半导体激光器(一)PPT课件
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(激光器件课件)第三章 典型的半导体激光器
（四）垂直腔表面发射半导体激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL：
Vertical-cavity surface-emitting laser）
谐振腔的腔镜由折射率不同的物 质层交错堆积而成 从垂直于半导体薄片的方向发射 激光，使激光束的截面成为圆形， 减小了激光束的发散角，克服了原 来从半导体侧面发光的缺点。 能够在同一块板上集成一百万只 小激光器，其激发电流仅1mA。
自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒 内产生径向的折射率分布而制成。它的聚光能力是 依靠折射率的渐变分布来实现的，焦距由透镜长度 决定。平端自聚焦透镜球差较严重，会聚光斑较大， 可把前端研磨成球面，补偿了透镜的球差。
圆柱形微透镜对光束具有一定的会聚作用，能够把半导体 激光器发出的光束进行单方向会聚，同时，柱透镜可以用 光纤来实现，因而制作简单，成本低廉。尽管圆柱形微透 镜具有很大像差，但不影响它在光纤耦合中的应用。
单波长
直接
150 W
光纤耦 合
100 W
450 W
350 W
600 W
500 W
100/1000um 1.000 W 1.600 W
双波长
直接 光纤耦合
300 W
200 W
900 W
600 W
1.200 W
950 W
2.000 W
3.000 W
Numerical Aperture 0.2
第四章 半导体激光器的制作工艺
较厚
可任意控制
可随意控制
厚度、组分不均匀、表面光滑、组分可 表面光滑、掺杂和
缺陷、表面变形 控、质量好
组分可控、质量好
50nm 600—900度 较安全 简单
5nm 900—1000度 较危险 较复杂
半导体激光器ppt课件
Ⅱ、与同质结激光器相比，异质结激光器具有以下优点： 1）阈值电流低，同时阈值电流随温度的变化小； 2）由于界面处的折射率差异，光子被限制在作用区内； 3）能实现室温下的连续振荡。
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
半导体激光器的原理及其应用PPT
可靠性
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。
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。
半导体激光器工作原理及基本结构PPT课件
• 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)
第5页/共15页
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。 • 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。
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。
第4页/共15页
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.
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。
第10页/共15页
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)。
第3页/共15页
自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（发光二极管）
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）
第13页/共15页
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。
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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。 • 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。
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。
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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.
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。
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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)。
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自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（发光二极管）
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）
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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。
半导体激光器分析PPT课件
.
35
1. 发射波长和光谱特性
峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激 辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱 波长。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理
受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 温度特性 6.3.3 分布反馈激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
.
9
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例 系数(吸收和辐射的概率)相等。
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。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N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物 质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
收） 自发辐射 受激辐射
.
3
E2
初态
E1
E2
hυ=E2-E1
E1
终态
(a) 自发辐射
光子的特点：非相干光
.
4
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
.
5
E2
hυ
E1
初态
E2
《半导体激光器》课件
激光器的原理和结构
三层异质结构
由P型层、N型层和增益区组 成，形成电荷分布不均衡。
激发电子跃迁
通过半导体材料注入载流子， 使电子跃迁并辐射出激光。
反射和增强
利用反射镜将光不断反射， 形成受激辐射和光放大。
半导体激光器的分类
基于材料
可见光范围：GaN、InGaN、 AlGaInP
基于结构
激光二极管、垂直腔面发射激 光器（VCSEL）、边缘发射激光 器
半导体激光器将继续追求更高功率输出
新材料和结构
2
和更短波长的发展。
新型半导体材料和结构设计将推动半导
体激光器的进一步发展。
3
光电子集成
半导体激光器将与其他光电子器件集成， 进一步拓展应用领域。
总结和展望
半导体激光器的发展已经取得了显著的成就，但仍有许多待解决的挑战。我们期待看到半导体激光器在更多领 域发挥重要作用，并推动科技进步和社会发展。
1 小尺寸、易集成
半导体激光器的微小尺寸 使其在集成电路和微型设 备中具有广泛应用。
2 低功耗、高效率
相较于其他激光器，半导 体激光器具有更低的功耗 和更高的能量转换效率。
3 快速开关、调制
半导体激光器具有快速调 制和切换特性，适用于光 通信和传感器等领域。
半导体激光器的发展趋势
1
更高功率和更短波长
基于应用
光通信、激光打印、医疗、工 业加工、激光雷达等
半导体激光器的应用
光通信
作为信息传输的关键技术，广泛 应用于光纤通信和无线光通信领 域。
医疗
各种激光治疗设备，如激光手术 刀和激光美容仪，受到医疗界的 青睐。
工业加工
激光切割、激光焊接和激光打标 等应用，提高了工业加工的效率 和精度。
半导体激光器讲解ppt课件
正反馈（驻波）；
fq 谐振频率， q 谐振波长， q 纵模
f q
c
q
q
c 2nL
12
§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；
13
§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。
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）。
9
§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。
Eg=h
4
§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）
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）。
7
§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。
半导体激光器 ppt课件
布
1
p(E)1expE( Ef )
(3.3)
kT
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能 级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。
在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。
在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图3.2(b)。
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理
受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 6.3.3 分布反馈激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
在热平衡状态下(a，) 能量为E的能级(b)被电子占据的概(c率) 为费米分
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。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。
半导体激光器基本结构PPT课件
发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所 不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐 射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结 (DH)结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不 同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管 有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发 光型LED，其结构示于图。和正面发光型LED相比，侧 面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于 光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光 功率比正面发光型LED大。
第9页/共48页
半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能
量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f=Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10－34 J·s为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，
测器称为光电二极管。光电二极管(PD)把光信号转换为 电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。
第22页/共48页
PIN光电二极管
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性 区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件 的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导 体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。
受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种
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如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光
通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激
活物质。N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布
相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。
半导体激光器ppt课件
半导体激光器
目录
半导体激光器简介
半导体激光器工作原理
半导体激光器的分类
半导体激光器的应用
• 半导激光器简介：
• 半导体激光器是以一 定的半导体材料做工 作物质而产生激光的 器件。.
• 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被 成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来 经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构 造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于 光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激 光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光 器。
• （7）动态单模激光器
• （9）量子阱激光器
（8）分布反馈激光器
（10）表面发射激光器
• （11）微腔激光器
半导体激光器的应用
•军事领域
•如激光制导跟踪、激光雷 达、激光引信、激光测距、 激光通信电源、激光模拟 武器、激光瞄准告警、激 光通信和激光陀螺等。目 前世界上的发达国家都非 常重视大功率半导体激光 器的研制及其在军事上的 应用。
•印刷业和医学领域
•如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光 盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝 光面发射激光器的应用更广泛蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激 光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清 晰度彩色电视机中。
供应平板刻绘机
The end,thank you!
半导体激光雷达 半 导 体 激 光 武 器 模 拟
半导体激光瞄准和告警
半导体激光测距
半导体激光引信
半导体激光制导跟踪
军用光纤陀螺
•光纤通信系统
半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电 路平面工艺组成光电子系统。
目录
半导体激光器简介
半导体激光器工作原理
半导体激光器的分类
半导体激光器的应用
• 半导激光器简介：
• 半导体激光器是以一 定的半导体材料做工 作物质而产生激光的 器件。.
• 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被 成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来 经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构 造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于 光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激 光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光 器。
• （7）动态单模激光器
• （9）量子阱激光器
（8）分布反馈激光器
（10）表面发射激光器
• （11）微腔激光器
半导体激光器的应用
•军事领域
•如激光制导跟踪、激光雷 达、激光引信、激光测距、 激光通信电源、激光模拟 武器、激光瞄准告警、激 光通信和激光陀螺等。目 前世界上的发达国家都非 常重视大功率半导体激光 器的研制及其在军事上的 应用。
•印刷业和医学领域
•如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光 盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝 光面发射激光器的应用更广泛蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激 光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清 晰度彩色电视机中。
供应平板刻绘机
The end,thank you!
半导体激光雷达 半 导 体 激 光 武 器 模 拟
半导体激光瞄准和告警
半导体激光测距
半导体激光引信
半导体激光制导跟踪
军用光纤陀螺
•光纤通信系统
半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电 路平面工艺组成光电子系统。
半导体激光器工作原理及基本结构ppt课件
半导体、固体激光器
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半导体、固体激光器
工作原理及基本结构 器件分类（主要参数） 应用
2
半导体激光器工作原理及结构
半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激 光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或 异质结将大量的过剩载流子(电子一空穴对)注入激活区以形成集 居数反转。这类激光器由于容易实现电流直接调制输出，因此它 是目前使用最为广泛的一种半导体激光器，所以接下来我们来着 重介绍一下注入式半导体激光器的工作原理。
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)
7
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。
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。
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半导体激光器的应用
• 在产业技术上的应用：
1. 光纤通信。光纤通信已经成为当代通信技术的主流。半导体激 光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源； 2. 光盘存取。半导体激光器已经用于光盘存储器，其最大优点就 是存储信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘存储密度； 3. 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析， 监测大气污染、汽车尾气等； 4. 光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射 半导体激光器，二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于 光计算和光神经网络。 5. 激光微细加工。借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲，对集 成电路进行切割、打孔等。
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半导体激光器工作原理及结构
注入式半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、
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半导体、固体激光器
工作原理及基本结构 器件分类（主要参数） 应用
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半导体激光器工作原理及结构
半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激 光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或 异质结将大量的过剩载流子(电子一空穴对)注入激活区以形成集 居数反转。这类激光器由于容易实现电流直接调制输出，因此它 是目前使用最为广泛的一种半导体激光器，所以接下来我们来着 重介绍一下注入式半导体激光器的工作原理。
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)
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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。
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。
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半导体激光器的应用
• 在产业技术上的应用：
1. 光纤通信。光纤通信已经成为当代通信技术的主流。半导体激 光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源； 2. 光盘存取。半导体激光器已经用于光盘存储器，其最大优点就 是存储信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘存储密度； 3. 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析， 监测大气污染、汽车尾气等； 4. 光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射 半导体激光器，二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于 光计算和光神经网络。 5. 激光微细加工。借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲，对集 成电路进行切割、打孔等。
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半导体激光器工作原理及结构
注入式半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、
半导体激光器原理及应用PPT课件
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半导体激光器的线宽
上面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响
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半导体激光器的动态特性
半导体激光器有别于其它激光器的最重要特点之一在于它有被交变信号直接调 制的能力，这在信息技术中具有重要的意义。
与工作在直流状况的半导体激光器不同，在直接高速调制情况下会出现一些有 害的效应，成为限制半导体激光器调制带宽能力的主要因素。
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半导体激光器等效电路
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半导体激光器的热特性
引发机制： 在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸 收等损耗机制，使外微分量子效率只能达到20％~30％，意味着相当部分注入的 电功率转换为了热量，引起激光器的升温。这会导致LD的阈值电流增大、发射波 长红移、模式不稳定、增加内部缺陷，严重影响器件的寿命。 解决办法：
（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子h 相同。
（c）受激吸收：原子接收辐射能 h 从基态能级E1越入受激能级E2。 产生激光的必要条件：受激辐射占主导地位
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3
自发辐射的特点
这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频 率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。
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半导体激光器横模与侧模
有多侧模的半导体激光器的近场和远场
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纵模谱的影响因素
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可见，若要选频，就要控制温度，要稳定功率输出，
也要选择恒温控制
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半导体激光器的光束发散角
半导体激光器工作原理 ppt课件
远红外长波长： InP衬底
InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
半导体激光器工作原理
8
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
半导体激光器工作原理
9
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。
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。
半导体激光器工作原理
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。
半导体激光器工作原理
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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
近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm
半导体激光器工作原理
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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)。
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1 P ( E ) 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据 E Ef 和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 1 exp[ ] KT 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。
Ef
Ef
Ef
P 区
PN 结空 间电 场区
N 区
+ + + + ++
• • • • •
是 阈值增益系数； ln( 1 ) R1 R2 是谐振腔内激活物质的损耗系数； th 2L 为谐振腔长度 th 激光振荡的相位条件为： 或
L
L q
2n
L
2 nL
半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
双异质结（DH)LD的结构
E2
初态
hf12
E1
hf12
E2
终态
hf12
E1
hf12
(c)受激辐射
(a)受激吸收
能级与电子跃迁示意图
(b)自发辐射
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为 N1 和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率 分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时， 光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受 激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活 物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分 布。
光与物质相互作用的三种基本方式
• 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级， 同时释放出光子。 • 受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低 能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。 • 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃 迁到高能级。
光学谐振腔
光学谐振腔——由两个反射率分别为 R1 和 R2的平行反射镜构成。 腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射 光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传 播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不 断改善，使增益大幅度提高。
激光振荡
• 激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获 得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相 当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：
第八讲 半导体激光器（一）
主要内容
• 半导体激光器的工作原理 • 半导体激光器的基本结构
半导体激光器工作原理
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现 粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐 振腔的正反馈实现光放大而产生激光。
半导体激光器工作原理
• 光与物质相互作用的三种基本方式 • 粒子数反转分布 • 激光振荡和光学谐振腔
双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材
料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层， 两侧分别为宽带隙的 P 型和 N 型半导体是限制层，三层半导 体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。 光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。
半导体的能带和电子分布
能量 价带 Ee Eg Ef/2 Ef/2 Ef Eg Ev 价带 (a)本征半导体 空穴 (b)N型半导体 电子 Ev (c)P型半导体 Ee Ef Eg Ef Ev Ee
• • • • •
能带——电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。 价带——能量低的能带。 导带——能量高的能带。 禁带Eg——导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差 在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布
EeP
能量 P区
EeN Ef N区 EVN
EVP
EeP EfP EVP
PN结的能带和电子分布
EeN
hf
EfN
hf
EVN
PN 结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场 区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种 运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时， 内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在 PN 结 形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。
金属接触 限制层GayAl1-yAs 有源层GaAs 限制层GaXAl1-XAs
GaAs衬底 光辐射
(a)Biblioteka +P GayAl1-yAs
P GaAs
N GaXAl1-XAs 电子 复合 异质势垒
－
(b)
E 能 量 空穴
(c)
N 折 射 率
＜5%
(d)
P 光 功 率
双异质结（DH)LD的工作原理示意图
双异质结（DH)LD的工作原理