第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)..
半导体激光器的一般构成
激光笔里边就是一个半导体激光器,属于 LED的一种.前边一般会加一个光学镜头用 来聚焦.激光笔发出的激光属于固体激光,而 激光笔里面的固体激光器也就是一个激光 二极管.目前的激光笔大多数是红色,可以指 示的长度比较远.
激光炫目器
激光眩目器采用人眼最为敏感的532nm绿 激光，不仅在低亮环境下照亮数英里之外 的物体，还能实现警示远距离之内的潜在 目标和控制大片人群的目的。照射眼睛时 能使眼睛短暂性失明和感到眩晕，从而快 速制敌而不伤害人身生命。强烈耀眼地绿 光光束能干扰敌方的的视觉传感器，使对 方瞬间地攻击或反抗归于无效。
半导体中激光产生的条件： 粒子数反转：产生大量的受激辐射 光学谐振腔：实现光放大 达到阈值电流密度：使得增益大于损耗
半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件
构成部分： 光波导 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导
什n结由同一种半导体材料构成 异质结：其pn结采用不同半导体材料构成 双异质结：在宽带隙的p型和N型半导体材料之间 插入一薄层窄带隙的材料 区别： 同质结LED：有源区对载流子和光子的限制 作用很弱； 异质结LED: (1)带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源 区复合发光 （2）折射率光场有效地限制在有源区
.同质结半导体激光器
1978年,半导体激光器开始应用于光纤通信 系统,半导体激光器可以作为光纤通信的光源 和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺 组成光电子系统。由于半导体激光器有着超 小型,高效率和高速工作的优异特点,所以这 类器件的发展,一开始就和光通信技术紧密结 合在一起,它在光通信,光变换,光互连,并行光 波系统,光信息处理和光存贮,光计算机外部 设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激 光器再加上低损耗光纤,对光纤通信产生了重 大影响,并加速了它的发展
半导体激光器的工作原理及应用
半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
半导体二极管激光器工作原理
半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。
其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。
首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。
当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。
这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。
其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。
其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。
谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。
而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。
总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。
这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。
半导体激光器工作原理及基本结构PPT课件
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增益和阈值电流
• 增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。 • 损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺
陷散射及端面透射损耗等。 • 阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射 光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种 光辐射叫做受激光辐射。
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法布里-珀罗谐振腔 (形成相干光)
• 垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔 ，两个解理 面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提 高激射效率.
2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传 递而逸散，提高器件的散热性能；
3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
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条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射 率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
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自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（发光二极管）
当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注 入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对， 将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和 方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。
• 受激光辐射（半导体激光器）
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弱折射率波导条形激光器（脊形波导）
特点：在侧向对光波的有一定限制作用，在条形有源区上方腐蚀出一个脊（宽度大约 3~4um)，腐蚀深度大概1.5~2um, 腐蚀一部分上限制层。由于腐蚀深度较深，在侧向 形成一定的折射率台阶，对侧向光波有较弱的限制作用。
半导体激光二极管工作原理
半导体激光二极管工作原理[日期：2006-05-21] 来源：作者：[字体：大中小]1、半导体激光二极管的工作原理为了了解激光型光电开关的工作原理，首先对半导体激光二极管的工作原理及其特点作一简单的介绍。
半导体激光二极管的基本结构如图1所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。
半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。
当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：λ = hc/Eg (1)式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。
当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。
当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。
2.激光二极管的结构随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。
图2为日本三洋公司的红光半导体激光二极管的结构。
图3为小功率激光管剖视图，由图可见，激光芯片贴在用来散热的热沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光电二极管。
图4为普通激光二极管的外形，由图可见，小功率激光管有三条引脚，这是因为在管内还封装有一个光电二极管，用于监控激光管工作电流。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
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第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
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第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
《半导体激光器》课件
激光器的原理和结构
三层异质结构
由P型层、N型层和增益区组 成，形成电荷分布不均衡。
激发电子跃迁
通过半导体材料注入载流子， 使电子跃迁并辐射出激光。
反射和增强
利用反射镜将光不断反射， 形成受激辐射和光放大。
半导体激光器的分类
基于材料
可见光范围：GaN、InGaN、 AlGaInP
基于结构
激光二极管、垂直腔面发射激 光器（VCSEL）、边缘发射激光 器
半导体激光器将继续追求更高功率输出
新材料和结构
2
和更短波长的发展。
新型半导体材料和结构设计将推动半导
体激光器的进一步发展。
3
光电子集成
半导体激光器将与其他光电子器件集成， 进一步拓展应用领域。
总结和展望
半导体激光器的发展已经取得了显著的成就，但仍有许多待解决的挑战。我们期待看到半导体激光器在更多领 域发挥重要作用，并推动科技进步和社会发展。
1 小尺寸、易集成
半导体激光器的微小尺寸 使其在集成电路和微型设 备中具有广泛应用。
2 低功耗、高效率
相较于其他激光器，半导 体激光器具有更低的功耗 和更高的能量转换效率。
3 快速开关、调制
半导体激光器具有快速调 制和切换特性，适用于光 通信和传感器等领域。
半导体激光器的发展趋势
1
更高功率和更短波长
基于应用
光通信、激光打印、医疗、工 业加工、激光雷达等
半导体激光器的应用
光通信
作为信息传输的关键技术，广泛 应用于光纤通信和无线光通信领 域。
医疗
各种激光治疗设备，如激光手术 刀和激光美容仪，受到医疗界的 青睐。
工业加工
激光切割、激光焊接和激光打标 等应用，提高了工业加工的效率 和精度。
3讲座之二--LD参数
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半导体激光二极管<电学参数>
4.8 Id:MPD暗电流(单位为nA) 它是指MPD无光照时，在规定的反向电压
(Vb=5V)下所产生的热电流—为暗电流。 暗电流与温度呈线性增加，与足够大的反
向偏压无关(即： Vb＜ VBR情况)。
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半导体激光二极管<光学参数>
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半导体激光二极管<电学参数>
4. 参数说明
4.1 Ith—阈值电流
定义：在正向电流注入下，LD开始振荡(开始发 出激光)时所需要的电流
测量Ith的方法有三： 双斜率法—两条直线延长线交点所对应电流轴的电流 远埸法—用变象管荧屏观察 光谱法—从发射的光谱图上确定Ith
中心波长 在发射光谱中，将幅度大于峰值2%的所有光谱模式的加权平均值定义为
平均波长 在LD规定的光输出功率下，主模中心波长的最大峰值功率下降-3dB时的
最大全宽定义为光谱半宽。
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半导体激光二极管<光学参数>
注：
对于F-P LD，ITU－T－957建议的最大均方根 （RMS）定义为光谱宽度
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半导体激光二极管<热学参数>
4.13 热学参数
4.13.1 LD热阻：RT(单位：℃ / W) RT 定义为加在器件单位电功率所引起的结温升
RT
Tj Pi
Tj THS I F VF
式中: Tj 结区温度; THS 热沉温度; Pi 注入电功率; IF 正向注入电流; VF 正向结压降。
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半导体激光二极管<其它参数>
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3、激光振荡的阈值条件 在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断 增强，称为增益。 在F-P腔中，每次通过增益媒质时的增益尽管很 小，但经过多次振荡后，增益变得足够大。 当腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺 陷散射及端面输出）时，就产生了激光。
见下图：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c)
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
c f 2nL
称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。
F-P腔的透射频谱特性如下图：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
半功率点全宽为：
f1 / 2 f / F
F为F-P腔的精细度，可表示为：
F
R增大，F增大。
R
1 R
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
2、模式特性与线宽 LD输出谱特性，或为多纵模或为单纵模，如下图。
LD的多模(a)及单模(b)输出谱
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
1、模式特性 从使用来说，首先考虑的是模式的稳定性，它随时间、 电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次，对高速 光纤通信系统来说，单纵模窄谱宽的光源有利于减小 光纤色散的影响。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
由上式可知，为了降低LD的线宽，可采取下列措施： 增大光功率（或腔内总光子数）。
减小自发发射速率。
从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一点可通过改变腔结构、增加总体积、增加单 位体积内储能（如增加端面反射系数）或增加输出功 率来实现。
第二点可通过注入锁定来实现。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光器基础知识
半导体激光器类型、组件及特性参数
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
第一节 半导体激光器基础知识 一、半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光输出的基本条件：
粒子数反转 光反馈 阈值条件 1、粒子数反转 在热平衡条件下，二能级原子系统中上能级的粒 子要比下能级少得多，服从波尔兹曼分布。此时不 会发生受激发射。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
2、线宽
LD输出的有限线宽来自于两个因素：
一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉 动。
二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光 腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽Δν可 表示为：
X 1 4P
式中，X为自发发射事件的平均速率；P为光功率； α 为线宽提高因子，表示折射率实部与虚部之比。
第三点，通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子 密度，有效减少激光场的幅值-个位耦合。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
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，
cq fq 2nL
激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q 的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁 场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。相邻 两纵模之间的频率之差：
从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流 Ith 。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的
自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注
入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功
率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线
性关系。 半导体激光器的P―I特性对温度很敏感，下图给 出了不同温度下P―I特性的变化情况。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
半导体激光器的工作特性 1、P-I特性 典型的半导体激光器如下图所示
3 .5 3 .0
功 率 / mW
2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 0 50 Ith 1 00 1 50
注入电流 / mA
图4.14 半导体激光器P―I曲线
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
为了产生受激辐射，必须建立非平衡得分布， 即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数，使受激 发射大于受激吸收，这种状态叫做粒子数反转。
波尔兹曼分布
粒子数反转
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦。 2、光反馈和激光振荡
在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生 光子。一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不 到放大；另一部分光子可能在有源区内传播，并引 起其他电子－空穴对的受激辐射，产生更多的性能 相同的光子，得到放大。
在模式特性上还要注意到横模的问题。
激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内，其 中TEM00为基横模，TEM10、TEM11等为高次横模。 由于TEM00 模的光斑与光纤中基模 LP01 模场光斑相 匹配，故耦合效率最高。
同时LD工作在TEM00模时相干性最好，因此在LD 的设计及结构上都应保证基横模工作。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
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22℃ 30℃ 40℃ 50 ℃ 60 ℃
5
功 率 / mW
4 3 2 1 0 50 1 00 注入电流 / mA 1 50
70 ℃
动 画 演 示
80℃
图4.15 半导体激光器P―I曲线随温度的变化
第3章 半导体激光二流增大，发 光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为：
T I th (T ) I 0 exp( ) T0
其中,T为器件的绝对温度；T0为激光器的特征 温度；I0为常数。 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在 驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持 器件的温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷 器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器 件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。
为了得到激光，必须将激活物质置于光学谐振 腔中，如下图。 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。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
激光器中的光反馈及FP腔
这种光学结构称为法布里－珀罗谐振腔，简称 F-P谐振腔。 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。