半导体激光器输出特性的影响因素

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半导体激光器的工作原理及应用

半导体激光器的工作原理及应用

半导体激光器的工作原理及应用摘要:半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转,并有合适的光学谐振腔。

由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处,另一方面所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。

从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围宽,相干性增强,是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

关键词:受激辐射;光场;同质结;异质结;大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。

As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器,又称半导体激光二极管(LD),是20世纪60年代发展起来的一种激光器。

半导体激光器的模式及特性

半导体激光器的模式及特性

激光器发射光功率
p
激光器辐射的光功率 激光器消耗的电功率
VjI
Pex I 2Rs
激光器结电压
激光器串联电阻
注入电流
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 (b)内量子效率
内量子效率I=
有源区内每秒钟产生的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
(c)外量子效率
外量子效率ex= 有源区内每秒钟发射的光子数
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性
(1) 峰值波长 在规定输出光功率时,激光光谱内强度最大的光谱波长被定 义为峰值波长。
(2)中心波长
在光源的发射光谱中,连接50%最大幅度值线段的中点所对 应的波长称为中心波长
(3)谱宽与线宽 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽; 某一单独模式的宽度称为线宽。
激光器组件是指在一个紧密结构中(如管壳中),除激光二极管(LD) 芯片外,还配置其他元件和和实现LD工作必要的少量电路块的集成器 件。主要包括:
(1)光隔离器:其作用是防止LD输出的激光反射,实现光的单向传输。 位于LD的输出光路上;
(2)监视光电二极管(PD):其作用是监视LD的输出功率变化,通常用 于自动功率控制。位于LD背出光面;
64 56
80o 40o 0
40o 80o
角度
垂直于结平面方向
I =80mA 72
64 60
56
40o 20o 0
20o 40o
角度
平行于结平面方向
4.2.5 半导体激光器的模式
2.纵模的概念与性质
4.2.5 半导体激光器的模式
1)纵模数随注入电流变化
当激光器仅注入直流电流时, 随注入电流的增加纵模数减少 。

半导体激光器P-I特性测试实验

半导体激光器P-I特性测试实验

太原理工大学学生实验报告
1.根据实验记录数据,算出半导体激光器驱动电流,画出相应的光功率与注入电
流的关系曲线。

(测得电阻为Ω)
2.根据所画的P-I特性曲线,找出半导体激光器阈值电流I th的大小。

3.根据P-I特性曲线,求出半导体激光器的斜率效率。

七、注意事项
1.半导体激光器驱动电流不可超过40mA,否则有烧毁激光器的危险。

2.由于光功率计,光跳线等光学器件的插头属易损件,使用时应轻拿轻放,切忌
用力过大。

八、思考题
1.试说明半导体激光器发光工作原理。

半导体激光器工作原理是激励方式,利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。

半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器,它通过受激辐射发光,(处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1,这个过程称为光的受激辐射
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响
随着温度的上升,阈值电流越来越大,功率随电流变化越来越缓慢。

3.分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中,半导体激光器P-I特性对系统。

通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识

通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识

.
Free Electron Si
P型半导体(C)
将3价原子(硼、镍、铟等 )掺入本征半导体中, 则 将多余出空穴数目,形成p 型半导体。空穴为主要载流 子,电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴,故称为受主杂 质(Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中,因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得,
(k)dk = V
k2 2
dk=
mr
k
d ,
(0
)=
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1+ 0 2 T22
本征半导体(A)
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时,其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带,而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物,如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下, 典型的增益 (0 )频率关系曲线

激光器的常用指标及半导体激光器

激光器的常用指标及半导体激光器

一、激光器的常用性能指标1、激光器的门限电流与功率输出激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。

在门限电流(或称阈值电流)以下,激光器工作于自发射,输出光功率极小,在门限电流以上,激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升,基本上成直线对应关系,在实际应用中,我们要求门限电流越小越好。

激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。

2、激光器的调制增益激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值,如0.42mW/mA,表示输入驱动电流1mA,输出0.42mW的光功率,调制增益一般越大越好。

3、激光器的相对强度噪声RIN激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。

常用dB/HZ 作单位,激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声,相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数,我们希望它越小越好。

4、激光器的线性范围激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围,通常它越大越好,我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流,当激励电流超过饱和电流时,再加大激励,也不能使输出光功率增加,这时可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围,实际上在线性范围内,激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线,也不是绝对的直线,我们总是希望它尽量接近直线,使其非线性失真指标尽可能小,当温度升高时,阈值电流以1%—2%/ ºC的速度增大,而饱和电流则相应降低,使激光器的线性范围减小,因此在激光器内部要加温控装置,保持其工作稳定。

5、带内平坦度普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响,频率响应并不理想,一般为±1dB (750MHZ带宽),在CATV领域,激光器的封装形式一般为蝶形封装,这种封装引线最短。

6、激光器的温度特性激光器的特性对温度相当敏感,随着结温的升高,其输出功率将降低,当结温过高时,其输出功率将急剧减小,甚至损坏激光器,另外,随着结温的升高,其门限电流也将增大,噪声增加,波长变化。

半导体激光器光学特性测量实验报告

半导体激光器光学特性测量实验报告

半导体激光器光学特性测量实验学号:姓名:班级:日期:【摘要】激光器的三个基本组成部分是:增益介质、谐振腔、激励能源。

本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性,进一步了解半导体激光器的发光原理,并掌握半导体激光器性能的测试方法。

【关键词】半导体激光器、偏振度、阈值、光谱特性一、实验背景激光是在有理论准备和实际需要的背景下应运而生的。

光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础之一。

受激辐射的概念是爱因斯坦于1916年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的, 从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性,这是激光的理论基础。

直到1960年激光才被首次成功制造(红宝石激光器)。

半导体激光(Semiconductor laser)在1962年被成功发明,在1970年实现室温下连续输出。

半导体激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱)等多种形式,制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 等多种工艺。

由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。

半导体激光器已经成功地用于光通讯和光学唱片系统,还可以作为红外高分辨率光谱仪光源,用于大气检测和同位素分离等;同时半导体激光器成为雷达,测距,全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。

半导体激光器与调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯和光计算机的发展。

半导体激光器主要发展方向有两类,一类是以传递信息为目的的信息型激光器,另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。

本实验旨在使学生掌握半导体激光器的基本原理和光学特性,利用光功率探测仪和CCD光学多道分析器,测量可见光半导体激光器输出特性、不同方向的发散角、偏振度,以及光谱特性,并熟悉光路的耦合调节及CCD光学多道分析器等现代光学分析仪器的使用,同时进一步了解半导体激光器在光电子领域的广泛应用。

半导体激光器的热反转

半导体激光器的热反转

半导体激光器的热反转
半导体激光器的热反转(Thermal Reversal)是指在激光器工作时,由于温度的变化导致激光器内部的光学性质发生改变,从而影响激光的输出特性。

这种现象在高功率半导体激光器中尤为显著,因为它们在工作时会产生大量的热量,导致激光器芯片的温度升高。

热反转的主要表现包括:
1.波长漂移:随着温度的升高,激光器的发射波长会向长波长方向漂移,这通常被称为“红移”。

这是因为激光器内部的折射率会随着温度的变化而变化,从而改变了激光器内部的谐振条件。

2.功率下降:温度升高还可能导致激光器的输出功率下降,因为高温会增加激光器内部的损耗,减少有效的激光输出。

3.阈值电流上升:热效应还可能导致激光器的阈值电流上升,这意味着需要更多的电流才能启动激光器的正常工作。

4.效率降低:随着温度的升高,激光器的转换效率可能会降低,因为热量的产生会导致更多的能量损失。

为了减少热反转对半导体激光器性能的影响,通常会采取以下措施:
热管理:设计有效的散热系统,如使用散热片、热沉或
液冷系统,以控制激光器的工作温度。

热隔离:在激光器芯片和封装之间使用热隔离材料,以减少热量从芯片传递到封装。

温度控制:使用温度传感器和控制系统来监控和调节激光器的工作温度,以保持其稳定运行。

热设计优化:优化激光器的热设计,如使用热传导性好的材料、改善热路径设计等,以减少热量的积累。

热反转是高功率半导体激光器设计和应用中需要特别注意的问题,通过合理的热管理措施可以有效地提高激光器的性能和可靠性。

半导体激光器的线宽

半导体激光器的线宽

半导体激光器的线宽1.引言1.1 概述半导体激光器是一种重要的光电子器件,广泛应用于通信、医学、仪器仪表等领域。

而激光的线宽是衡量激光光谱纯度和频率稳定性的重要指标之一。

在半导体激光器中产生的激光不是单一频率的,而是由多个频率组成的光谱。

这个光谱宽度被称为激光的线宽。

一般来说,较窄的线宽代表着更单色和更稳定的激光光源。

半导体激光器的线宽受到多种因素的影响。

首先,半导体材料的本征特性会对激光器的线宽产生影响。

例如,激光器中的电子与空穴之间的相互作用会导致能级的展宽,从而增大激光器的线宽。

其次,激光器的工作状态也会对线宽造成影响。

激光器的线宽可以通过改变工作温度、注入电流等方式进行调节。

一般来说,激光器在较高的温度下工作,其线宽会较宽。

而当激光器工作在阈值以上的电流范围内时,线宽会更宽。

最后,激光器的结构参数也会对线宽产生影响。

例如,激光腔长度的改变可以影响激光的谐振模式,从而影响线宽的大小。

综上所述,半导体激光器的线宽是一个复杂而重要的问题,涉及到材料特性、工作状态和结构参数等多个方面的因素。

了解和控制激光器的线宽对于提高激光器的性能,以及满足不同应用领域对激光器的要求具有重要意义。

在接下来的部分中,本文将从半导体激光器的原理以及线宽影响因素两个方面展开讨论,以期更全面地了解和探究这一问题。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下所示:本文将按照以下结构来组织讨论半导体激光器的线宽问题。

首先,在引言部分,将对半导体激光器的概念和应用进行简要介绍,并解释本文的目的和意义。

接下来,在正文部分,将详细探讨半导体激光器的原理,包括其工作原理、组成结构和工作模式。

同时,也会分析半导体激光器的线宽受到的影响因素,如材料特性、光学腔结构等。

在结论部分,将对半导体激光器的线宽问题进行总结,并展望半导体激光器线宽研究的未来发展方向。

通过以上结构安排,本文将系统全面地介绍半导体激光器的线宽问题。

读者可以逐步了解半导体激光器的基本原理,并了解其线宽问题。

实验5-1 半导体激光器的特性测试实验

实验5-1 半导体激光器的特性测试实验

光信息专业实验指导材料(试用)实验5-1 半导体激光器的特性测试[实验目的]1、通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流,画出P-V、P-I、I-V曲线,让学生了解半导体的工作特性曲线;2、学会通过曲线计算半导体激光器的阈值,以及功率效率,外量子效率和外微分效率,并对三者进行比较;3、内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器,通过调整不同的静态工作点,和输入信号强度大小不同,观察到截至区,线性区,限流区的信号不同响应(信号畸变,线性无畸变),了解调制工作原理。

[实验仪器]实验室提供:半导体激光器实验箱(内置三个半导体激光器),示波器,两根电缆线。

[实验原理]半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器,由于物质结构上的差异,产生激光的具体过程比较特殊。

常用材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。

半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。

同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器具有体积小、效率高等优点,广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。

一、半导体激光器的结构与工作原理1.半导体激光器的工作原理。

半导体材料多是晶体结构。

当大量原子规则而紧密地结合成晶体时,晶体中那些价电子都处在晶体能带上。

价电子所处的能带称价带(对应较低能量)。

与价带对应的高能带称导带,价带与导带之间的空域称为禁带。

当加外电场时,价带中电子跃迁到导带中去,在导带中可以自由运动而起导电作用。

同时,价带中失掉一个电子,相当于出现一个带正电的空穴,这种空穴在外电场的作用下,也能起导电作用。

因此,价带中空穴和导带中的电子都有导电作用,统称为载流子。

没有杂质的纯净半导体,称为本征半导体。

如果在本征半导体中掺入杂质原子,则在导带之下和价带之上形成了杂质能级,分别称为施主能级和受主能级。

半导体泵浦固体连续激光器实验原理

半导体泵浦固体连续激光器实验原理

半导体泵浦固体连续激光器实验原理半导体泵浦固体连续激光器(semiconductor-pumped solid-state continuous wave laser)是一种基于半导体激光器泵浦固体激光材料的连续激光器。

它结合了半导体激光器和固体激光器的优点,广泛应用于科研、医疗、材料加工等领域。

本文将深入探讨半导体泵浦固体连续激光器的实验原理。

1. 深度评估半导体泵浦固体连续激光器的优势和应用范围半导体泵浦固体连续激光器相比传统固体连续激光器具有许多优势。

由于半导体激光器的泵浦方式,它具有更高的转换效率和更小的体积。

由于半导体激光器的泵浦光束质量好,它可以实现更高的光束质量和更小的光斑尺寸。

这些优势使得半导体泵浦固体连续激光器在科研实验、高精密医疗和材料加工等领域得到广泛应用。

2. 从简到繁,由浅入深探索半导体泵浦固体连续激光器的原理半导体泵浦固体连续激光器的原理可以从三个方面来展开讨论:泵浦过程、激射过程和输出特性。

2.1 泵浦过程半导体泵浦固体连续激光器的泵浦过程是指通过半导体激光器将波长较短的激光能量传递给固体激光材料的过程。

在泵浦过程中,半导体激光器产生的激光通过波长转换器将其转换为固体激光材料吸收峰附近的波长。

这样可以实现最大程度的能量传递,并提高效率。

2.2 激射过程半导体泵浦固体连续激光器的激射过程是指在泵浦过程后,固体激光材料吸收能量并通过受激辐射释放激光的过程。

激射过程中,激光在反射镜和谐振腔内来回传播,通过受激辐射放大并形成连续激光输出。

谐振腔的设计和镜面的选择对于获得稳定和高效的连续激光输出非常重要。

2.3 输出特性半导体泵浦固体连续激光器的输出特性受到许多因素的影响,包括波长、功率、稳定性等。

通过调整输入功率和选择合适的激光谐振腔结构,可以实现连续激光输出的稳定性和高功率。

3. 总结和回顾,深入理解半导体泵浦固体连续激光器的应用前景半导体泵浦固体连续激光器作为一种新型激光器技术,具有广阔的应用前景。

温度对半导体激光器的影响

温度对半导体激光器的影响

半导体激光器热特性对其性能的影响半导体激光器能否在室温下有效工作,主要看器件的温升问题能否得到有效解决。

所以,半导体激光器的热特性是影响其众多性能的关键因素,虽然近年来针对提高器件的温度稳定性而出现了很多改善激光器芯片外延结构的研究。

但始终无法避免半导体激光器温升对其以下几个性能的影响1阈值电流密度th J 。

温度对半导体激光器th J 的影响主要取决于增益系数随温度的变化。

随温度增加,损耗系数增加,漏电流增加,内量子效率降低,这些因数都使th J 增大。

根据实验测定,th J 随T 的变化满足指数关系:0()()()r T T T th r th r J T T J T e-+=式中,r T 为室温,()th r J T 为室温下的阈值电流密度,0T 是表征半导体激光器温度稳定性的重要参数,通常称为特征温度,它与激光器所使用的材料和结构有关,针对同一种激光器,0T 为一常数。

2输出波长。

从定性方面而言,半导体激光器的输出波长一般随着器件有源区温度的升高而发生红移现象;从定量方面而言,半导体激光器的输出波长随温度的变化可以用下式近似表达:2d h c d E g d T E g d Tλ=-⋅ 式中,h 为普朗克常量,。

为光波在真空中的传播速度,Eg 为半导体激光器有源区所用半导体材料的禁带宽度,一般而言,Eg 随温度的变化量应该是温度的函数,在室温附近,我们可以近似地将dEg dT认为是一个常量。

3.输出功率。

半导体激光器的输出功率也受工作温度的影响,随着有源区温度的升高,激光器的平均和最大输出功率都会减少。

激光器输出功率的减少又直接导致器件发热量增加,引起更大温升,从而使激光器很快失效。

4多模激射。

有源层内部的温度不均匀性,使其半导体材料的能级间出现能量差异,会导致输出谱线展宽,更容易出现多模激射情况。

5寿命。

跟半导体激光器的温升有关,而又直接导致激光器寿命缩短甚至终止的因数主要有两个。

一是热应力,由于激光器各层材料之间热膨胀系数不同,器件的温升就会在其内部产生不同的热应力,使得个材料间扩散甚至是撕裂加剧,最终导致器件退化,缩短激光器的使用寿命;二是端面灾变性毁坏(COD),它指的是激光器端面复合吸收过程中温升导致的将半导体激光器谐振腔端面烧毁现象。

半导体激光器_反向电压_理论说明

半导体激光器_反向电压_理论说明

半导体激光器反向电压理论说明1. 引言1.1 概述随着科技的快速发展,半导体激光器作为一种重要的光电子设备,在通信、医疗和工业领域等多个应用方面得到了广泛的应用。

反向电压作为半导体激光器中重要的参数之一,对其性能和特性有着显著影响。

因此,深入理解反向电压对半导体激光器的影响机制以及建立相应的数学模型具有重要意义。

1.2 文章结构本文主要从以下几个方面进行阐述:首先介绍半导体激光器的基本原理,包括半导体材料特性、能带理论与激射条件以及激射机制及工作原理。

然后重点探讨了反向电压对半导体激光器性能的影响,包括对阈值电流的影响、输出功率的影响以及波长和谱线宽度的影响。

接下来将详细展开理论说明与数学模型分析部分,包括PN结和反向电压关系分析、基于物理效应的半导体激光器反向电压模型建立以及稳态与动态响应的分析与模拟。

最后,通过总结和归纳,给出本文的结论。

1.3 目的本文旨在详细说明反向电压对半导体激光器性能和特性的影响,并基于物理效应建立相应的数学模型进行分析。

通过本文的研究,可以更好地理解半导体激光器的工作原理以及反向电压在其中的作用机制,为进一步优化半导体激光器性能提供理论支持和参考依据。

2. 半导体激光器基本原理:2.1 半导体材料特性半导体材料常用来制造激光器,因为其具有一些特殊的电学和光学特性。

半导体材料通常由硅(Si) 或化合物半导体(如锗(Ge)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)等)组成。

这些材料的特点是电子在其能带中的分布与绝缘体和导体之间处于一种中间状态。

半导体材料通过添加其他元素掺杂来改变它们的电学特性,以实现更好的激射条件。

2.2 能带理论与激射条件能带理论是描述半导体行为的重要基础。

在能带理论中,半导体被描述为由价带和导带组成的能级结构。

当外部能量施加到半导体上时,电子可以从价带跃迁到较高能量的导带,产生自由载流子。

激射条件指的是产生可见光或红外光所需达到的阈值。

2.3 激射机制及工作原理在激射器内部,有一个包含负性掺杂的n型区域和一个包含正性掺杂的p型区域。

温度对半导体激光器特性的影响

温度对半导体激光器特性的影响

关 的墨 ,加 入 温 麦影 响 可分 别表 示 为瞄:
g ) o x( T ) ( =g p一 e
f = V。x ( ) ) epT .篡 中 是 漾 光 器 拷 鬣
温 度;

速 率 方 程 能 够 很 好 地 描 述 激 光
器 的 电光 特 性 。 虽 然 ,速 率 方 程 有 着 各 种 形 式 的 变 形 ,但 很 少 有 包 含 温 度 特 性 的 表 达 形 式 。 B Y r e 1 和 3
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单 模 激 光 器 速 率 方 程 描 述 了 鼓 漉 子 密 室
塌 嚣电 冠
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eu t n o d sr e h y a h rcei i o qa i s t eci te d n  ̄c caa tr t f o b sc
( 2)温 度 对 激 光 器频 率 响 应 的影 响
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浅析温度对半导体激光器输出信号的影响

浅析温度对半导体激光器输出信号的影响

浅析温度对半导体激光器输出信号的影响摘要:半导体激光器已经应用至许多领域,温度变化会在一定程度上影响激光器信号输出质量,文章建立模型进行量化分析,并进行了仿真验证,直观体现了具体影响。

关键词:线性调频;多普勒;误差1.引言半导体激光器技术的发展,使得激光测量趋于小型化与实用化,但与He-Ne激光器相比,其输出光功率的稳定性要稍逊色一些,尤其受环境温度的影响较大[51]。

另外,尽管半导体激光器的电光转换效率很高,但由于存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制,这使得其外微分量子效率(半导体激光器输出光子数随注入的电子数增加的比率)只能达到[1],其它未转化成光子的电子所做的功将转换化成热量,致使半导体激光器升温。

对于半导体激光器,其温度的升高会导致阈值电流增加,电光转化效率依比例降低。

因此温度的变化会直接影响半导体激光器输出光信号的质量。

2.阈值电流与温度的关系阈值电流密度与半导体激光器的结区温度的关系非常密切。

温度升高,自由电子的光学吸收会造成很大的光功率损耗,阈值电流密度随温度变化的曲线如图1所示。

从图中可以看出,温度较低时,阈值电流密度随温度的变化较小,当温度增至约时,阈值电流密度急剧变化。

图1 GaAs激光器J-T关系曲线图2 半导体激光器特性曲线影响半导体激光器温度特性的因素较多,目前通常采用实验验证公式来描述其阈值电流密度与温度的关系,其关系为(1)其中,为室温;为在某一温度下所测得的阈值电流密度;为一实验拟合参数,是表征半导体激光器温度稳定性的重要参数,被称作特征温度。

本系统所用的华上激光器的特征温度约为。

由(1)式可以看出,特征温度越高,半导体激光器的温度稳定性越好。

特征温度参数通常由半导体激光器生产厂家测试报告提供。

由阈值电流密度与阈值电流之间的关系可得阈值电流与温度的关系式为(2)式中,为半导体激光器结的面积;为室温下半导体激光器的阈值电流的大小,系统所用的半导体激光器的室温阈值电流为。

半导体激光器P-I特性测试实验

半导体激光器P-I特性测试实验

实验二半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器P(平均发送光功率)-I(注入电流)曲线的测试方法二、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流,并画出P-I关系曲线2、根据P-I特性曲线,找出半导体激光器阈值电流,计算半导体激光器斜率效率三、实验仪器1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台2、FC接口光功率计1台3、FC-FC单模光跳线1根4、万用表1台5、连接导线20根四、实验原理光源是把电信号变成光信号的器件,在光纤通信中占有重要的地位。

性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面:首先,光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内,要求材料色散较小。

其次,光源输出功率必须足够大,入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。

第三,光源应具有高度可靠性,工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。

第四,光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。

第五,光源应便于调制,调制速率应能适应系统的要求。

第六,电—光转换效率不应太低,否则会导致器件严重发热和缩短寿命。

第七,光源应该省电,光源的体积、重量不应太大。

作为光源,可以采用半导体激光二极管(LD,又称半导体激光器)、半导体发光二极管(LED)、固体激光器和气体激光器等。

但是对于光纤通信工程来说,除了少数测试设备与工程仪表之外,几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。

本实验简要地介绍半导体激光器,若需详细了解发光原理,请参看各教材。

半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器,它通过受激辐射发光,是一种阈值器件。

处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1,这个过程称为光的受激辐射,所谓一模一样,是指发射光子和感应光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,它和感应光子是相干的。

半导体激光器件中的温度对性能的影响研究

半导体激光器件中的温度对性能的影响研究

半导体激光器件中的温度对性能的影响研究激光器件是一种重要的电子元器件,被广泛应用于通信、医疗、工业和军事等领域。

而在激光器件中,温度是一个重要的参数,它对激光器件的性能产生着重要的影响。

本文将研究半导体激光器件中温度对其性能的影响,并探讨温度对激光器件性能的调控与优化方法。

温度对半导体激光器件的影响主要体现在以下几个方面:输出功率、阈值电流、光谱特性、转换效率、调制速度和寿命等。

下面将逐一进行探讨。

首先,温度对激光器件的输出功率有着直接影响。

一般而言,激光器件的输出功率随着温度的增加而增加,这是由于温度升高引导带能级和价带能级之间的能隙减小,进而提高电子和空穴的复合概率,从而增加激光的产生和放大效率。

但当温度过高时,由于激光介质材料的热膨胀系数受限,会导致激光谐振腔的尺寸变化,进而降低激光输出功率。

其次,阈值电流是指激光器件开始激发激光所需的最低电流。

温度对阈值电流也有显著的影响。

一般来说,随着温度的升高,激光器件的阈值电流减小。

这是因为随着温度升高,载流子浓度增加,从而提高电子与空穴的复合概率,进而减小阈值电流。

光谱特性也是激光器件性能中重要的一部分。

温度对激光器件的光谱特性有着明显的影响。

一般而言,随着温度的增加,激光器件的光谱峰值波长会发生红移。

这是由于温度升高导致晶格热膨胀,进而降低光子和晶格振动之间的耦合强度,从而减小光子的能量。

温度对激光器件的转换效率也有重要影响。

一般来说,随着温度的升高,激光器件的转换效率会降低。

这是由于温度升高会增加非辐射复合过程的概率,导致少量的能量从光子形式转化为热能。

因此,为了提高激光器件的转换效率,需要控制好温度的变化范围。

调制速度是指激光器件在高频调制下的响应速度。

温度对激光器件的调制速度也有一定的影响。

一般来说,温度升高会导致载流子的迁移率增加,从而提高激光器件的调制速度。

但当温度过高时,激光器件的响应时间会受到载流子寿命的限制,进而降低调制速度。

最后,温度对激光器件寿命的影响也是需要考虑的重要因素。

浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素

浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素

浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素兴胜,袁振邦,艳春,许国栋炬光科技王警卫,恩涛,熊玲玲,彦鑫中科院西光所瞬态光学与光子技术实验室高功率半导体激光器可用来泵浦固体/光纤激光器,也可直接用于材料处理如焊接、切割、表面处理等。

为了进一步拓宽半导体激光器的应用领域,不断提高激光器的输出功率,半导体激光器从单发射腔发展为多个发光单元的巴条。

随着激光器输出功率的提高,对半导体激光器的热管理、热设计、封装等技术提出了更高要求。

表征巴条半导体激光器主要特性的参数有输出功率、光谱宽度、波长、近场非线性(smile效应)、电光转换效率、近场和远场、寿命等。

本文分析和讨论了影响高功率半导体激光器巴条特性参数的因素,如热管理、温度不均匀性、热应力和焊料选择等,并在此基础上提出了提高巴条半导体激光器性能的策略和方法。

热管理热管理对于高功率半导体激光器而言至关重要,因为半导体激光器大约50%的电能都转换成热量损耗掉了。

热管理直接影响激光器的结温,结温过高将显著影响半导体激光器巴条的性能,如导致输出功率下降、阈值电流增大、斜坡效率减小、慢轴发散角增大以及寿命缩短等。

对于高功率单巴条半导体激光器,结温由式(1)而得[1](1)其中Th为器件热沉温度、Rth为器件热阻、V0为结偏压、I为工作电流、Rs为串联电阻、Po为输出光功率。

由上式可见,激光器的结温主要由热沉的温度和器件本身的热阻决定,其中热沉温度由激光器的使用条件决定。

半导体激光器的输出功率与热阻的关系和器件使用寿命与热阻的关系分别为(2)和(3)式:(2)(3)其中,ηd、Ith、T1、T0为室温下器件的转换效率、阈值电流、斜率特征温度和阈值特征温度,t为半导体激光器寿命,Ea为激活能(activation energy),K为波尔兹曼常数,Rth为半导体激光器的热阻。

由式(2)和式(3)可以看出,降低热阻可以增加半导体激光器的输出功率,提高可靠性。

半导体激光器的热阻包括芯片的热阻和封装带来的热阻。

半导体激光器的快慢轴

半导体激光器的快慢轴

半导体激光器的快慢轴
半导体激光器通常是具有各向同性的结构,但在激光输出的方向上,存在快轴(Fast Axis)和慢轴(Slow Axis)的概念。

这两个轴的不同性质与半导体激光器的结构和工作原理有关。

1.快轴(Fast Axis):在半导体激光器中,快轴通常是激光输出的方向中,激光的光学特性更好的轴。

在快轴方向上,激光器的发散性能(divergence)较小,光束的聚焦性能较好。

快轴通常是激光器的高度模式耦合轴。

2.慢轴(Slow Axis):相对于快轴,慢轴是激光输出方向中,激光的光学特性相对较差的轴。

在慢轴方向上,激光器的发散性能较大,光束的聚焦性能相对较差。

慢轴通常是激光器的低度模式耦合轴。

这两个轴的概念涉及到激光器的设计和优化。

在实际应用中,光束的质量与激光器的设计和材料特性密切相关。

选择快轴和慢轴方向的重要因素包括激光器的结构、材料的各向异性以及所需的应用性能。

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半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器,在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。

下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性,并分析影响这些输出特性的主要因素。

1. 波长
半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的,这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。

hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长
且c=3×108m/s ,h=6.628×10?34J ·s ,leV=1.60×10?19J

决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ,因而有不同的发射波长λ:GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段,InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。

温度的升高会使半导体的禁带宽度变小,导致波长变大。

2. 光功率
半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流,P th 为激光器的阈值功率;I th 为激光器的阈值电流;ηd 为外微分量子效率;hf 为光子能量;e 为电子电荷。

hf 、e 为常数,Pth 很小可忽略。

由此可知,输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。

驱动电流是可随意调节的,因此这里主要讨论后两者。

除此之外,温度也是影响光功率的重要因素。

1)阈值电流
半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。

当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用I th 表示。

当激励电流I<I th 时,有源区无法达到粒子数反转,也无法达到谐振条件,以自发辐射为主,输出功率很小,发出的是荧光;当激励电流I>I th 时,有源区不仅有粒子数反转,而且达到了谐振条件,受激辐射为主,输出功率急剧增加,发出的是激光,此时P-I 曲线是线性变化的。

对于激光器来说,要求阈值电流越小越好。

阈值电流主要与下列影响因素有关:
a) 晶体的掺杂浓度越大,阈值电流越小。

b) 谐振腔的损耗越小,阈值电流越小。

c) 与半导体材料结型有关,异质结阈值电流比同质结小得多。

d) 温度越高,阈值电流越大。

2)外微分量子效率 )
(th d th I I e hf
P P -+=ηλ
c =f
外微分量子效率ηd定义为激光器达到阈值后,输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,其表达式为
外微分量子效率代表了半导体激光器的电——光转换效率,它与内量子效率、载流子对有源区的注入效率、光在谐振腔内的损耗情况、谐振腔端面的反射系数和温度等因素有关。

它对应着P-I曲线线性部分的斜率。

3)温度
半导体激光器对温度很敏感,其输出功率随温度变化而变化。

温度变化将改变激光器的输出光功率,有两个原因:
一是激光器的阈值电流随温度升高而增大。

温度对阈值电流的影响,可用下式描述:
式中,I0表示室温下的阈值电流,T表示温度,T0称为特征温度(表示激光器对温度的敏感程度)。

一般InGaAsP的激光器,T0=50~80K;A1GaAs/GaAs的激光器,T0=100~150K。

二是外微分量子效率随温度升高而减小。

如GaAs激光器,绝对温度77K时,ηd约为50%;当绝对温度升高到300K时,ηd只有约30%。

3.光谱
半导体激光器的光谱随着驱动电流的变化而变化。

当驱动电流I<阈值电流I th时,发出的是荧光,光谱很宽,如图(a)所示。

当I>I th后,发射光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如图(b)所示。

当驱动电流达到阈值后,随着驱动电流的增大,纵模模数变小,谱线宽度变窄。

当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模。

此外,温度也会影响半导体激光器的光谱。

随着温度的升高,半导体的禁带宽度变小,将导致整个光谱向长波长方向移动。

4.激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。

近场是指激光器反射镜面上的光强分布,远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。

近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸,即平行于PN结平面的宽度w和垂直于PN结平面的厚度t所决定的,并称为激光器的横模。

平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄,场图呈现出由多横模变为单横模;垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄,这个方向的场图总是单横模。

下图为典型半导体激光器的远场辐射特性,图中θ‖和θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角,整个光束的横截面呈椭圆形。

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