半导体激光器
半导体激光工作原理
半导体激光工作原理
半导体激光器是利用电子从低能级跃迁到高能级时所产生的光，由于高能级的电子数比低能级的多得多，因此光在自由电子激光中辐射的能量是很大的。
半导体激光器主要由激光器、增益介质和泵浦光源组成。
半导体激光器的增益介质主要有三种：有源区、波导、吸收腔。
其中以有源区为主要部分，其形状和材料各不相同。
激光器有源区是由金属原子构成的半导体，它是激光系统中唯一能把光能转变成机械能和化学能的部分，也是影响激光特性的重要因素之一。
有源区还起着将泵浦光源发射出来的光（指激光器内部发射出来的光）与增益介质中传输过来的光（指增益介质发射出来的光）相互耦合、吸收和转换，再由有源区发射出来的光辐射出激光器内部。
由于有源区在整个半导体激光器中起着非常重要作用，因此在选择激光器有源区时必须考虑有源区和有源区内材料的成分、尺寸和形状，使它们相互匹配，这样才能达到最佳性能。
增益介质又叫受激辐射层或吸收层。
—— 1 —1 —。
半导体激光器 原理
半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。
它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。
以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。
2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。
3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。
4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。
这个过程称为辐射复合。
5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。
6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。
7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。
通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。
半导体激光器 材料
半导体激光器材料
半导体激光器，也被称为激光二极管，是一种使用半导体材料作为工作物质的激光器。
由于物质结构上的差异，不同种类的半导体激光器产生激光的具体过程会有所不同。
在制作半导体激光器时，需要使用满足一定要求的半导体材料。
这些要求包括：
1. 直接带隙：只有具有直接带隙的材料，在电子-空穴复合产生光子时，才无需声子参加，从而有较高的发光效率。
2. 晶格匹配：作用层和限制层的晶格需要匹配，以确保激光器的性能。
3. 晶体完整性：要求晶体完整，位错密度、有害杂质浓度应尽量小。
常用的半导体激光器工作物质包括砷化镓（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。
此外，半导体材料是一类具有半导体性能的电子材料，其导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。
按照化学组成、
结构和性能的不同，半导体材料可以分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体等。
总的来说，对于半导体激光器的应用和发展，其材料的选择和处理是非常重要的。
常见半导体激光器
常见半导体激光器
半导体激光器是一种利用半导体材料制造的光电子器件。
它在许多应用领域都有广泛的应用，如制造光通信设备、光存储设备、光学传感器和医疗设备等。
常见的半导体激光器有以下几种：
1. 激光二极管（LD）：是一种小型、高效的激光器。
它的工作原理是在有源区域中注入电流，通过特殊的发光机构来实现激光放大和反馈，可以用于制造光纤通信设备和光存储设备等。
2. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）：是一种特殊的激光器，可以
实现垂直方向的激光输出，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
3. 泵浦激光器：它是一种用于将固体激光器和光纤激光器等其
它类型激光器泵浦的激光器。
常用于制造高功率激光器，如工业制造和医疗设备中的激光切割设备。
4. 外腔半导体激光器（ECL）：它是一种通过将外腔加入到半导
体激光器中来控制输出光谱和波长的激光器，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
5. 量子级联激光器（QCL）：它是一种新型的半导体激光器，具
有高效率、高功率和低阈值等优点，被广泛应用于红外光谱学和空间探测等领域。
以上是几种常见的半导体激光器，它们在不同的领域都有其独特的应用价值。
随着科技的不断发展，半导体激光器的应用前景将越来越广阔。
半导体激光器特点
半导体激光器特点
半导体激光器（Also known as semiconductor laser）是一种基于半导体材料工作的激光器。
它具有以下特点：
1. 小型化：半导体激光器的体积小，重量轻，可以方便地集成在各种设备中，如光纤通信、激光打印机、激光读写光驱等。
2. 高效率：半导体激光器的电-光转换效率高，能将输入的电能高效地转化为光能，相对于其他类型的激光器有更低的功耗和更高的功率输出。
3. 长寿命：半导体激光器具有较长的工作寿命，能够持续稳定地工作数千小时甚至更长时间。
4. 快速响应：半导体激光器的开关速度较快，可以在纳秒级别进行调制和调制解调，适用于高速光通信和光存储等领域。
5. 容易调谐：半导体激光器具有较宽的工作波长范围，通过改变电流、温度和施加外界的光学调制，可以实现对激光波长的调谐。
6. 相干性：半导体激光器的输出是相干光，光束质量高，光束模式稳定，光学特性优异。
7. 低成本：由于半导体激光器制造工艺成熟，成本较低，容易大规模生产，因此价格相对较低。
总的来说，半导体激光器的小型化、高效率、长寿命和容易调谐等特点，使其成为广泛应用于通信、医疗、材料加工、生物科学等领域的重要激光器。
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激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理1.1 激发态电子跃迁：半导体激光器的发光原理是利用半导体材料中的电子和空穴的复合辐射产生激光。
当电子和空穴在PN结区域复合时，会发生能级跃迁，释放出光子。
1.2 光放大过程：在半导体材料中，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这种过程会导致光子数目的指数增长，最终形成激光。
1.3 反射反馈：半导体激光器内部通常设置有反射镜，用于反射激光，使其在器件内部多次反射，增强激光的光程和功率，最终形成高亮度的激光输出。
二、半导体激光器的工作原理2.1 电流注入：半导体激光器的工作需要通过电流注入来激发电子和空穴的复合。
电流通过PN结区域，形成电子和空穴的复合辐射。
2.2 光放大：在电流注入的情况下，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这会导致激光的产生和输出。
2.3 温度控制：半导体激光器的工作过程中会产生热量，需要进行有效的温度控制，以确保器件的稳定性和寿命。
通常会采用温控器等设备进行温度管理。
三、半导体激光器的特点3.1 尺寸小：半导体激光器采用微型化设计，尺寸小巧，适合集成在各种设备中。
3.2 高效率：半导体激光器具有高效的能量转换率，能够将电能转换为光能，功耗低。
3.3 快速调制：半导体激光器响应速度快，能够实现快速调制和调节，适用于高速通信和数据传输领域。
四、半导体激光器的应用领域4.1 通信：半导体激光器广泛应用于光通信系统中，用于光纤通信和无线通信的光源。
4.2 医疗：半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精准、无创的特点。
4.3 材料加工：半导体激光器可用于材料切割、打标、焊接等加工领域，具有高精度和高效率的优势。
五、半导体激光器的发展趋势5.1 高功率：未来半导体激光器将朝着高功率、高亮度的方向发展，以满足更多领域的需求。
半导体激光器的原理
半导体激光器的原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射器件，它利用半导体材料的特殊性质，通过有源区的电子与空穴复合放出能量，并通过反馈机制实现激光放大，最终产生高度定向、单色、高亮度的激光光束。
半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、医疗、激光显示、光存储等领域。
1.载流子注入：半导体材料中，通过向有源区施加正向电流，将电子从N型区注入到P型区，同时也将空穴从P型区注入到N型区。
这样，在P-N结附近的区域形成了一个载流子密度梯度，使电子和空穴在这个区域中保持对流运动。
2.电流与光的转换：在载流子注入过程中，由于电子和空穴在有源区发生复合，使得已被注入的能量以光子的形式释放出来。
这个释放过程是一个自发辐射过程，即电子和空穴转变为更低能级的状态，并以光子的形式释放出能量。
3.光放大：通过在有源区搭建一个光学谐振腔，即在有源区两端分别加上高反射率和低反射率的镜片，可以实现光的反复放大。
光子在谐振腔内来回反射，与有源区的载流子发生相互作用，使得激光得以不断放大。
4.光反馈：为了增强激光放大效果，通常还需要在谐振腔之外加入一个光学元件，如光纤光栅或光栅耦合镜，用于反馈一部分放大的光。
这种反馈机制可以抑制非激光模式的增长，只放大所需的激光模式，从而增加光的一致性和亮度。
总结起来，半导体激光器的原理可以概括为：通过正向电流使电子和空穴注入有源区，在注入的过程中电子和空穴发生复合，释放能量以光子
的形式；通过谐振腔和光反馈机制，实现激光的放大和增强。
这样，半导体激光器就能产生高亮度、高单色性和高定向性的激光束，具有广泛的应用前景。
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
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。
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。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
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，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 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等于禁带宽度Eg(eV) 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=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器与固体激光器旳比较
半导体激光器和固体激光器都是以固体激光材料作为工作物质旳激光器 ； 半导体激光器是电鼓励，直接把电能转化为光能，转换效率高达50%以上。固体激光器是光
鼓励，激活粒子需要吸收光能，然后产生受激振荡；半导体泵浦转化效率一般在15%左右， 灯泵浦鼓励一般在4%左右。 半导体激光器旳主要特点是:体积小、重量轻；功率转换效率高；能够经过变化温度、掺杂量、 磁场、压力等实现调谐；其缺陷是激光旳发散角较大，单色性较差，输出功率亦较小。目前 新型旳半导体激光器已经能够到达较大旳输出功率，而为了得到更大旳输出功率，一般能够 将许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，即在同一片已做好旳P一N结旳 基片上，用光刻腐蚀措施提成好几种单个器件，或将许多单个激光器排列成一定形状，然后 将它们并联或串联起来。目前已经有100WQCW线阵和s000WQCW叠阵(波长780~815五m)旳 产品上市。 固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲固体激光器旳输出能量可达千焦耳级。 经调Q和多级放大旳钕玻璃激光系统旳最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器旳输出 功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器利用Q开关技术(电光调制)， 固体激光器能 够得到纳秒至百纳秒级旳短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级旳超短脉冲。因为 工作物质旳光学不均匀性等原因，一般固体激光器旳输出为多模。若选用光学均匀性好旳工 作物质和采用精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限旳基横模(TEM00) 激光，还可取得单纵模激光。
半导体激光器旳应用
• 在医疗和生命科学研究方面应用：
1. 激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除， 组织接合、凝固和气化。一般外科、整形外科、皮肤 科、泌尿科、妇产科等； 2. 激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性旳光敏物质有 选择旳汇集于癌组织内，经过半导体激光照射使癌组 织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害； 3. 生命科学研究。使用半导体激光旳“光镊”，能够 捕获活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于增进 细胞合成、细胞相互作用等研究。
半导体激光器 解理面
半导体激光器解理面一、激光器基本原理激光器是一种产生高纯度、高亮度、高单色性、高相干性的光源。
它的基本原理是通过激发介质中的原子或分子，使其处于激发态，然后通过受激辐射的过程，产生具有相同频率、相同相位、相干性很高的光子。
半导体激光器是一种利用半导体材料作为激光介质的激光器。
二、半导体激光器的结构半导体激光器通常由n型和p型半导体材料构成的pn结构组成。
在这种结构中，n 型半导体的载流子浓度远大于p型半导体，形成了一个正向偏压的结。
当正向电流通过pn结时，电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散。
当电子和空穴在pn结内复合时，会发射出光子，形成激光器的输出光。
三、解理面对激光器性能的影响解理面是指半导体激光器芯片的表面，通过对解理面的处理可以影响激光器的性能。
解理面的处理通常包括切割和抛光两个步骤。
1. 切割切割是指将半导体激光器芯片切割成小块的过程。
切割的目的是将一个大的芯片分割成多个小的芯片，以便进行后续的加工和封装。
切割的质量对激光器的性能有很大的影响，切割面的平整度和表面质量会直接影响激光器的输出功率和光束质量。
2. 抛光抛光是指对切割后的芯片进行表面处理，使其表面更加平整光滑。
抛光的目的是去除切割产生的毛刺和划痕，提高解理面的质量。
抛光的质量对激光器的性能也有很大的影响，解理面的平整度和表面质量会影响激光器的发光效率和光束质量。
四、解理面处理的方法解理面的处理方法有多种，常见的包括机械抛光、化学机械抛光和离子束刻蚀等。
1. 机械抛光机械抛光是通过机械的方法对解理面进行研磨和抛光，以去除表面的毛刺和划痕。
机械抛光的优点是工艺简单、成本低廉，但是抛光的质量受到机械设备和操作技术的限制。
2. 化学机械抛光化学机械抛光是通过化学和机械的方法对解理面进行处理。
首先使用化学溶液溶解解理面上的杂质和毛刺，然后通过机械摩擦去除溶解后的杂质。
化学机械抛光的优点是可以得到非常平整的解理面，但是工艺复杂，成本较高。
半导体激光器的分类
半导体激光器的分类半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的装置。
它具有体积小、功率高、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
根据其工作原理和结构特点的不同，可以将半导体激光器分为以下几类：1. 二极管激光器（LD）二极管激光器是最常见的半导体激光器类型之一。
它是通过注入电流到二极管中，使其产生激光辐射。
二极管激光器具有体积小、功率密度高、效率高等优点，广泛应用于光纤通信、激光打印、激光雷达等领域。
根据工作原理的不同，二极管激光器又可以分为以下几类：•直接泵浦激光器（Direct Pumped Laser Diode，DPLD）：通过电流直接激发半导体材料产生激光。
这种激光器通常具有较高的功率和较宽的工作频率范围。
•共振腔激光器（Resonator Laser Diode，RLD）：在二极管激光器的两端加上反射镜，构成一个光学共振腔。
通过选择合适的反射镜，可以实现激光的单模或多模输出。
2. 半导体光放大器（SOA）半导体光放大器是一种利用半导体材料增强光信号强度的装置。
它与二极管激光器结构相似，但工作在低注入电流下，不产生激射器。
半导体光放大器具有宽带宽、低噪声、快速响应等优点，广泛应用于光纤通信、光网络等领域。
3. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）垂直腔面发射激光器是一种在半导体材料中形成垂直共振腔结构的激光器。
它是通过在半导体材料上增加光学反射镜而实现的。
VCSEL具有发射光束近乎垂直、低阈值电流、高速调制等特点，广泛应用于光纤通信、光存储、光雷达等领域。
4. 外腔激光二极管（ECL）外腔激光二极管是一种将带有光纤输出的半导体激光器。
它利用光纤与半导体激光器之间的耦合结构，将激光输出到光纤中。
ECL具有高度集成、输出功率稳定、光谱纯净等优点，广泛应用于光纤通信、传感器等领域。
5. 量子阱激光器（QL）量子阱激光器是一种利用半导体量子阱结构产生激射器的激光器。
它采用了由狭窄能隙材料构成的量子阱，可以有效地抑制激发态的非辐射复合，从而提高激光器的效率。
半导体激光器ppt课件
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
半导体激光器工作原理及基本结构一、工作原理1.荷豆模型在半导体材料中，价带中的电子和导带中的空穴之间存在禁带。
当在半导体材料中施加电压时，使得导带的电子与价带的空穴之间发生复合，释放出能量。
这些能量释放的过程称为辐射复合，可以产生光子。
2.PN结PN结由P型材料和N型材料构成。
当外加正向偏压时，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动。
当电子与空穴发生复合时，会释放能量并产生光子。
这个过程叫做受激辐射。
3. 双异质结狭缝结Laser腔双异质结狭缝结Laser腔是半导体激光器中的关键部分。
它由N型半导体、无掺杂半导体和P型半导体构成。
在P区和N区之间有一个高折射率的无掺杂材料，形成光学腔。
当电流通过激光器时，光子在光学腔中来回多次反射，产生受激辐射，形成激光。
二、基本结构1.顶部光输出窗口顶部光输出窗口是半导体激光器的光输出口，通常由透明的材料制成，如薄膜或外延层。
光通过这个窗口从激光器中输出。
2.激光腔激光腔由双异质结狭缝结Laser腔和P-N结构构成。
当电流通过激光器时，光子在激光腔中来回反射，形成激光。
3.P-N结P-N结由P型半导体和N型半导体构成。
当电流通过P-N结时，激活材料中的电子和空穴，使它们受到激发并产生光子。
4.底部反射镜底部反射镜是反射激光的组件。
它通常由金属反射镜或布拉格反射镜构成，用于增强激光的反射。
除了这些基本结构外，半导体激光器通常还包括P-N结电极、N阳极和P阴极等组件，用于正向偏压激活P-N结并控制电流流动。
总结起来，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的光电特性和电子激发，通过PN结和双异质结狭缝结Laser腔的相互作用来产生激光。
其基本结构包括顶部光输出窗口、激光腔、P-N结和底部反射镜。
半导体激光器具有技术成熟、小型化、高效率和易于集成等优点，是现代光子学和信息技术中不可或缺的重要器件。
半导体激光器类型
半导体激光器有多种类型，具体包括：
1. 电注入式半导体激光器：通常由砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌等材料制成，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
2. 光泵式半导体激光器：通常用N型或P型半导体单晶（如GaAS、InAs、InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。
3. 高能电子束激励式半导体激光器：通常也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS、CdS、ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
此外，半导体激光器还可分为垂直腔面发射激光器（VCSEL）、法布里-珀罗激光器（FP）、分布式反馈激光器（DFB）、电吸收调制激光器（EML）等。
不同类型的激光器在性能和成本等方面存在差异，光模块可根据具体规格要求选择不同的芯片方案。
半导体激光器资料
半导体激光器资料
可以参考下面的内容
一、半导体激光器的定义
半导体激光器（semiconductor laser）是一种激光器，它的腔面由
金属外壳封装的半导体材料制成，具有可靠性、体积小、成本低等特点，
是目前微纳尺度激光技术中最重要的、应用最广泛的激光尺度。
半导体激
光器基本工作原理是电子以固定的速度在内部半导体中运动，在它的路径上，它会发射有定向性的射线，从而可以产生出一束激光光束。
半导体激
光器可以分为极化激光器，平面波导激光器和相位整形激光器等。
其中极
化激光器是最常用的半导体激光器，其结构类似于管状对称腔，其正反折
射率之比等于晶体的折射率之比，因此它能够实现高发射能量，且在有限
的腔体尺寸内，其发射光谱线宽度非常小（可以达到百纳米级），它的频
率可以多比较准确的控制。
二、半导体激光器的特点
1、结构小巧：半导体激光器发射的光束广泛应用，其体积可以极小，甚至可以把一个激光器安装在一个硬币大小的硬件上，具有安装方便灵活、可移动通道的特点，是汽车辅助安全检测、激光打印机等设备的最佳光源。
2、发射能量强：半导体激光器发射的能量强度非常大，可以节省电流，减少发射时间，从而消除材料表面上的气泡，减少材料的热量影响。
半导体激光器基础知识及工艺介绍
载流子跃迁 载流子复合产生光子
二 半导体芯片相关工艺
1、材料生长工艺
❖ 液相外延(Liquid-Phase Epitaxy, LPE)
❖ 分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)
❖ 金属有机化学气相淀积(Metallorganic Chemical Vapour Deposition, MOCVD)
2.2、导体 绝缘体 半导体导电理论
原子核模型
核外电 子
原子 核
单一原子能级分 布图（氢原子）
原子排列在一起，电子受到其他原子核或电子影响会产生电子共有化 运动。
电子共有化运动
单一的原子量子化能级经过简并，形成能带，能带中电子数较少能 带叫导带，在外场作用下导带中的电子可以定向移动；能带中电子 数饱和的能带叫价带，价带中电子在外电场作用下不能够定向移动。 导带和价带之间是禁带。
按结构划分：F-P腔（法布里-铂罗）、DBR和DFB（分布反馈）
按功率划分：小功率激光器（1-10mW）、大功率激光器（1-10W、上 百瓦、千瓦甚至万瓦）
现通信使用的小功率半导体激光器芯片一般是由Ⅲ-Ⅴ族材料激光器InGaAsP、 AlGaInAs材料组成，常用波长有1310nm、1490nm、1550nm等，按结构划分 有RWG F-P、RWG DFB、BH F-P、BH DFB等
5、刻蚀工艺
刻蚀就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地 把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分材料除去，从而在材料得到和抗蚀剂 膜上完全一致的图形。
刻蚀可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀：在液态环境中进行刻蚀 的工艺，比如用含有氢氟酸的溶液刻蚀二氧化硅薄膜，用盐酸和磷酸 的混合液腐蚀InP等，其优点是操作简便、对设备要求低、易于实现 大批量生产，并且刻蚀的选择性也好，但是湿法刻蚀化学反应的各向 异性较差，横向钻蚀比较严重，并且抗蚀剂在溶液中，特别在较高温 度的溶液中易受破坏而使掩蔽失效。显然对于刻蚀方法要求具有较高 的各向异性特性才能保证图形的精度时，湿法刻蚀不能满足这一要求， 这就要用到干法刻蚀。
半导体激光器的主要性能
4.5.2 半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转变为光能的效率。 分别用功率效率和外微分量子效率描述。 1）功率效率
2）外微分量子效率
而其中的
定义为斜率效率：
4.5.3 半导体激光器的空间模式
分为空间模和纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某 处的光强分布（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有 横模与侧模之分（如下图所示）。纵模则是一种频谱，表示所发射的光 束功率在不同频率（波长）分量上的分布。
下面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响。
4.5.6 半导体激光器的动态特性
的电阻< 1欧），L1为引线电感（1-2nH），Cs为旁路电容（0.3-1pF）。 选择并控制Cs和L1可明显抑制类谐振现象。
4.5.7 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，使其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成了热量，引起激光器的温升。结果导致使 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、并严 重影响器件的寿命。 解决办法：
4.5.5 半导体激光器的线宽
定义：表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处 的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm左右，在阈值以上的谱线 宽度大约在2-3nm或更小。
半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很多，主要原因如下： 1）LD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q值低； 2）有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化，增加了激光输出相 位的随机起伏（或相位噪声）。
1）加风扇或者冷水循环降温； 2）使用帕尔贴半导体制冷器。 （通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现LD的温度稳定，见下图）
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p
E
c
hf
p
Ef
p
Ev
n
E
c
n
hf
Ef
n
Ev
内部电场
外加电场
电子，
空穴
正向偏压下P-N结能带图
获得粒子数反转分布结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加 电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方 向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的 Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图 3.3(b)。
P区
能量
p
E
c
P区
p
E
v
内部电场
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
n
E
c
（a) P-N结内载流子运动；
势垒
E
f
N区
n
E
v
图 3.3 PN
(b) 零偏压时P-N结 的能带倾斜图
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
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。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?
DH激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空 穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 μm的 有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就 可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
产生激光的必要条件二：粒子数反转分布
产生粒子数反转的方法
• 注入载流子－半导体激光器 • 强光对激光物质进行照射－固体激光器 • 气体电离－气体激光器
2. PN
在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成
能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称
4. 半导体激光器基本结构
驱动电源
注入式 光子激励
电子束激励
工作物质
PN结（同质结） 异质结 单异质结
双异质结（DH）
谐振腔
解理面 布拉格反馈
分布反馈式DFB 分布布拉格反射式DBR
4.
1）、同质结（PN结）半导体激光器
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、 P型和N型限制层构成，如下图所示。
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
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
E2
E2
hυ
E1
终态
E1
初态
(b) 受激辐射
(c) 受激吸收
产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位
(1)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会 自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐 射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图6－15(a)。
当系统处于热平衡状态时，
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
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。
为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
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
L= m 或 2nL
2n
m
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 … 称为纵模模数。
在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。 有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光 腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有 一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
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
布
1
p(E)
1
E exp(
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。
4. 半导体激光器基本结构
3）、双异质结（DH）半导体激光器
图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。
这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不 同的光波长。
结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有 源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三 层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构 成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
q
3
工作物质
EC
光 增 益 EV
产生激光的必要条件三：有光学谐振腔
3
激光振荡的产生 粒子数反转分布（必要条件)+ 激活物质置于光学谐振腔中，
对光的频率和方向进行选择 = 连续的光放大和激光振荡输出。 基本的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，并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产
LD的发光过程
• 注入电流，即注入载流子； • 在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少
数电子自发跃迁到价带，产生光子； • 1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释
放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出 多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大； • 光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工 作。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制 在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很 低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
＋
P
(a)
Ga1－ xAlxAs
E
(b)
能 量
n 折
(c) 射 率
空穴
P GaAs
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
复合 异质 势垒
～ 5%
P (d) 光
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)。
在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图 3.2(c)。
在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流 子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见 图3.3(a)。
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为 工作模式，即在该频率上形成激光输出。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为
11
γth =α+
ln 2L R1R2
式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 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等于禁带宽度Eg(eV) 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=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
电流 金属接触
100μm
有源层
P型 N型 300μm
200μm 解理面
大面积半导体激光器
4. 1）、同质结半导体激光器
PN能带 所加的正向偏压必须满足
正向电压V时形成的双简并能带
结构
V EF EF Eg
e
e
PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作