基本特性。
半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD ），是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。
它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：(1 体积小，重量轻；(2 驱动功率和电流较低；(3 效率高，工作寿命长；(4 可直接电调制；(5 易于与各种光电子器件实现光电子集成；(6 与半导体制造技术兼容，可大批量生产。
由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。
经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低温（77K ）脉冲运转发展到室温连续工作，工作波长从最开始的红外、红光扩展到蓝紫光，阈值电流由105 A/cm2量级降至102 A/cm2量级，工作电流最小到亚mA 量级，输出功率从最初的几mW 到现在的阵列器件输出功率达数kW ，结构从同质结发展到单异质结、双异质结、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型（DFB ）、分布布拉格反射型（DBR ）等270多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延（LPE ）、气相外延（VPE ）、金属有机化合物淀积（MOCVD ）、分子束外延（MBE ）、化学束外延（CBE ）等多种制备工艺。