第5章 半导体激光器效率参数
半导体激光器的主要参数ppt课件
增益饱和
在低的光子密度时，载流子的空间和能量分布不受干扰， 这时为不饱和增益。在高光子密度时是饱和增益。一个被 鼓励的半导体激光器，辐射遭到放大时，它的能量关系为：
谐振控内的辐射强度不能无限止添加 ，由于在高光子密度时， 导带和价带中的载流子浓度要显著降低。这又呵斥费米能级 漂移，使△EF减小，同样也使满足粒子数反转的形状数减小。
增益谱计算
式中，常数a0(E21)表示绝对零度时的吸收。温度和鼓励程度的 影响包含在(fc—fv)中。假设fc>fv，那么a0(E21)为负，吸收 介量变为增益介质，以受激发射为主。假设fc<fv ，那么 a0(E21)为正，主要发生受激吸收．利用增益的定义义可以写出：
随着鼓励程度添加，能带中载 流子数添加，增益曲线的最大值向 更高的光子能量处挪动 gmax(E) 也添加。同时开场出现增益所对应 的光子能量向高能方向挪动。这是 由于电子是从导带底向上填充 的．注入电子浓度愈大，填充得就 愈高，因此发光的峰值能量添加.
Je和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流 J2为有源区电流密度；ηi为内量子效率； Q2为谐振腔质量要素；
大功率半导体激光器典型构造 --单元器件
大功率半导体激光器典型构造 --阵列器件
大功率半导体激光器典型构造 --阵列器件
大功率半导体激光器典型构造 --阵列器件
The end
空间烧孔和光谱烧孔效应
半导体激光的温漂特性
半导体资料带隙随温度变化； 半导体激光器腔长随温度变化。
Intensity (A.U.)
1.0
0.8
15A
55A
0.6
55A (after 30')
0.4
0.2
0.0
半导体激光器主要性能参数定义
半导体激光器1．P-I 特性及阈值电流P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD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，LD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，LD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，LD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）。
2．激光器线宽半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。
该参数与激光本身的波长由关系。
例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位：GHz v 5.261065.21.010641010310298=⨯=⨯⨯⨯=∆3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。
边模抑制比示意图4.振荡腔HR AR谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。
凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。
为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。
《半导体光电子学课件》下集5.2 半导体激光器的效率6-精品文档
结合内η：
1ln1
D
i
LR
L1lnR1P[fc1PPou]t
讨论：
① i 高→ D 高
②减少光子地腔内损耗
③腔长L↓
D↑，但 ↑J th
④R↑
J↓th，但使 ↓ D
Va
Eg e
Irs
rs↑
V－I曲线斜率↑
2. 内量子效率 i
i 每L秒 D有注源入区有内源每区秒的 －产电 空生 子子 穴的 数对光数
异质结的界面态，杂质和缺陷引起的非辐射
复合。
长波长LD的Auger复合
i↓
3. 外量子效率 为了反应光子在腔内的散射、衍射和吸收
ex 有源L区D每 每秒 秒发 注射 入－ 的 的空 光 电穴 子 子对 数数
(PexPt) h hevPex
IE
Iv
4. 外微分量子效率
ex(P (eIx IP tt)h )//h e(IP Ie th )x/V
又称斜率效率，直观地比较不同LD之间 效率差别 Pex(1L)ln1(R)
有源区光： P ex[1 率
定义有关效率并讨论影响效率的因素
1.功率效率
p L LD D所 所消 辐耗 射的 的电 光 ＝I功 功 VP eIx率 率 2rs
(IEg
Pex / e)
I
2rs
Pex －LD光P I－电流
V－pn结正向电压 r s －串联电阻
对理想LD，阈值以上的电压是不变的（很小）
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
(优选)半导体激光器参数详解.
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
减反射膜或者叫增透膜 分束膜 反射膜 滤光片 其他特殊应用的膜
通过提高快轴方向 的填充密度提高 光束质量
两束相互垂直的线偏振光通过偏振耦合成圆偏振光， BPP不变，功率提高一倍，等效提高光束质量一倍
半导体激光器参数
德国Laserline
北京工业大学 输出功率：1000W 光束质量： 12mm•mrad
BPP： beam-parameter product
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
激光头工作距离 ≥100mm
M2 值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
din dcore
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
polarizat ion mult iplexing
diode laser
fast- & slow axis
•难点：非球面微柱透镜 的加工
椭球面方程
单元器件：
X0为周期 阵列器件：
慢轴方向孔径较低，利用普通石英玻璃，柱透镜阵列对 半导体激光阵列进行准直。
激光bar的BPP及其对称化
阵列光束的对称化 堆光束的对称化
反射率的控制 高反及增透
反射率与偏振态的控制 偏振分束
例：单层减反膜
折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后， 单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平 板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：
半导体激光器工作原理及主要参数
半导体激光器工作原理及主要参数OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD , Laser Diode ），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。
常用材料有砷化镓（GaAs ）、硫化镉（CdS ）、磷化铟（InP、、硫化锌（ZnS）。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。
半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。
半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。
半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。
电注入式半导体激光器一般是由GaAS （砷化镓）、InAS （砷化铟）、Insb （锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。
半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。
半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。
《半导体光电子学课件》下集5.2半导体激光器的效率
微纳加工技术
利用微纳加工技术，实现 激光器的微型化和集成化， 降低散热难度和提高散热 效率。
表面处理技术
采用表面处理技术，如化 学气相沉积、物理气相沉 积等，改善表面光洁度和 反射率，降低散射损耗。
04
案例研究：高效率半导体 激光器的实现
案例一：材料选择对效率的影响
材料类型
不同材料类型对半导体激光器的效率 有显著影响。例如，采用直接带隙材 料如GaAs、GaN等可以提供更高的 发光效率。
05
结论与展望
当前研究进展与成果
高效半导体激光器
随着材料科学的进步，高效半导体激光器已成为现实，具有更高的 输出功率和更低的阈值电流密度。
新型结构与材料
新型半导体激光器结构如量子点、纳米线等以及新材料如氮化镓、 碳化硅等的应用，提高了激光器的性能和稳定性。
波长可调谐性
通过温度调谐、电注入调谐等方式，实现了半导体激光器的波长可调 谐性，拓宽了其在光通信、光谱学等领域的应用范围。
材料纯度
材料掺杂
通过选择适当的掺杂剂和浓度，可以 优化能带结构和载流子浓度，提高激 光器的效率。
高纯度材料可以减少缺陷和杂质，降 低非辐射复合损失，从而提高激光器 的效率。
案例二：结构优化提高输出效率
光限制结构
通过设计光限制结构，可以减少光散射和反射损 失，提高激光器的输出效率。
波导结构设计
优化波导结构可以控制光场分布，提高光提取效 率。
表面处理
对器件表面进行减反、抗反射处理，减少表面反 射造成的能量损失。
案例三：制程技术改进实现高耦合效率
生长技术
采用先进的分子束外延、金属有机化学气相沉积等技术，生长高 质量的晶体结构，提高晶体质量。
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
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低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下
寿命与普通工作状态寿命差别不大。
AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉
Bar 内应力分布
bar facet
Cu heat sink
半导体激光器的几个效率参数
2、内量子效率
由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合 和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的 每一个电子—空穴对不能100％的产生辐射复合，即ηi总 是小于1，但一般也有95％以上，是转换效率很高的激光 器件。
半导体激光器的几个效率参数
3、外量子效率
上电极 下电极
电流方向 发光方向
热散出方向
Bar 的n面电连接
Bar与热沉的焊接
难点：位置的控制
3m 3m
A
Vacuum gripping tool B
x
y
Heat sink
z
Bar
Solder
+/- 3 m
Heating plate
Bar与热沉的焊接
难点：焊层内部空洞问题 产生原因：1、固化过程中的“出气”；
ηex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内 产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 因为激光器有激射的阈值特性，所以当I<Ith时， ηex很小， 当I>Ith时，P直线上升， ηex变大。
半导体激光器的几个效率参数
4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲线的斜率)
半导体激光器的特征温度
Bar内“超模”的抑制
超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低bar 整体效率。
电极和热沉
END
Bar 的封装与散热
机械稳定性； 电连接； 散热问题；
以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功 率50W/bar，腔长为1mm，热流密度为 500W/cm2
典型的封装形式
Bar p面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极； 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； N面电连接采用Cu箔或金丝引线。
半导体激光器温度稳定性的衡量
jth
exp
T T0
半导体激光器制备流程图
外延材料生长
半导体激光器电极制作过程
半导体激光器电极制作过程
半导体激光器表面金属化
N面低掺杂GaAs衬底采用GeAuNi/TiAu P面高掺杂采用TiPtAu 形成欧姆接触
半导体激光器腔面的要求
半导体外延片解理形成腔面； 腔面的钝化； 前后腔面镀膜。
In 焊料的缺点
极限寿命为104小时左右； 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效
应）； 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； 控制激光bar结温≤55℃。
Bar 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
电极窗口技术
Bar的制备工艺
与单元器件基本一致； 材料均匀性要求更高； 每一步制作工艺可靠性要求更高；
wafer diameter: 3“ wavelength Dl uniformity: Dl = 2nm chip size: 2 mm x0.5 mm
number of bars: 100 - 200
由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 2、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse）
按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse）
不同脉宽情况下的热效应
2、焊料氧化，浸润性变差。
Bar焊接焊料的选择
软焊料 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳
性以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别 较大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如： CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。 硬焊料
AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差 别非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合 金热沉。
上节课回顾： 1、增益谱及阈值增益；
2、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制； 3、半导体激光器中的光场模式
半导体激光器典型测试曲线
E -O efficien cy Output power (W)
0 .7
60
2.0
1.8
0 .6
50
1.6
0 .5 40
1.4
0 .4
1.2
30
1.0
0 .3
0.8
PL wavelength (nm) PL wavelength (nm)
847
mounted on Cu heatsink
846
847
Mounted on expansion-matched heatsink
846
845 0
2000
4000
6000
Je和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流 J2为有源区电流密度；ηi为内量子效率； Q2为谐振腔品质因素；
半导体激光器的几个效率参数
1、功率效率
加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率
降低rs，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提 高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工作温度也 有利于功率效率的提高。
wafer diameter: 3“
chip size: 2 mm x 0.5 mm
number of chips: 2000
半导体激光器腔面钝化技术
减小腔面光吸收—增加腔面材料禁带宽度； 减小腔面氧化—硫化技术、真空解理、无
铝有源区； 减小腔面附近焦耳热。
目前腔面COD最高水 平大于100 mW / um
20 0 .2
0.6
0 .1
10
0.4
0.2
0 .0
0
0.0
0 10 20 30 40 50 60 70
Current （A）
P-I,U-I以及光电转换效率曲线
阈值电流密度
有源区内的局部增益是均匀分布的，则模 增益
分别是对应模式的增益和限制因子
为局部阂值增益系数
是镜面末端损耗
是内部损耗
afc是有源区内的自由载流子吸收系数 aout波导层中的吸收系数(主要也是自由载流子吸收) as是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数 ac是辐射渗入波导层的损耗系数