半导体激光器分类
半导体激光器的应用与分类
半导体激光器的应用与分类半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。
按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。
半导体激光器的分类有多种方法。
按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。
LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。
半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。
如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。
hymsm%ddz半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。
光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。
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
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
12
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
32
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
浅谈半导体激光器
浅谈半导体激光器【摘要】半导体激光器具有体积小、寿命长和可采用简单注入电流的方式等优点，目前的半导体激光器已经可以做到单模输出，所以平行性、单色性等性能大幅提升，在实际应用中成为最重要的一类激光器。
【关键词】半导体激光器；平行性；谐振腔；基横模一、半导体激光器的种类从半导体激光器的结构来看，可以分为边发射激光器和表面发射激光器。
已经大量投入商业应用的边发射激光器有法布里一帕罗激光器和DFB（分布反馈）激光器等不同种类，表面发射激光器有垂直腔表面发射激光器(VCSELs)和广面激光器等不同种类。
二、半导体激光的发射半导体激光器以半导体材料为工作物质，其能带结构由价带、禁带和导带组成。
热平衡状态下，电子基本处于价带中，导带几乎是空的。
给予某个电子适当的能量，电子就能进入导带，而在价带中留下一个空穴，如果有一个能量适当的光子入射到半导体介质中，这个处于导带中的电子便会在光子作用下跃迁到价带中空穴占据的能级上而与空穴复合，同时发出一个与入射光子状态相同的受激辐射光子。
半导体激光器就是利用导带中的电子和价带中的空穴复合来产生受激辐射的。
为使半导体激光器具有光放大能力，就要求半导体激光器发生粒子数反转。
在热平衡状态被破坏的情况下，导带的准费米能级与价带的准费米能级之间的距离大于介质的禁带宽度，从而使半导体介质具有增益作用。
而且，要使半导体激光器产生激光，还必须考虑衰减，即只有在增益等于或大干衰减的情况下，激光器才能输出激光。
激光器的衰减主要包括因发生受激辐射而减少的载流子（即处于激发态的粒子）数、少量自发辐射而减少的载流子数和与介质发生非辐射碰撞而减少的载流子数等。
所以一般半导体激光器需要一定大小的注入电流才能发出激光，这种电流叫做阈值电流。
一般激光器都有一个谐振腔，谐振腔通过迫使光子在介质中往复传播而减短工作物质长度，并且可以选择激光器的输出模式和调整光向。
但是随着谐振腔的介入，相应的几何偏折损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗（包括镜的吸收、散射以及透射）和材料中的非激活吸收、散射等损耗因素也引进来了。
§2.6 光通信用半导体激光器
c ν m＝m 2nL
c ν m = ν m +1 ν m = 2nL
L：谐振腔长度， n：工作物质折射率， m：模阶数 窄谱线的单纵模激光器的设计思想： 使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最 先达到阈值并成为支配模式，其它相邻模式由于高损耗而不能起 振。
单纵模激光器主要有： 分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector, DBR）激光器 分布反馈（Distributed Feedback, DFB）激光器 耦合腔激光器 分布布拉格反射（DBR）激光器： 机理：通过内含布拉格光栅实现光的反馈。
E1’
量子阱激光器的优点： （1）阈值电流低 因能级分布窄，容易实现粒子数反转，阈值电流密度仅为同 尺寸普通双异质结激光器的1/3，并且与镜面反射率、腔长等有 关，短腔和高的端面反射率有利于降低阈值电流，阈值电流可以 达到1mA以下。 （2）线宽窄 导带中的电子主要聚集在E1能级上，价带中的空穴主要聚 ' 集在 E’1能级上，发射光子的能量为 hν = E1 E1 量子阱激光二极管(QW LD)是把一般双异质结(DH)激光二极 管的有源层厚度(d)做成数十纳米以下的结构。
分布反馈激光器： DFB激光器中没有集总反射的谐振腔反射镜，反射机构是分 布式的，反馈发生在整个光腔有源区长度上。一个在有源层和包 层之间的薄n型波导层作为光栅，波导层厚度的周期变化转化为模 折射率沿光腔长度的周期变化，然后通过布拉格反射导致正向和 反向传播的光波耦合。反射波具有增益。由于Bragg光栅的选频功 能使得它具有很好的单色性和方向性。而且，因为没有使用晶体 解理面作反射镜，使得它更容易集成化。
由于厚度的周期性变化形成波纹光栅，为受激辐射产生的光子 提供周期性的散射点。散射光只有在一定的条件下才能同相相加， 形成某一方向的主极强。所有散射光束满足同相相加的条件是
半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器与固体激光器旳比较
半导体激光器和固体激光器都是以固体激光材料作为工作物质旳激光器 ； 半导体激光器是电鼓励，直接把电能转化为光能，转换效率高达50%以上。固体激光器是光
鼓励，激活粒子需要吸收光能，然后产生受激振荡；半导体泵浦转化效率一般在15%左右， 灯泵浦鼓励一般在4%左右。 半导体激光器旳主要特点是:体积小、重量轻；功率转换效率高；能够经过变化温度、掺杂量、 磁场、压力等实现调谐；其缺陷是激光旳发散角较大，单色性较差，输出功率亦较小。目前 新型旳半导体激光器已经能够到达较大旳输出功率，而为了得到更大旳输出功率，一般能够 将许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，即在同一片已做好旳P一N结旳 基片上，用光刻腐蚀措施提成好几种单个器件，或将许多单个激光器排列成一定形状，然后 将它们并联或串联起来。目前已经有100WQCW线阵和s000WQCW叠阵(波长780~815五m)旳 产品上市。 固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲固体激光器旳输出能量可达千焦耳级。 经调Q和多级放大旳钕玻璃激光系统旳最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器旳输出 功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器利用Q开关技术(电光调制)， 固体激光器能 够得到纳秒至百纳秒级旳短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级旳超短脉冲。因为 工作物质旳光学不均匀性等原因，一般固体激光器旳输出为多模。若选用光学均匀性好旳工 作物质和采用精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限旳基横模(TEM00) 激光，还可取得单纵模激光。
半导体激光器旳应用
• 在医疗和生命科学研究方面应用：
1. 激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除， 组织接合、凝固和气化。一般外科、整形外科、皮肤 科、泌尿科、妇产科等； 2. 激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性旳光敏物质有 选择旳汇集于癌组织内，经过半导体激光照射使癌组 织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害； 3. 生命科学研究。使用半导体激光旳“光镊”，能够 捕获活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于增进 细胞合成、细胞相互作用等研究。
半导体激光器分类
半导体激光器分类1. 引言半导体激光器是一种将电能转换为激光辐射的装置。
它在现代科技中有着广泛的应用，如通信、医疗、材料加工等领域。
半导体激光器的种类繁多，不同类型的激光器具有不同的特性和应用场景。
本文将对半导体激光器进行分类，并介绍每一类激光器的原理、特点以及应用。
2. 分类方法根据不同的特性和工作原理，可以将半导体激光器分为以下几类：2.1 按材料分类•GaAs（镓砷化镓）激光器：利用GaAs材料制成的半导体激光器，常见于通信领域；•InP（磷化铟）激光器：利用InP材料制成的半导体激光器，在高速通信和生物医学领域有广泛应用；•GaN（氮化镓）激光器：利用GaN材料制成的半导体激光器，具有高功率和高效率的特点，适用于照明和显示等领域。
2.2 按工作方式分类•可见光激光器：产生可见光的半导体激光器，常见的有红光、绿光和蓝光激光器；•红外激光器：产生红外线的半导体激光器，广泛应用于通信、遥感和材料加工等领域；•紫外激光器：产生紫外线的半导体激光器，在生物医学、材料加工和科学研究中有重要应用。
2.3 按结构分类•Fabry-Perot（FP）激光器：最简单的结构，由两个反射镜组成，适用于一般性应用；•Distributed Feedback（DFB）激光器：在FP结构基础上引入了周期性衍射栅，具有单模输出特性，常用于通信系统；•Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser（VCSEL）激光器：垂直腔面发射激光器，在通信和传感领域得到广泛应用。
3. 激光器原理及特点3.1 GaAs激光器GaAs激光器以GaAs材料为基底，通过电子与空穴的复合辐射发出激光。
它具有结构简单、工作稳定、功耗低等特点。
由于其较低的能隙，主要适用于红外通信和光存储领域。
3.2 InP激光器InP激光器是一种高性能的半导体激光器，具有较高的输出功率和调制带宽。
它常用于高速通信、生物医学成像等领域。
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱
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半导体激光器分类
半导体激光器是一种利用半导体材料的电子和空穴相互作用而产生的激光器件。
它广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
根据不同的分类标准，半导体激光器可以分为多种类型，下面将对其进行详细介绍。
1. 根据材料类型分类
(1) GaAs激光器：使用GaAs（砷化镓）作为材料，主要应用于通信领域。
(2) InP激光器：使用InP（磷化铟）作为材料，主要应用于高速通信和光纤通信领域。
(3) GaN激光器：使用GaN（氮化镓）作为材料，主要应用于紫外线LED、蓝色LED等领域。
2. 根据结构类型分类
(1) Fabry-Perot激光器：是最简单的半导体激光器结构，由两个反射镜和一个活性层组成。
适用于短距离通信和数据传输。
(2) DFB（分布式反馈）激光器：在Fabry-Perot结构上加入了布拉格反射镜，在活性层上形成周期性折射率的结构，实现了单纵模输出。
适用于长距离通信和高速数据传输。
(3) VCSEL（垂直腔面发射激光器）：是一种垂直发射结构，通过反射镜和半透明膜将激光垂直发出，具有较高的输出功率和单模特性。
适用于短距离通信、数据传输和传感领域。
3. 根据波长范围分类
(1) 红外激光器：波长范围在0.75-1.5μm之间，主要应用于通信、医疗、工业等领域。
(2) 可见光激光器：波长范围在0.4-0.7μm之间，主要应用于显示技术、医疗等领域。
(3) 紫外线激光器：波长范围在0.1-0.4μm之间，主要应用于材料加工、生物医学等领域。
4. 根据工作方式分类
(1) 连续波（CW）激光器：连续不断地产生激光输出。
(2) 脉冲激光器：产生脉冲状的激光输出，可分为Q-switched和mode-locked两种。
(3) 调制激光器：通过调制电流或光强度来改变激光输出的特性，适用于高速通信和数据传输。
总之，根据不同的分类标准，半导体激光器可以分为多种类型。
在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的激光器类型。