半导体激光器基础知识
半导体激光器基础知识
半导体激光器的近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布；而远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。
远场分布是近场分布的富氏（Fourie r）变换。
半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。
前者描述围绕输出光束轴线某处光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率在不同频率（或者波长）分量上的分布。
两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。
横向都是由双异质结构成的折射率波导结构来限制光场；而在侧向，则可由折射率导引结构或增益导引结构，大功率半导体激光器大多采用增益波导结构。
因此半导体激光器的空间模式又有横模和侧模之分。
如图5-1表示了这两种空间模式。
图1 半导体激光器的横模与侧模由于有源层厚度都很小（约为0.15µm），根据平板波导原理，在横向LD都能保证单横模输出；而在侧向，由于其宽度相对较大，因而可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模（或称基模）工作，则输出为理想的TE00模，此时光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的发散角最小，亮度最高，能实现与单模光纤的高效率耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到很小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若LD工作在多侧模下，则其发光面上的光场（即近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝,而其远场分布则相当复杂。
对于发光尺寸为1×50µm 的半导体激光器，沿1µm方向称为快轴方向，沿50µm方向称为慢轴方向。
在快轴方向光束横截面内光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。
半导体激光器的发散角是光束的基本参数，其定义为远场平面上光强为峰值一半处的两点相对于发光点的夹角。
半导体激光培训资料
半导体激光培训资料一、半导体激光的基本原理半导体激光，简单来说，就是利用半导体材料作为工作物质产生激光的器件。
要理解它，咱们得先从一些基础的物理概念讲起。
半导体材料具有独特的能带结构，包括导带和价带。
当给半导体施加外部能量，比如电流或光激发时，电子会从价带跃迁到导带，在导带中形成自由电子，而在价带中留下空穴。
在特定的条件下，这些电子和空穴会在半导体的有源区聚集。
有源区就像是一个“战场”，电子和空穴在这里相遇并复合，释放出能量。
当这种复合过程是受激辐射时，就会产生相干光，也就是激光。
半导体激光的产生需要满足三个基本条件：一是要有能实现粒子数反转的有源区，二是要有光学谐振腔来增强光场，三是要有足够的电流注入来提供能量。
二、半导体激光的特点和优势相比于其他类型的激光器，半导体激光具有很多显著的特点和优势。
首先，它的体积非常小，可以做到微型化甚至集成化，这使得它在很多空间有限的应用场景中大展身手，比如光通信、激光打印等。
其次，半导体激光的电光转换效率很高，能够将大部分输入的电能转化为光能，从而降低了能源消耗。
再者，它的调制速度快，可以快速地开启和关闭激光输出，这对于高速通信和数据处理来说至关重要。
另外，半导体激光的工作寿命长，稳定性好，能够在长时间的工作中保持良好的性能。
三、半导体激光的分类根据不同的标准，半导体激光可以有多种分类方式。
按照工作波长来分，有可见光半导体激光、红外半导体激光等。
不同波长的半导体激光在不同的领域有着各自的应用，比如可见光半导体激光常用于激光显示，红外半导体激光则常用于通信和遥感。
按照结构来分，有法布里珀罗（FP）半导体激光、分布反馈（DFB）半导体激光、分布布拉格反射（DBR）半导体激光等。
FP 半导体激光结构简单，但光谱较宽；DFB 和 DBR 半导体激光则具有更窄的光谱和更好的性能，常用于高速通信等对波长稳定性要求较高的领域。
四、半导体激光的应用领域半导体激光的应用几乎无处不在，涵盖了通信、医疗、工业、科研等多个领域。
半导体激光器 原理
半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。
它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。
以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。
2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。
3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。
4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。
这个过程称为辐射复合。
5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。
6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。
7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。
通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。
半导体激光器资料
半导体激光器资料半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种利用半导体材料发射激光的装置。
该装置被广泛应用于通信、医学、材料加工等领域，是20世纪最重要的科技创新之一、本文将介绍半导体激光器的原理、结构、性能及应用。
半导体激光器的工作原理主要是电子复合：当电流通过半导体器件时，正电子与负电子之间发生复合的现象，释放出能量。
这种能量释放通过光的形式，即激光。
与其他类型的激光器不同，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的直接能带结构，可以利用半导体材料的电学性质来控制激光的特性。
半导体激光器通常由以下几个基本部分组成：激活材料、泵浦源、光学腔、输出镜和电流注入结构。
半导体激光器的激活材料一般是由III-V族元素化合物半导体材料构成，如氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。
泵浦源通常是电流或光，其作用是提供能量给激活材料。
光学腔是由两个平行的半反射镜组成，通过反射来放大光强。
输出镜是腔外的一面镜子，用于将激光从腔中引出。
电流注入结构是用来提供电流给激活材料。
半导体激光器具有许多优点，如体积小、能耗低、效率高、寿命长等。
其小巧的体积使得半导体激光器可以集成到复杂的系统中，例如通信设备中的激光二极管。
能耗低意味着半导体激光器可以在电池供电的移动设备中使用，并且不会过度消耗电能。
高效率使得半导体激光器可以更好地利用能量，输出更强的激光功率。
寿命长意味着半导体激光器的使用寿命较长，不需要频繁更换，从而降低了维护成本。
半导体激光器具有广泛的应用，其中最重要的一项是通信。
半导体激光器可以通过光纤传输大量的数据，提供高速、高带宽的通信。
此外，半导体激光器还可以用于激光打印机、医学设备、材料加工等领域。
例如，半导体激光器可以用于激光雷达、激光治疗器和激光切割机等设备中。
总之，半导体激光器是一种重要的光源装置，具有广泛的应用前景。
通过利用半导体材料的电学性质，可以控制激光的特性，使其具有小巧、高效、长寿命的特点。
通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识
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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
半导体激光器LD
应用场合：短距离传输
同质pn结
同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的参杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成 存在的问题： 1. 增益区太厚(1~10 m)，很难把载流子约束在相对小的区域， 无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束
多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的 乘积总等于一个常数：
pn n 2 i
pn结
n型 电势
U
n型
耗尽层
p型
p型
n 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
E 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的
Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子浓度 分布 电子态数量
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV 空穴态数量
辐射性复合速率 辐射性复合速率 hint 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
辐射性复合时间 辐射性复合时间 非辐射性复合时间
1 1
1
r1 1 1 r nr
那么LED的内部发光功率为：
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 内量子效率 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q
半导体激光器
固体的能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被 电子填满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做 “空带’，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时， 价带上由于价电 子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。 “价 带” 和“导带”之间是“禁带”。 在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量 很少。这时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就 不同了。如四价半导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能 级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为 电子型半导体或N型半导体。而如果我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在 价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上 产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。
2、阈值电流密度: 影响阈值的因 素很多
1 82v 2edv J阈 [a内 ln r1r2 ] 2L c2
显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键， GaAs激光器的伏安特性 经研究人们发现J阈与以下因素有关： ①与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a总值差异很大； ②J阈∝1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比； ③ J阈与工作温度的关系十分密切； ④ J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1 =r2 =0.32。 当腔长转短时，若1／2L比a总小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈 明显降低， 但当腔长 L较长时， J阈的降低就不很明显了。
Hale Waihona Puke Common Diode Lasers
• CD Player = 632 nm • DVD Player = 658 nm • Blueray DVD = 405 nm
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，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。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 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。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
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等于禁带宽度Eg(eV) 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=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
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半导体激光器的近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布；而远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。
远场分布是近场分布的富氏（Fourie r）变换。
半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。
前者描述围绕输出光束轴线某处光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率在不同频率（或者波长）分量上的分布。
两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。
横向都是由双异质结构成的折射率波导结构来限制光场；而在侧向，则可由折射率导引结构或增益导引结构，大功率半导体激光器大多采用增益波导结构。
因此半导体激光器的空间模式又有横模和侧模之分。
如图5-1表示了这两种空间模式。
图1 半导体激光器的横模与侧模
由于有源层厚度都很小（约为0.15µm），根据平板波导原理，在横向LD都能保证单横模输出；而在侧向，由于其宽度相对较大，因而可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模（或称基模）工作，则输出为理想的TE00模，此时光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的发散角最小，亮度最高，能实现与单模光纤的高效率耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到很小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若LD工作在多侧模下，则其发光面上的光场（即近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝,而其远场分布则相当复杂。
对于发光尺寸为1×50µm 的半导体激光器，沿1µm方向称为快轴方向，沿50µm方向称为慢轴方向。
在快轴方向光束横截面内光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。
半导体激光器的发散角是光束的基本参数，其定义为远场平面上光强为峰值一半处的两点相对于发光点的夹角。