半导体激光器讲解演示幻灯片

光纤通信光源讲义武汉大学电子信息学院何对燕00-10-101§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；00-10-102§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）00-10-103§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

00-10-104§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）00-10-105§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。00-10-106§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）。00-10-107§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。00-10-108§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）。00-10-109§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00-10-1010§2.半导体中光的发射和激射原理(续）00-10-1011§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00-10-1012§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；

00-10-1013§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。

00-10-1014§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。00-10-1015§3.半导体发光二极管LED(续）

面发光二极管00-10-1016§3.半导体发光二极管LED(续）

边发光二极管00-10-1017§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)2007000-10-1018§4.半导体激光二极管LD

同质结与异质结：00-10-1019§4.半导体激光二极管LD(续）

窄条双质结激光二极管：00-10-1020§4.半导体激光二极管LD(续）00-10-1021§4.半导体激光二极管LD(续）

管芯制作工艺：InGaAsP双异质结00-10-1022§4.半导体激光二极管LD(续）

半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP00-10-1023§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：00-10-1024§4.半导体激光二极管LD(续）

隐埋异质结（BH）：00-10-1025§4.半导体激光二极管LD(续）

平面隐埋异质结（PBH）：00-10-1026§4.半导体激光二极管LD(续）

双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：00-10-1027§4.半导体激光二极管LD(续）

脊型波导（RW）：00-10-1028§4.半导体激光二极管LD(续）

光源与光纤的耦合：00-10-1029§4.半导体激光二极管LD(续）

光耦合透镜系统：00-10-1030§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。00-10-1031§4.半导体激光二极管LD(续）

同轴激光器的封装：00-10-1032§4.半导体激光二极管LD(续）

插拔式同轴封装：00-10-1033§4.半导体激光二极管LD(续）

尾纤式同轴封装：00-10-1034§4.半导体激光二极管LD(续）

14针双列直插式封装：00-10-1035§4.半导体激光二极管LD(续）

蝶式封装：00-10-1036§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，00-10-1037§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）00-10-1038§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）

分布Bragg反射器（DBR）激光二极管00-10-1039§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00-10-1040§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→导代和价带的突变→势能阱→量子阱效应00-10-1041§6.量子阱半导体激光器00-10-1042§6.量子阱半