半导体激光器和发光器件介绍
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
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。
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)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 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。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理引言概述：半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理。
一、发光原理1.1 材料特性半导体激光器主要采用具有直接能隙的半导体材料，如GaAs、InP等。
这些材料具有较高的折射率和较小的能隙，能够实现电子和空穴的复合发光。
1.2 电子复合在半导体材料中，当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，产生光子。
这种电子和空穴的复合过程是半导体激光器发光的基本原理。
1.3 量子阱结构为了提高发光效率，半导体激光器通常采用量子阱结构。
量子阱是由不同能带的材料层交替堆叠而成，能够限制电子和空穴在空间上的运动，从而增加复合发光的几率。
二、工作原理2.1 注入电流半导体激光器通过注入电流来激发电子和空穴的复合发光。
当外加正向偏压时，电子从N型区域注入到P型区域，与空穴复合产生光子。
2.2 泵浦机制半导体激光器的泵浦机制主要有电泵浦和光泵浦两种方式。
电泵浦是通过注入电流来激发发光，而光泵浦则是利用外界光源来激发发光。
2.3 光放大在半导体激光器中，光子在材料中的传播会受到吸收和散射的影响。
为了保持激光的强度，需要在激光器内部设置光放大区域，使光子得到增强。
三、半导体激光器的类型3.1 可见光激光器可见光激光器主要用于显示、照明等领域。
常见的可见光激光器有红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器等。
3.2 红外激光器红外激光器主要用于通信、医疗和工业等领域。
常见的红外激光器有半导体激光二极管和半导体激光放大器等。
3.3 高功率激光器高功率激光器主要用于激光切割、激光焊接等工业应用。
它具有较高的输出功率和较高的光束质量。
四、半导体激光器的应用4.1 光通信半导体激光器在光通信中起着重要的作用，可以实现高速、远距离的数据传输。
4.2 医疗应用半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精确控制和无创的特点。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它是现代光电子学和通信领域中最重要的光源之一，广泛应用于光通信、激光打印、激光显示、医疗设备等领域。
了解半导体激光器的发光原理和工作原理对于深入理解其性能和应用具有重要意义。
一、半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理基于半导体材料的能带结构和电子能级跃迁。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其能带结构决定了其电子能级的分布和跃迁的方式。
半导体材料的能带结构包括导带和价带。
导带上的电子具有较高的能量，而价带上的电子具有较低的能量。
在半导体材料中，导带和价带之间存在一个能隙，称为禁带宽度。
当半导体材料处于低温或无外界激发时，几乎所有的电子都处于价带中。
当外界提供足够的能量，如电流或光照射，部分电子会跃迁到导带中，形成导电状态。
在半导体激光器中，通过在半导体材料中注入电流，使得电子从价带跃迁到导带，形成载流子。
这些载流子在导带中通过碰撞释放出能量，产生光子。
光子进一步与其他载流子发生碰撞，形成光子的自发辐射过程。
这些自发辐射的光子在光学腔中来回反射，与激发过程中产生的光子发生受激辐射，使得光子数目指数增加，形成激光。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理包括注入电流和光学腔的作用。
注入电流是通过在半导体材料中施加外部电压或电流，使得载流子从价带跃迁到导带，形成载流子密度的增加。
在半导体激光器中，光学腔是由两个反射镜构成的，其中一个是高反射镜，另一个是半透明镜。
这两个反射镜形成的光学腔可以使光子在其中来回反射，增强光子的受激辐射，形成激光。
具体而言，当注入电流通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带，形成载流子。
这些载流子在导带中通过碰撞释放出能量，产生光子。
这些光子在光学腔中来回反射，与其他载流子发生碰撞，形成受激辐射，使得光子数目指数增加，形成激光。
半导体激光器的工作原理可以通过以下步骤概括：1. 注入电流：通过外部电压或电流注入半导体材料，形成载流子。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理引言概述：半导体激光器是一种常见的光电器件，其发光原理和工作原理对于理解和应用半导体激光器具有重要意义。
本文将从发光原理和工作原理两个方面进行介绍和阐述，以帮助读者更好地理解半导体激光器的工作机制。
一、发光原理1.1 能带结构：半导体激光器的发光原理与半导体材料的能带结构密切相关。
半导体材料的能带结构由价带和导带组成，其中价带中填满了电子，导带中则存在自由电子。
当电子从价带跃迁到导带时，会释放出能量并产生光子。
1.2 电子与空穴复合：在半导体中，当电子从价带跃迁到导带时，会在价带中留下一个空位，形成一个空穴。
电子与空穴之间的复合过程是半导体激光器发光的关键。
当电子与空穴复合时，会释放出能量并产生光子，即激光。
1.3 电子注入：为了实现半导体激光器的工作，需要通过电流注入的方式将电子注入到半导体材料中。
通过施加电压，电子从一个材料（N型材料）注入到另一个材料（P型材料）中，形成电子空穴复合区域，从而产生激光。
二、工作原理2.1 泵浦机制：半导体激光器的工作原理基于泵浦机制。
在泵浦过程中，通过电流注入，将电子注入到P型材料中，形成电子空穴复合区域。
这个区域被称为激活层，是激光器发光的关键部分。
2.2 光放大机制：在激活层中，电子与空穴发生复合过程，释放出能量并产生光子。
这些光子在激活层中来回反射，与其他电子和空穴发生碰撞，从而引发更多的电子空穴复合。
这种光放大机制导致光子数目的指数增长，形成激光。
2.3 反射和放大：半导体激光器中的激光通过激活层两侧的反射镜进行反射，形成光的共振腔。
这种反射使得光在激活层中来回传播，并与其他光子发生干涉，增强激光的放大效果。
同时，激光也通过半导体材料的放大效应，使得光的强度进一步增大。
三、应用领域3.1 光通信：半导体激光器在光通信领域中具有广泛的应用。
其高速调制性能和窄线宽特性使其成为光纤通信系统中的重要光源。
3.2 激光打印：半导体激光器在激光打印领域中被广泛应用。
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
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数
概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
半导体激光器 液晶显示器
N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
光电子学中的固态光学器件原理
光电子学中的固态光学器件原理光电子学是研究光与电子之间相互作用的学科领域，而固态光学器件则是光电子学中的重要组成部分。
固态光学器件利用固体材料的特殊性质，将光与电子相互转换，从而实现各种光学功能。
本文将介绍一些常见的固态光学器件原理，包括发光二极管、激光器和光电二极管。
发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种能够将电能转换成光能的器件。
其工作原理基于半导体材料的特性。
半导体材料中的电子能级分为导带和价带，两者之间存在能隙。
当外加电压施加在半导体材料上时，电子从价带跃迁到导带，同时释放出能量，产生光辐射。
不同的半导体材料具有不同的能隙，因此可以发射出不同波长的光。
通过控制半导体材料的成分和结构，可以实现不同颜色的LED光源。
激光器（Laser）是一种能够产生高度相干、单色、高亮度光束的器件。
激光器的工作原理基于光的受激辐射效应。
激光器由三个基本部分组成：激发源、增益介质和光学反射镜。
激发源通过电流或光能激发增益介质，使其处于激发态。
当光子通过增益介质时，会与激发态的原子或分子发生相互作用，产生受激辐射，释放出一束相干的光。
这束光经过光学反射镜的反射和放大，最终形成激光束。
激光器的波长和功率可以通过调节增益介质和光学反射镜的参数来控制。
光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换成电信号的器件。
其工作原理基于半导体材料的光电效应。
当光照射在光电二极管上时，光子的能量会激发半导体材料中的电子，使其跃迁到导带，产生电流。
光电二极管通常由p-n结构构成，其中p型区域富含空穴，n型区域富含电子。
当光照射在p-n结上时，光生载流子会在电场的作用下被分离，形成电流。
通过控制光电二极管的结构和材料，可以实现对不同波长的光信号的检测和测量。
除了上述提到的几种固态光学器件，还有许多其他的器件也在光电子学中得到广泛应用。
例如，光电晶体管（Phototransistor）是一种能够将光信号转换成电信号的放大器件，其工作原理基于晶体管的放大作用。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理1.1 激发态电子跃迁：半导体激光器的发光原理是利用半导体材料中的电子和空穴的复合辐射产生激光。
当电子和空穴在PN结区域复合时，会发生能级跃迁，释放出光子。
1.2 光放大过程：在半导体材料中，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这种过程会导致光子数目的指数增长，最终形成激光。
1.3 反射反馈：半导体激光器内部通常设置有反射镜，用于反射激光，使其在器件内部多次反射，增强激光的光程和功率，最终形成高亮度的激光输出。
二、半导体激光器的工作原理2.1 电流注入：半导体激光器的工作需要通过电流注入来激发电子和空穴的复合。
电流通过PN结区域，形成电子和空穴的复合辐射。
2.2 光放大：在电流注入的情况下，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这会导致激光的产生和输出。
2.3 温度控制：半导体激光器的工作过程中会产生热量，需要进行有效的温度控制，以确保器件的稳定性和寿命。
通常会采用温控器等设备进行温度管理。
三、半导体激光器的特点3.1 尺寸小：半导体激光器采用微型化设计，尺寸小巧，适合集成在各种设备中。
3.2 高效率：半导体激光器具有高效的能量转换率，能够将电能转换为光能，功耗低。
3.3 快速调制：半导体激光器响应速度快，能够实现快速调制和调节，适用于高速通信和数据传输领域。
四、半导体激光器的应用领域4.1 通信：半导体激光器广泛应用于光通信系统中，用于光纤通信和无线通信的光源。
4.2 医疗：半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精准、无创的特点。
4.3 材料加工：半导体激光器可用于材料切割、打标、焊接等加工领域，具有高精度和高效率的优势。
五、半导体激光器的发展趋势5.1 高功率：未来半导体激光器将朝着高功率、高亮度的方向发展，以满足更多领域的需求。
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发光二极管的工作原理
发光二极管是少数载流子在PN结区 的注入与复合而产生发光的一种半导体 光源，也称作注入式场致发光光源
光输出
N-AIyGa1yAs P- GaAs
P-AIxGa1xAs
光纤 导光层 圆形蚀刻孔
衬底
金属化层 (用于电接触)
限制层
SiO2 绝 缘 层金属化层 热沉
条形接触 (确定有源区)
激光器的工作原理 自由辐射、受激吸收和受激辐射
产生激光 必要条件
1. 实现粒子数反转 ２.使工作物质被激发 ３.要实现光放大
——工作物质 ——激励能源
——光学谐振腔
一、气体激光器
He-Ne气体激光器
He -Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质， He与Ne之比为5∶1 10∶1。
Ne原子可以产生多条激光谱线,最强的三条: 0．6328ｍ、1．15 m、3．39 ｍ
i / mA
120
100 80
60
40
20
0
1.0
1.5
2.0
2.5
u /V
阈值特性与材料有关： GaAs是1.0V；GaAsP、 GaAlAs约为1.5V；发红光的 GaP是1.8V，发绿光的GaP 是2.0V，反向击穿电压一般 在-5V以上。
LED信号控制电路
Rb1
LED
+5V
Vin
Rb2
Re
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
0℃
输 出
25℃
光
功
70℃
率
50 100 150 电流/mA
LED驱动电路及伏安特性
RL为限流电阻
RLUccUF
I IF F
Ucc RL UF
UF和IF为二极管参数
例如：
GaAs电流选用20mA， GaP电流选用10mA，即可 获得足够亮度。
600 700 800 900
1000
λ/nm
发光二极管的光谱特性
发光二极管LED的频率响应
10
e£½1.1 ns
Æ µÂÊÏìÓ¦ H( f )
e£½2.1 ns
£½6.4
0.1
e
ns
10
100
1000
µ÷ÖÆ Æ µÂÊf / MHz
4 3 2 10 / mW
发光二极管LED的P-I特性曲线
3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高， 即使在日光下，由LED发出的光也能辨认。正是基于这一优 势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面 的应用正迅速扩大。
4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极 小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的 特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号 灯的使用范围还会进一步扩大。
5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、 广场地面的信号光源，是一个新的应用领域
二、 应用1、 指Fra bibliotek灯2 、数字显示用显示器
利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种 方式。
点矩阵型数字显示 字段型数字显示
树脂 LED芯片
反射 框
引线框 架
▪ 3、平面显示器
▪ LED平面显示器可分为单片型、混合型及点 矩阵型等几大类。
▪ 4、光源
▪ LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、 系统的光源。例如HBLED。
激光器
梅曼和第一只激光器
激光器的种类：
1、按工作 物质分类
固体 （如红宝石Al2O3） 液体 （如某些染料） 气体 （如He-Ne、CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 自由电子激光器
2、按工作 方式分类
连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ）
定义： 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可 得到主要在某一光谱范围的辐射。
低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光 源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯 的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧 光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线 转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某 一范围的波长，如照明日光灯。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时， 势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称 为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着 以光子形式放出能量，因而有发光现象。
二、固体激光器
LED的特点及应用
一、特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。
2、 LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料， 可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAsP材料的 红色LED，GaAsP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色 LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色 化。
接合材料 金属化层 有源区
衬底
金属化层 (用于电接触)
SiO2 绝 缘 层
双 异 质 结SiO2绝缘层
层
双异质结
热沉
有源区 圆形金属触点
发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED
球透镜 环氧树脂
P层 有源层 n层 发光区
微透镜
P型限制层
有源层 波导层 n型限制层
图 3.14两类发光二极管(LED) (a) 正面发光型； (b) 侧面发光型
半导体激光器和发光器件介绍
发光器件
1. 白炽光源
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般 白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所 以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。
特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性 差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是 可取之处。
2. 气体放电光源
LED的光谱特性
LED的发光谱决定 其发光颜色，目前 可实现各类颜色。 LED具有正的温度 系数，温度升高时， 发射波长红移，约 为：0.2-0.3nm/
度
相 1.0
对 0.8
灵 0.6
敏 度
0.4
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
GaAsP λp=655nm