半导体激光器工作原理及基本结构共16页
半导体激光器原理ppt课件
间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发 射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。
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Байду номын сангаас
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
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异质结对光场的限制作用
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半导体激光器的材料选择
1-能在所需的 波长发光
垂直横模 侧横模
垂直横模：由异质结各层 的厚度和各层之间的折射 率差决定。
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横模（侧横模）
折射率导引激光器（Index guide LD）
1.强折射率 导引的掩埋 异质结激光 器（BH-LD）
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横模（侧横模）
折射率导引激光器（Index guide LD）
2.弱折射率导引激光器： 脊波导型激光器 （RWG-LD）
半Sem导icon体duc激tor 光lase器r dio原de 理与制造
Principle&Fabrication
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主要内容
1.半导体物理基础知识 2.半导体激光器工作原理 3.工作特性及参数 4.结构及制造工艺 5.面发射激光器
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半导体物理基础知识
1. 能带理论 2. 直接带隙和间接带隙半导体 3. 能带中电子和空穴的分布 4. 量子跃迁
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横模（侧横模）
增益导引激光器(Gain guide LD)
条形激光器
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几种典型的折射率导引激光器
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远场特性
θ⊥随有源区厚度及折射 率差的减小而减小。
θ∥ 随有源区宽度的减 小而增大。
减小有源区的宽度，可 以使远场更趋向于圆形 光斑。
半导体激光器的原理及其应用PPT
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。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理什么是半导体激光器？半导体激光器是一种基于半导体材料制造的光电器件，主要用于产生具有高度单色性和高功率的光源。
与传统光源不同，激光器可以将光线紧密地聚焦在一个小点上，并且光线的功率可以调节，是广泛应用于激光打印、医疗、通讯、显示和材料加工等领域的关键元件。
半导体激光器的结构半导体激光器通常是由多个不同材料层构成的复杂结构。
最简单的激光器结构是单个p-n结，它由p型半导体和n型半导体构成，并夹带一个锗或硅的半导体。
由于半导体的局部结构对于电子和空穴的行为非常重要，因此需要精确的设计和制造技术。
实际上，当然有更多更复杂的激光器结构，例如含量量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）。
半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理是利用电流注入击穿p-n结来实现放电并产生激光。
当n型材料中的电子和p型材料中的空穴进一步注入p-n接口时，它们将受到电子空穴复合的影响，将能量释放出来并辐射出光。
如果这个过程能够得到持续的电流注入，将产生一种光放大现象，并最终形成一个相干的激光束。
在创建激光束之前，必须确保电流仅穿过p-n结。
这种方法可以通过对p-n结进行定向（并保留损失的最小值）来实现。
因此，在激光器中，材料需要以完全纯洁的形式生长，并且都要定向，以确保无法通过的电流在整个器件中流动。
激光器器件中的外部结构也非常重要，铝或其他金属金属层可以被添加到引出电流的区域中，以确保电荷可以从外部注入。
半导体激光器的运作模式半导体激光器的运作模式通常由三种不同的模式组成：连续波（cw）模式，脉冲（pulse）模式和调制（modulated）模式。
在连续波模式中，激光器连续的产生激光，在这种模式中，我们将需要确保激光器的温度保持恒定，并且激光器所需的电流也要保持不变。
脉冲模式意味着激光器会以一种断断续续的方式工作，以打出一个高峰值功率，这种模式常用于激光打印，或者需要进行快速激光加工的应用。
最后，调制模式允许更快的切换速率，常用于在光纤通信中实现高速数据传输。
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材料由两种导电性的杂质掺杂而成，称为P型（富少子，多空穴）和N型（富多子，多自由电子）。
这两种材料通过P-N道多子结（PN 结）连接在一起，形成了一个具有正、负电荷的片状结构。
当PN结处于不加电压的情况下，P区的空穴和N区的自由电子会因为浓度差异而发生扩散，逐渐交换位置，形成电子和空穴的复合。
这时，电子和空穴的复合将能量以热量的形式释放出来。
当PN结加上一个外部的正偏电压，就会发生能带结构的变化。
在外加电场作用下，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动，形成一个冲击电子空穴对。
当电子和空穴相遇时，完成一个能量级的跃迁，能量以激光光子的形式发射出来。
这是半导体激光器的发光原理。
半导体激光器的工作原理是通过外加电压将PN结处于激活状态，产生光子。
在工作过程中，激活的PN结形成一个光泵场，加速输送电子和空穴，并形成一个正向偏移电流。
这个电流使激活部分产生相干光输出，并且能量很高。
同时，外部光泵场加速电子和空穴的输送，使得继续的跃迁事件几乎不需要外部加热或其他形式的能量输入。
半导体激光器的结构通常包括一个PN结和两个反射镜。
PN结通常由不同的半导体材料组成，例如镓砷化物（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）混合构成的异质结构。
镜面通过反射镜来增加光子的输送，形成光腔。
当激发电流通过PN结时，会产生一个相干光束，通过反射镜的多次反射，光子将不断受激辐射和放大，从而形成激光输出。
半导体激光器具有体积小、效率高、发光波长范围广等优点，广泛应用于通信、医疗、制造等领域。
在通信中，半导体激光器可用于光纤通信系统中的激光器发射器和接收器。
在医疗中，半导体激光器常用于激光治疗和激光手术。
在制造中，半导体激光器可用于激光切割、激光打标、激光焊接等应用。
总结起来，半导体激光器的发光原理是利用外加电压激活PN结，在电流的作用下，电子和空穴相遇发生跃迁，产生激光光子。
半导体激光器的工作原理是通过外加电压将PN结处于激活状态，产生相干光输出，并且利用反射镜来增加光子的输送，形成激光输出。
半导体激光器原理参考PPT
间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发 射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。
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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
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异质结对光场的限制作用
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纵模
• F-P腔激光器： 多纵模工作
• DFB激光器 单纵模工作
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F-P腔激光器
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DFB激光器
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DFB-LD与DBR-LD
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F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔
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• 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射 率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb / ΔT 小于0.1nm /℃ 。
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F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾
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工作特性
5.光谱宽度 6边模抑制比 7上升/下降时间 8串联电阻 9热阻
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导体 绝缘体 半导体
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能带中电子和空穴的分布
导带中绝大多数电子分布在导带底。
Ef为费米能级，它在能带中的位置直观的标志着电子占据量子态的情况。 费米能级位置高，说明有较多能量较高的量子态上有电子。
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能带中电子和空穴的分布
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激光器是一种能够产生高度相干、单色、高亮度的光束的装置。
半导体激光器是一种利用半导体材料的电子能级结构和电子运动特性产生激光的器件。
它具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
一、半导体激光器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跃迁。
半导体材料是一种具有禁带的材料，其中包含价带和导带。
当材料处于基态时，价带中的电子填满，导带中没有电子。
当外界施加一定的电场或注入电流时，会使得部分电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这些电子空穴对在材料中移动，发生复合过程，释放能量。
如果能量释放过程中，这些电子空穴对受到外界的刺激，就会产生光子，即激光。
具体来说，半导体激光器通常采用p-n结构。
当在p区域施加正电压，n区域施加负电压时，形成了一个正向偏置的电场。
此时，电子从p区向n区移动，空穴从n区向p区移动。
当电子和空穴在p-n结附近相遇时，发生复合，释放出能量。
这些能量以光子的形式辐射出来，形成激光。
二、半导体激光器工作原理半导体激光器的工作原理主要包括激励、放大和反馈三个过程。
1. 激励：半导体激光器通过施加电流来激励半导体材料，使得电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这个过程可以通过正向偏置p-n结来实现。
施加的电流越大，激发的电子空穴对就越多，产生的光子也就越多。
2. 放大：在半导体激光器中，激发的电子空穴对会在材料中不断移动，发生复合过程，释放能量。
这些能量以光子的形式辐射出来，形成激光。
放大过程通过在激光器中引入光波和电流的相互作用来实现。
光波在通过激光器时会与激发的电子空穴对发生相互作用，使得光子数目增加，光强度增大。
3. 反馈：半导体激光器中的反馈机制是保证激光放大的关键。
反馈可以通过激光器内部的反射镜来实现。
当光波通过反射镜反射回激光器内部时，会引起激发的电子空穴对进一步发生复合，释放更多的光子。
这些光子又会被反射镜反射回激光器内部，形成光的积累和放大效应，最终形成激光。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理半导体激光器是一种能够产生高亮度、高能量密度激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
它的工作原理主要基于半导体材料的特性和光学放大过程。
在半导体激光器中，激光的产生是通过电子和空穴在半导体材料中的复合辐射而实现的。
首先，我们来看一下半导体材料的特性。
半导体材料通常是由硅、锗、砷化镓等元素构成的化合物，它具有介于导体和绝缘体之间的导电特性。
在半导体中，电子能带分为价带和导带，当外加电场或光照射作用下，电子可以从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这种电子和空穴的复合过程会产生光子，即激光的基本构成单元。
其次，半导体激光器中的光学放大过程是激光产生的关键。
当半导体材料处于激发状态时，即有足够多的电子和空穴对被激发到导带和价带中，此时在激光器中形成了一个光学增益介质。
当外加电场或光场作用下，这个增益介质会放大入射的光信号，从而产生激光。
在半导体激光器中，通常采用的结构是p-n结构。
p-n结构是由p型半导体和n型半导体组成的，它们通过p-n结界面形成一个内建电场。
当外加电压施加到p-n结上时，内建电场会将电子和空穴分离，形成电子空穴复合区。
在这个区域内，电子和空穴会发生辐射复合，产生光子，从而实现激光的产生。
除了p-n结构，还有其他类型的半导体激光器，比如量子阱激光器、垂直腔面发射激光器等。
这些激光器利用了量子效应和光学共振结构来增强光学放大效应，从而提高激光器的性能和稳定性。
总的来说，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的特性和光学放大过程。
通过精心设计的结构和工艺，半导体激光器可以产生稳定、高能量密度的激光，为各种应用提供了强大的光源。
随着半导体材料和工艺的不断进步，半导体激光器将在更多领域展现出其巨大的潜力和应用前景。
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激光器是一种能够产生高度聚焦的、单色、相干光的装置。
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其发光原理和工作原理是通过电子在半导体材料中的能带结构和激发机制来实现的。
一、半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构是理解半导体激光器发光原理的关键。
半导体材料的能带包括价带和导带，两者之间的能隙称为禁带宽度。
在常温下，半导体材料的价带通常被填满，而导带则是空的。
当外界施加电场或者光照射时，电子可以通过吸收光子或者受到电场加速而跃迁到导带中。
二、激发机制半导体激光器的工作原理是通过电流注入和电子-空穴复合来实现的。
1. 电流注入半导体激光器是通过将电流注入到半导体材料中来激发电子的。
当正向电流通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带中，形成电子空穴对。
这些电子空穴对在材料中逐渐扩散，最终会萃在PN结附近。
2. 电子-空穴复合当电子和空穴相遇时，它们会发生复合反应，释放出能量。
这个能量以光子的形式发射出来，形成激光。
由于半导体材料的能带结构和能隙宽度的设计，电子和空穴的复合过程会产生相干的光，从而形成激光束。
三、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理可以分为连续工作和脉冲工作两种模式。
1. 连续工作模式在连续工作模式下，半导体激光器通过不断注入电流来保持激光的连续输出。
当电流注入到半导体材料中时，电子会从价带跃迁到导带中，并与空穴发生复合反应，释放出激光光子。
这些光子会在激光腔中来回反射，激发更多的电子跃迁并产生更多的激光光子。
最终，激光光子通过激光输出端口输出。
2. 脉冲工作模式在脉冲工作模式下，半导体激光器通过调制电流的脉冲宽度和频率来产生脉冲激光。
当电流注入到半导体材料中时，电子和空穴的复合反应会形成瞬时的激光光子。
通过控制电流脉冲的宽度和频率，可以调节脉冲激光的强度和重复率。
四、半导体激光器的应用半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工、显示技术等领域。
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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。
END
折射率波导条形激光器（掩埋条形）
特点：不仅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，而且对光波侧向渗透也有限制作 用。
InP衬底的1310nm 、1480nm激光器属于这种结构， 需要三次外延生长。此结构的优点：条形有源区的侧 向对载流子和光场都有限制，辐射光丝稳定，能够单 膜工作，远场单峰、光斑均匀，光谱窄、阈值低、可 靠性高。
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。
半导体激光器的分类（材料和波长）
可见光：
GaAs衬底
InGaN/ GaAs 480~490nm 蓝绿光
InGaAlP/GaAs 630~680nm
AlGaAs/GaAs 720~760nm
• 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，降低欧姆接触电阻。
半导体激光器器件制备
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。
近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm
远红外长波长： InP衬底
InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
半导体激光器材料生长
• 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。
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）
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。
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.
一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件: 腔长=半波长的整数倍 L=m(λ/2n)
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。
半导体激光器工作原理及基本结构
工作原理 分类 材料及器件结构
半导体激光器工作原理
半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、 波长基本相同、强度较大）的光电子器件。
半导体激光器工作原理
工作三要素：
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
自发光辐射和受激光辐射
自发光辐射（发光二极管）
• 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。