半导体激光器与发光二极管
什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些
什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些半导体器件是指在半导体材料基础上制造的电子器件。
它具有介于导体与绝缘体之间的特性，既能够传导电流，又能够控制电流的大小和方向。
半导体器件广泛应用于电子、通信、计算机、光电等领域，是现代科技发展的基础之一。
半导体器件的种类繁多，涵盖了许多不同的功能和应用。
下面将介绍一些常见的半导体器件：1. 整流器件整流器件用于将交流电转换为直流电，常见的整流器件有二极管和整流桥。
二极管是最基础的半导体器件之一，通过正向电压使电流通路畅通，而反向电压则阻止电流流动。
整流桥由四个二极管组成，可以实现更高效的电流转换。
2. 放大器件放大器件可以将输入信号信号放大输出，常见的放大器件有晶体管和场效应晶体管（FET）。
晶体管通过控制输入电流，改变输出电流的放大倍数，广泛应用于各种放大和开关电路中。
FET则是利用场效应原理，通过控制栅极电压来调节输出电流。
3. 逻辑器件逻辑器件用于实现逻辑运算和数据处理，常见的逻辑器件有门电路、触发器和寄存器。
门电路包括与门、或门、非门等，用于实现与、或、非等逻辑运算。
触发器和寄存器则用于存储和传输数据，实现时序逻辑功能。
4. 可控器件可控器件可以通过控制信号来改变器件的电特性，常见的可控器件有可控硅（SCR）和可控开关。
可控硅是一种具有双向导电性的半导体器件，可以实现高压大电流的控制。
可控开关通过改变输入信号的状态，控制输出电路的导通和断开。
5. 光电器件光电器件将光信号转换为电信号，或将电信号转换为光信号。
常见的光电器件有光电二极管、光敏电阻和光电晶体管。
光电二极管具有较快的响应速度，可用于光电转换和光通信。
光敏电阻对光信号具有较大的灵敏度，常用于光控开关和光敏电路。
光电晶体管通过光控电流来控制电流的通断，常用于光电触发器和光电继电器。
除了以上提到的常见半导体器件，还有诸如二极管激光器、发光二极管（LED）、MOSFET、IGBT等。
这些器件在不同的应用领域发挥着重要的作用，推动着科技的不断进步和创新。
激光的原理特性和应用
第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。
光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。
当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。
1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。
激光器分类
激光器分类可以有两种方法对激光器进行分类。
一种是从激活媒质的物质状态面分类。
这样可分为气体、液体、固体和半导体激光器。
各类激光器各有特色。
气体激光器的单色性强，如氦—氖激光器的单色性比普通光源要高1亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。
但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。
这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。
另一种分类方式是按激活媒质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。
氦——氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的。
另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。
而且可以覆盖很宽的频率范围。
各种激光器中激活媒质的方法也不尽相同。
一般来说可分为三种方法：使用高强度的光，从带电源来的电子，以及较少用的第三种方法——核辐射。
光纤通信所用的激光器在光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。
在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。
而非半导体激光器，如气体激光器、固体激光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于其体积太大，不适宜与体积小的光纤配合使用，只用于一些特殊场所。
半导体激光器半导体激光器即为激光二极管，记作LD。
它是前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明的。
半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。
半导体激光器的发光是利用光的受激辐射原理。
处于粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入射光子激励时，会同步发射光子，受激辐射的光子和入射光子不仅波长相同，而且相位、方向也相同。
这样由弱的入射光激励而得到了强的发射光，起到了光放大作用。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
半导体激光器的模式及特性
4.2.5 半导体激光器的模式
3. 横模 横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的 横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的 横向空间约束作用。 横向空间约束作用。 激光器的横模直 接影响到器件与 光纤的耦合效率 。 通常用近场图和 远场图来表示横 向光场的分布规 律。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 (1) 峰值波长 在规定输出光功率时， 在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定 义为峰值波长。 义为峰值波长。 (2)中心波长 中心波长 在光源的发射光谱中，连接 ％ 在光源的发射光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对 应的波长称为中心波长 (3)谱宽与线宽 谱宽与线宽 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽 发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 某一单独模式的宽度称为线宽。 某一单独模式的宽度称为线宽。
4. 温度特性
I th = I 0 exp(T T0 )
Ith—温度为 时的阈值电流 温度为T时的阈值电流 温度为 I0—一个常数 一个常数 T—结区的绝对温度 结区的绝对温度 T0—LD的特征温度，与器件的材 的特征温度， 的特征温度 结构等有关。 料、结构等有关。对于 GaAs/GaALAs-LD T0=100~150K； ； InGaAsP/InP-LD T0=40~70K
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性
LED和LD的光谱特性 和 的光谱特性
λ0 1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 40 60 0 -40 -20 0 20 40 λ0 λ0 1.0
[讲解]实验一半导体激光器P-I特性曲线测量
![[讲解]实验一半导体激光器P-I特性曲线测量](https://img.taocdn.com/s3/m/eed9502266ec102de2bd960590c69ec3d5bbdbcd.png)
实验一半导体激光器P-I特性曲线测量一、实验目的：1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础；2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；二、实验原理：光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。
1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。
LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。
LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约30％—50％)，辐射光谱线窄(Δλ=0.1-1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。
在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。
当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。
如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。
(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：图1是LED和LD的P-I特性曲线。
LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。
光电子单词表 中英对照
1. semiconductor: 半导体，常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。
2. light-emitting diode (LED): 发光二极管3. laser diode (LD): 半导体激光器4. photodiode: 光电二极管5. electrons: 电子6. holes: 空穴7. energy gap: 能隙8. photon: 光子9. insulator: 绝缘体10. transistor: 晶体管11. solar cell: 太阳能电池12. quantum dot: 量子点13. doping: 掺杂。
14. Pauli exclusion principle: 泡利不相容原理。
15. Fermi level: 费米能级16. valence band: 价带17. conduction band: 导带18. optical fiber: 光纤19. energy level: 能级。
20. electron–hole pair: 电子-空穴对。
21. impurity: 杂质。
22. dopant: 掺杂剂。
23. intrinsic (pure) semiconductor: 纯半导体。
24. p-type semiconductor: P 型半导体25. n-type semiconductor: N 型半导体。
26. p–n junction: PN 结27. space charge region(depletion layer): 空间电荷区(耗尽层)。
28. forward-bias voltage: 正向偏置电压29. ground state: 基态30. upper level: 上能级31. lower level: 下能级33. electromagnetic radiation:电磁辐射。
黎洪松光通信原理与系统第4章_光通信器件
c vm m m vf 2nL
c vf 2nL
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阈值条件表明，只有谐振腔内的增益大于损耗时损耗时，才能建立稳定的光 振荡，输出谱线尖锐、方向性好的激光加大注入的正电流能增大谐振腔内的 增益。
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阈值条件
形成稳定激光振荡的条件：增益 = 腔体损耗
g ( ) 增益 损耗 增益 纵模 ( ) 频率 g th 发射 主模
作为线路中继器作为线路中继器作为接收机前置放大器作为接收机前置放大器作为光发射机的后置放大作为光发射机的后置放大作为光无源器件的补偿放大器作为光无源器件的补偿放大器edfa光纤光纤在线放大器在线放大器edfa光纤前臵放大器接收机前置放大器功率放大器光发射机功率增强器补偿损耗放大器光纤总线节点在局域网中用于补偿分配损耗edfa85edfa只能工作在1530153015641564nmnm之间的之间的cc波段波段为了满足全波光纤工作窗口宽的需要科学家们在寻求一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器光纤喇曼放大器刚好可以满足这种要求
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DBR LD 结构及其原理
激话区 光输出 P N 分布式 有源区布拉格反射器 波纹电介质光栅 入射光 A 反射光 B
（ a） DBR激 光器 的结 构
m B 2n
(b)部 分反 射波 A和 B具 有路 程差 时才发生相长干涉 2
DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分 布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。 DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波 长等于两倍光栅间距 时，反射波才相互加强，发 生相长干涉。例如当部分反射波 A 和 B 具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。
2
光纤通信系统中对光源的一般要求有：