半导体激光器讲解

关于半导体激光器讲解第1页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院2§1.光纤通信中的光源将电信号转换为光信号；有两种：半导体激光二极管（LD）；

半导体发光二极管（LED）；要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致；在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄；体积小，重量轻，使用寿命长；制造工艺简单，成本低，可靠性高；第2页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院3§2.半导体中光的发射和激射原理原子的能级结构：

电子的量子化：能量是离散值；原子的能级：分立的能量值；基态（稳态）：原子能量最低；

激发态：原子能量比基态高；半导体价带、导带、带隙：

能级：分立的能量级；

能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠；

价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带；

导带：价带上面的能带；

带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差Eg；（禁带宽度）第3页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院4§2.半导体中光的发射和激射原理(续）导体的Eg半导体Eg导体Eg=0；价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生位移；(统称载流子）导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合；电子（-）、空穴（+）称为载流子；激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量；Eg=h第4页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院5§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）在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）第5页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院6§2.半导体中光的发射和激射原理(续）p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。第6页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院7§2.半导体中光的发射和激射原理(续）扩散运动→空间电荷势垒→自建电场VD→平衡状态。费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级，Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性小于1/2；Ef以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。掺杂：eVDEg为轻掺杂，eVDEg为重掺杂。在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD）→破坏平衡→P区和N区的Ef分离（准费米能级）。第7页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院8§2.半导体中光的发射和激射原理(续）(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，(Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。当正向电压足够大时，产生复合发光。第8页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院9§2.半导体中光的发射和激射原理(续）普朗克定律：基态到激发态的跃迁—吸收一个光子，激发态到基态的跃迁—发射一个光子，光子的能量为h=E2-E1。吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到高能态E2；自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。第9页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院10§2.半导体中光的发射和激射原理(续）粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的区域。光学谐振腔：自发辐射光子夹角大的逸出受激辐射光子

全同光子第10页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院11§2.半导体中光的发射和激射原理(续）第11页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院12§2.半导体中光的发射和激射原理(续）谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。阈值条件：增益必须大于损耗；相位平衡条件：光波能因干涉而得到加强以形成正反馈（驻波）；

fq谐振频率，

q谐振波长，

q纵模第12页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院13§2.半导体中光的发射和激射原理(续）频带加宽：增益介质的增益-频率特性；

第13页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院14§2.半导体中光的发射和激射原理(续）横模TEMmn

：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。

第14页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院15§3.半导体发光二极管LED利用半导体p-n结自发发光的器件。特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式色散，驱动电路简单，寿命长。第15页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院16§3.半导体发光二极管LED(续）面发光二极管第16页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院17§3.半导体发光二极管LED(续）边发光二极管第17页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院18§3.半导体发光二极管LED(续）技术参数：1.3mLED指标参数边发光面发光最小值典型值最大值典型值发射波长(m)1.221.301.321.3出纤功率(W)4050/640半高谱宽(nm)6080<85工作电流(mA)150响应时间(ns)2.5可调速率(MHz)20070第18页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院19§4.半导体激光二极管LD同质结与异质结：第19页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院20§4.半导体激光二极管LD(续）窄条双质结激光二极管：第20页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院21§4.半导体激光二极管LD(续）第21页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院22§4.半导体激光二极管LD(续）管芯制作工艺：InGaAsP双异质结第22页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院23§4.半导体激光二极管LD(续）半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP第23页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院24§4.半导体激光二极管LD(续）输出光束示意图：①两异质结-驻波-垂直横模②平行有源层-驻波-水平横模③两个反射面-驻波-纵模模式控制：第24页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院25§4.半导体激光二极管LD(续）隐埋异质结（BH）：第25页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院26§4.半导体激光二极管LD(续）平面隐埋异质结（PBH）：第26页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院27§4.半导体激光二极管LD(续）双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：第27页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院28§4.半导体激光二极管LD(续）脊型波导（RW）：第28页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院29§4.半导体激光二极管LD(续）光源与光纤的耦合：第29页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院30§4.半导体激光二极管LD(续）光耦合透镜系统：第30页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院31§4.半导体激光二极管LD(续）激光器封装的目的：⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁；⑵为器件提供合适的外引线；⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境；⑷提高光学性能；封装器件的主要要求：⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝；⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境；⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击；⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度；⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。第31页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院32§4.半导体激光二极管LD(续）同轴激光器的封装：第32页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院33§4.半导体激光二极管LD(续）插拔式同轴封装：第33页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院34§4.半导体激光二极管LD(续）尾纤式同轴封装：第34页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院35§4.半导体激光二极管LD(续）14针双列直插式封装：第35页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院36§4.半导体激光二极管LD(续）蝶式封装：第36页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院37§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，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，第37页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院38§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）第38页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院39§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）分布Bragg反射器（DBR）激光二极管第39页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院40§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）超结构光栅DBR可调谐激光二极管第40页，课件共50页，创作于2023年2月00-10-10武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院41§6.量子阱半导体激光器有源层尺寸极小→有源层与两边相邻层的能带不连续→导代和价带的