现代半导体激光器驱动与控制技术讲座共35页
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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。
激光器驱动电路的基本原理VPPT课件
第16页/共36页
ACTIVE BACK TERMINATION
有源的反向终结设计，避免无源方案的高功耗问题； ADI的10G LASER DRIVER就是采用的这种方案的芯片
第17页/共36页
ACTIVE BACK TERMINATION
第18页/共36页
ACTIVE BACK TERMINATION
第22页/共36页
自动功率控制电路：APC电路的重要性
根本的原因：激光器有明显的温度特性，并且会明显的老化； APC电路的基本原理：通过一个几乎没有温度特性、几乎不会老 化、并且和激光器耦合效率非常稳定的光电二极管来监视激光器 的发射光功率，自动调整偏置电流，保持激光器发射光功率稳定 阈值：和温度和工作时间有关系； 发光效率：和温度和工作时间有关系；
通过激光管电流
激光器的特点：老化特性-P-I曲线
发
射
光
25度 0 YEAR
功
率第6页/共36页
通过激光管电流
调制电路：差分电流驱动电路
偏置电路给出适当的偏置电流
DIFFERENT CURRENT SWITCH 所有激光驱动电路的核心
第7页/共36页
调制电路：差分电流驱动电路优点
和所有的差分电路的优点类似： A: 对输入信号的共模干扰不敏感 COMMON MODE NOISE B: 在任何工作状态下，对电路的供电电流都是稳定的，减少由于供电电流 不稳定带来的问题； C: 对调制电流的控制，可以通过控制电流元的电路完成，简单可靠，注意， 我们对激光管的调制，关注的要点都是电流；
通常这个电阻集成在TO的封装内部，不过 现在的好像看到越来越多的供应商根本就不 使用这个电阻，任由低阻抗的激光管直接连 接到传输线上，具体的理由还不清楚； 包括在我们的设计中，实际上都没有考虑这 个问题了；
ACTIVE BACK TERMINATION
有源的反向终结设计，避免无源方案的高功耗问题； ADI的10G LASER DRIVER就是采用的这种方案的芯片
第17页/共36页
ACTIVE BACK TERMINATION
第18页/共36页
ACTIVE BACK TERMINATION
第22页/共36页
自动功率控制电路：APC电路的重要性
根本的原因：激光器有明显的温度特性，并且会明显的老化； APC电路的基本原理：通过一个几乎没有温度特性、几乎不会老 化、并且和激光器耦合效率非常稳定的光电二极管来监视激光器 的发射光功率，自动调整偏置电流，保持激光器发射光功率稳定 阈值：和温度和工作时间有关系； 发光效率：和温度和工作时间有关系；
通过激光管电流
激光器的特点：老化特性-P-I曲线
发
射
光
25度 0 YEAR
功
率第6页/共36页
通过激光管电流
调制电路：差分电流驱动电路
偏置电路给出适当的偏置电流
DIFFERENT CURRENT SWITCH 所有激光驱动电路的核心
第7页/共36页
调制电路：差分电流驱动电路优点
和所有的差分电路的优点类似： A: 对输入信号的共模干扰不敏感 COMMON MODE NOISE B: 在任何工作状态下，对电路的供电电流都是稳定的，减少由于供电电流 不稳定带来的问题； C: 对调制电流的控制，可以通过控制电流元的电路完成，简单可靠，注意， 我们对激光管的调制，关注的要点都是电流；
通常这个电阻集成在TO的封装内部，不过 现在的好像看到越来越多的供应商根本就不 使用这个电阻，任由低阻抗的激光管直接连 接到传输线上，具体的理由还不清楚； 包括在我们的设计中，实际上都没有考虑这 个问题了；
2.2-半导体激光器
限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导 引型半导体激光器。
绝缘介质
P-InGaAsP
P-InP
N-InP
InGaAsP
N+-InP衬底
图2.2.2-2 增益导引型半导体激光器
第13页，共36页。
二、折射率导引型半导体激光器
通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，
P e I hf
由此得到
P
Pth
d hf
e
(I
Ith )
（2.2.3-1） （2.2.3-2）
式中，P和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和Ith分别为 对应的阈值，hf与e分别为光子能量与电子电荷。
第22页，共36页。
激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图2.2.3-3为典型LD
也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为折射率导引型半 导体激光器。
接点 SiO2 P-InP SiO2
N-InP InGaAsP有源层 N+-InP衬底
图2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器
第14页，共36页。
几种典型的折射率导引激光器
第15页，共36页。
§2.2.3 半导体激光器的特性
激光雷达
激光枪
第35页，共36页。
激光显示
高功率蓝绿光LD芯片产业化依然是挑战。
第36页，共36页。
第10页，共36页。
§2.2.2 半导体激光器的结构
§2.2.2 半导体激光器的结构
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、 P型和N型限制层构成，如图2.2.2-1所示。
电流 金属接触
100μm
有源层
绝缘介质
P-InGaAsP
P-InP
N-InP
InGaAsP
N+-InP衬底
图2.2.2-2 增益导引型半导体激光器
第13页，共36页。
二、折射率导引型半导体激光器
通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，
P e I hf
由此得到
P
Pth
d hf
e
(I
Ith )
（2.2.3-1） （2.2.3-2）
式中，P和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和Ith分别为 对应的阈值，hf与e分别为光子能量与电子电荷。
第22页，共36页。
激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图2.2.3-3为典型LD
也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为折射率导引型半 导体激光器。
接点 SiO2 P-InP SiO2
N-InP InGaAsP有源层 N+-InP衬底
图2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器
第14页，共36页。
几种典型的折射率导引激光器
第15页，共36页。
§2.2.3 半导体激光器的特性
激光雷达
激光枪
第35页，共36页。
激光显示
高功率蓝绿光LD芯片产业化依然是挑战。
第36页，共36页。
第10页，共36页。
§2.2.2 半导体激光器的结构
§2.2.2 半导体激光器的结构
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、 P型和N型限制层构成，如图2.2.2-1所示。
电流 金属接触
100μm
有源层
大功率半导体激光器及其应用 ppt课件
• 晶体中原子间相互作用，导
致能级分裂，由于原子数目
巨大，所以分裂的能级非常
密集，认为是准连续的，即 形成能带
在金属中，不同的能带交叠形成一个有部分充满电子的能带
• 半导体中电子的能级与金属
有本质的区别，在半导体中
原子和价电子间的相互作用
使价电子分成被禁带相隔的
价带和导带。
ppt课件 单晶Si的二维结构和能带图 20
• 波导的设计利用了折射 率n随禁带宽度变化这一 特点（禁带宽度增加折 射率降低）。
• QW被镶嵌在高折射率 材料的核心区，盖层的 折射率比核心区要低。
ppt课件
37
垂直波导结构的设计
• 对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就是对几个 不利因素的优化 。
• 对于TM模，限制因子Γ：
• 光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散 • 层结构影响串联电阻和热阻。 • 好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化
ppt课件
8
受激辐射
• 激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子 的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁 至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态 的光子。这一过程被称为受激辐射
E2
hv
E1
E2
hv
hv
E1
受激辐射示意图
ppt课件
9
2、产生激光的必要条件
• 与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合， 使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。
ppt课件
3
1、激光的概念
• 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，LASER）一词是受激辐射光放大。
半导体激光器原理PPT课件
适合做有源区发光材料
态的
（如GaAs，InP，AlGaInAs） 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收
和发
第12页/共77页
半导体异质结
• 异质结的作用：
• 异质结对载流子的限 制作用
• 异质结对光场的限制 作用
• 异质结的高注入比
第13页/共77页
异质结对光场的限制作用
第14页/共77页
半导体激光器的材料选择
3 PECVD 生长 SiO2， 填充聚酰亚胺
第75页/共77页
VCSEL 芯片制造
4 欧姆接触
第76页/共77页
感谢您的观看！
第77页/共77页
第48页/共77页
VCSEL 的优点 ●易于实现二维平面和光电集成； ●圆形光束易于实现与光纤的有效耦合； ●有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流； ●芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验； ●在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作； ● 成品率高、价格低。
第49页/共77页
第50页/共77页
第25页/共77页
F-P腔激光器
第26页/共77页
第27页/共77页
DFB激光器
第28页/共77页
DFB-LD与DBR-LD
第29页/共77页
F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔
第30页/共77页
DFB-LD的增益与损耗
第31页/共77页
工作特性
1.阈值电流 Ith
影响阈值电流的因素： 1. 有源区的体积：腔长、条宽、厚度 2. 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 3. 解理面、镀膜 4. 电场和光场的限制水平 5. 随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率降低，这些都会
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
半导体激光器原理及应用86页PPT
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时原理及应用
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。