半导体激光器基础知识
半导体激光器基础知识
半导体激光器的近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布；而远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。
远场分布是近场分布的富氏（Fourie r）变换。
半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。
前者描述围绕输出光束轴线某处光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率在不同频率（或者波长）分量上的分布。
两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。
横向都是由双异质结构成的折射率波导结构来限制光场；而在侧向，则可由折射率导引结构或增益导引结构，大功率半导体激光器大多采用增益波导结构。
因此半导体激光器的空间模式又有横模和侧模之分。
如图5-1表示了这两种空间模式。
图1 半导体激光器的横模与侧模由于有源层厚度都很小（约为0.15µm），根据平板波导原理，在横向LD都能保证单横模输出；而在侧向，由于其宽度相对较大，因而可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模（或称基模）工作，则输出为理想的TE00模，此时光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的发散角最小，亮度最高，能实现与单模光纤的高效率耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到很小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若LD工作在多侧模下，则其发光面上的光场（即近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝,而其远场分布则相当复杂。
对于发光尺寸为1×50µm 的半导体激光器，沿1µm方向称为快轴方向，沿50µm方向称为慢轴方向。
在快轴方向光束横截面内光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。
半导体激光器的发散角是光束的基本参数，其定义为远场平面上光强为峰值一半处的两点相对于发光点的夹角。
半导体激光培训资料
半导体激光培训资料一、半导体激光的基本原理半导体激光，简单来说，就是利用半导体材料作为工作物质产生激光的器件。
要理解它，咱们得先从一些基础的物理概念讲起。
半导体材料具有独特的能带结构，包括导带和价带。
当给半导体施加外部能量，比如电流或光激发时，电子会从价带跃迁到导带，在导带中形成自由电子，而在价带中留下空穴。
在特定的条件下，这些电子和空穴会在半导体的有源区聚集。
有源区就像是一个“战场”，电子和空穴在这里相遇并复合，释放出能量。
当这种复合过程是受激辐射时，就会产生相干光，也就是激光。
半导体激光的产生需要满足三个基本条件：一是要有能实现粒子数反转的有源区，二是要有光学谐振腔来增强光场，三是要有足够的电流注入来提供能量。
二、半导体激光的特点和优势相比于其他类型的激光器，半导体激光具有很多显著的特点和优势。
首先，它的体积非常小，可以做到微型化甚至集成化，这使得它在很多空间有限的应用场景中大展身手，比如光通信、激光打印等。
其次，半导体激光的电光转换效率很高，能够将大部分输入的电能转化为光能，从而降低了能源消耗。
再者，它的调制速度快，可以快速地开启和关闭激光输出，这对于高速通信和数据处理来说至关重要。
另外，半导体激光的工作寿命长，稳定性好，能够在长时间的工作中保持良好的性能。
三、半导体激光的分类根据不同的标准，半导体激光可以有多种分类方式。
按照工作波长来分，有可见光半导体激光、红外半导体激光等。
不同波长的半导体激光在不同的领域有着各自的应用，比如可见光半导体激光常用于激光显示，红外半导体激光则常用于通信和遥感。
按照结构来分，有法布里珀罗（FP）半导体激光、分布反馈（DFB）半导体激光、分布布拉格反射（DBR）半导体激光等。
FP 半导体激光结构简单，但光谱较宽；DFB 和 DBR 半导体激光则具有更窄的光谱和更好的性能，常用于高速通信等对波长稳定性要求较高的领域。
四、半导体激光的应用领域半导体激光的应用几乎无处不在，涵盖了通信、医疗、工业、科研等多个领域。
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。
半导体激光器资料
半导体激光器资料半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种利用半导体材料发射激光的装置。
该装置被广泛应用于通信、医学、材料加工等领域，是20世纪最重要的科技创新之一、本文将介绍半导体激光器的原理、结构、性能及应用。
半导体激光器的工作原理主要是电子复合：当电流通过半导体器件时，正电子与负电子之间发生复合的现象，释放出能量。
这种能量释放通过光的形式，即激光。
与其他类型的激光器不同，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的直接能带结构，可以利用半导体材料的电学性质来控制激光的特性。
半导体激光器通常由以下几个基本部分组成：激活材料、泵浦源、光学腔、输出镜和电流注入结构。
半导体激光器的激活材料一般是由III-V族元素化合物半导体材料构成，如氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。
泵浦源通常是电流或光，其作用是提供能量给激活材料。
光学腔是由两个平行的半反射镜组成，通过反射来放大光强。
输出镜是腔外的一面镜子，用于将激光从腔中引出。
电流注入结构是用来提供电流给激活材料。
半导体激光器具有许多优点，如体积小、能耗低、效率高、寿命长等。
其小巧的体积使得半导体激光器可以集成到复杂的系统中，例如通信设备中的激光二极管。
能耗低意味着半导体激光器可以在电池供电的移动设备中使用，并且不会过度消耗电能。
高效率使得半导体激光器可以更好地利用能量，输出更强的激光功率。
寿命长意味着半导体激光器的使用寿命较长，不需要频繁更换，从而降低了维护成本。
半导体激光器具有广泛的应用，其中最重要的一项是通信。
半导体激光器可以通过光纤传输大量的数据，提供高速、高带宽的通信。
此外，半导体激光器还可以用于激光打印机、医学设备、材料加工等领域。
例如，半导体激光器可以用于激光雷达、激光治疗器和激光切割机等设备中。
总之，半导体激光器是一种重要的光源装置，具有广泛的应用前景。
通过利用半导体材料的电学性质，可以控制激光的特性，使其具有小巧、高效、长寿命的特点。
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
半导体激光器LD
应用场合：短距离传输
同质pn结
同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的参杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成 存在的问题： 1. 增益区太厚(1~10 m)，很难把载流子约束在相对小的区域， 无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束
多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的 乘积总等于一个常数：
pn n 2 i
pn结
n型 电势
U
n型
耗尽层
p型
p型
n 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
E 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的
Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子浓度 分布 电子态数量
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV 空穴态数量
辐射性复合速率 辐射性复合速率 hint 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
辐射性复合时间 辐射性复合时间 非辐射性复合时间
1 1
1
r1 1 1 r nr
那么LED的内部发光功率为：
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 内量子效率 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q
半导体激光器
固体的能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被 电子填满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做 “空带’，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时， 价带上由于价电 子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。 “价 带” 和“导带”之间是“禁带”。 在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量 很少。这时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就 不同了。如四价半导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能 级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为 电子型半导体或N型半导体。而如果我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在 价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上 产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。
2、阈值电流密度: 影响阈值的因 素很多
1 82v 2edv J阈 [a内 ln r1r2 ] 2L c2
显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键， GaAs激光器的伏安特性 经研究人们发现J阈与以下因素有关： ①与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a总值差异很大； ②J阈∝1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比； ③ J阈与工作温度的关系十分密切； ④ J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1 =r2 =0.32。 当腔长转短时，若1／2L比a总小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈 明显降低， 但当腔长 L较长时， J阈的降低就不很明显了。
Hale Waihona Puke Common Diode Lasers
• CD Player = 632 nm • DVD Player = 658 nm • Blueray DVD = 405 nm
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
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
(a)受激吸收
(b)自发辐射
hf12
hf12
(c)受激辐射
能级与电子跃迁示意图
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能 级 N比 过1＞电例该N子于物2，N数质1受和分时激N别，2吸且为光收比N强1与例和会系受N衰2物数激减质相辐，在等射物正，的质常此速为状时率吸态光分收通下别 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 相为反，激故活称物为质粒。子N2＞数N反1的转分分布布与。正常状态
主要内容
• 一、半导体激光器的工作特 性
• 二、分布式反馈激光器DBF
半导体激光器的工作特性
• 发射波长和光谱特性 • 激光束的空间分布 • 转换效率和光功率特性 • 频率特性 • 温度特性
发射波长和光谱特性
• 发射波长：
hc 1.24
• 光谱特性：
Eg
Eg
• 谱线宽度——光谱特性中最大功率的一半对应 的波谱宽度。记为 。随着驱动电流的增加，
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。
双异质结（DH)LD的工作原理
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。
半导体激光器基础知识简介
半导体激光器基础知识简介半导体激光器（激光二极管）半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。
半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。
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。
半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。
半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。
半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。
电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，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。
电子束激励式半导体激光器一般用N 型或者P 型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO 等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
光泵浦激励式半导体激光器一般用N 型或P 型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb 等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构。
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
半导体激光器半导体激光器：光电技术的重要突破引言随着科技的飞速发展，半导体激光器作为一项重要的光电技术正逐渐成为人们关注的焦点。
半导体激光器具有窄谱线宽、高光输出功率、高能量转换效率等优点，广泛应用于通讯、医学、照明等领域。
本文将为您详细介绍半导体激光器的原理、特点以及应用前景。
一、半导体激光器的原理半导体激光器是一种通过激发半导体材料产生激光的器件。
它由半导体材料构成，其中镜子是主要的光学部件。
通过在半导体材料中注入电流，将电能转化为光能，通过反射镜的反射和透过作用，使光在腔内来回反射，从而放大并产生激光。
这一过程主要依赖于激子的生成、传输和激发。
二、半导体激光器的特点1. 窄谱线宽：半导体激光器的谱线宽度通常较窄，能够在光的频域内集中较大的功率。
这一特点使得半导体激光器在光通信领域具有重要的应用前景。
2. 高光输出功率：半导体激光器的光输出功率较高，在一定应用范围内能够满足大功率光源的需求。
这也使得半导体激光器在照明和激光加工等领域得到广泛应用。
3. 高能量转换效率：相对于其他类型的激光器，半导体激光器的能量转换效率较高。
这一特点使得半导体激光器在能源利用效率方面具有优势。
4. 尺寸小、重量轻：由于半导体激光器的结构简单，尺寸小、重量轻，因此便于集成和便携。
这也为其在手持设备和便携式仪器等领域的应用提供了更多可能性。
三、半导体激光器的应用1. 光通信：半导体激光器具有较高的调制速度和窄的发射谱线宽度，使其在光通信系统中得到广泛应用。
目前，大部分的光通信系统都采用半导体激光器作为光源。
2. 医学：半导体激光器在医学领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光手术和皮肤美容等。
半导体激光器的小尺寸和高功率输出使其成为医学器械领域的理想选择。
3. 照明：半导体激光器在照明领域的应用越来越受到关注。
相较于传统照明设备，半导体激光器具有较高的能量转换效率和较长的寿命，能够提供更加稳定和均匀的照明效果。
4. 激光显示：半导体激光器也被应用于激光显示技术中。
半导体激光器原理知识讲解
半导体异质结
• 异质结的作用：
• 异质结对载流子的限 制作用
• 异质结对光场的限制 作用
• 异质结的高注入比
异质结对光场的限制作用
半导体激光器的材料选择
1-能在所需的 波长发光
2-晶格常数与 衬底匹配
半导体激光器的工作原理
基本条件：
1有源区载流子反转分布 2谐振腔：使受激辐射多
次反馈，形成振荡 3满足阈值条件，使增益
效率降低，这些都会使阈值电流密度增加
工作特性
2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：
测试：To = Δ T / ΔLn（Ith） 影响To的因素：限制层与有源层的带隙差Δ Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小
ΔEg
工作特性
3.外微分量子效率ηd （斜率效率）：
可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。
●易于实现二维平面和光电集成； ●圆形光束易于实现与光纤的有效耦合； ●有源区尺寸极小，可实现高封装密度 和低阈值电流； ●芯片生长后无须解理、封装即可进行 在片实验； ●在很宽的温度和电流范围内都以单纵 模工作； ● 成品率高、价格低。
• 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射 率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb / ΔT 小于0.1nm /℃ 。
F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾
工作特性
5.光谱宽度 6边模抑制比 7上升/下降时间 8串联电阻 9热阻
各特性的关系
DFB-LD芯片制造
1. 一次外延生长 2. 光栅制作 3. 二次外延生长 4. 脊波导制作 5. 欧姆接触、减薄 6. 解理成条 7. 端面镀膜 8. 解理成管芯 9. TO-CAN
DFB激光器
光电器件基础第三章半导体激光器(精)
光电器件基础·第三章半导体激光器§3.1 半导体激光器的基础理论§3.2 半导体激光器的分类§3.3 半导体激光器的基本结构§3.4 几种常见的半导体激光器§3.5 半导体激光器的基本特性§3.6 量子阱激光器激光是1964年钱学森首先倡议对LASER 一词的意译名。
LASER 是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写，意思是“光的受激发射放大”。
激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为“激光振荡器”。
1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。
1963年H. Kroeme首先提出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。
1969年，前苏联的Zh. I. Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer和Zh. I. Alferov因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。
本章着重介绍半导体激光器的基本原理、基本结构和基本特性。
半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD ），是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。
它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：(1 体积小，重量轻；(2 驱动功率和电流较低；(3 效率高，工作寿命长；(4 可直接电调制；(5 易于与各种光电子器件实现光电子集成；(6 与半导体制造技术兼容，可大批量生产。
由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。
经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低温（77K ）脉冲运转发展到室温连续工作，工作波长从最开始的红外、红光扩展到蓝紫光，阈值电流由105 A/cm2量级降至102 A/cm2量级，工作电流最小到亚mA 量级，输出功率从最初的几mW 到现在的阵列器件输出功率达数kW ，结构从同质结发展到单异质结、双异质结、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型（DFB ）、分布布拉格反射型（DBR ）等270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 ）、金属有机化合物淀积（MOCVD ）、分子束外延（MBE ）、化学束外延（CBE ）等多种制备工艺。
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。
半导体激光器基础原理
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F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾
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工作特性
5.光谱宽度 6边模抑制比 7上升/下降时间 8串联电阻 9热阻
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各特性的关系
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DFB-LD芯片制造
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DFB-LD的增益与损耗
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工作特性
1.阈值电流 Ith
影响阈值电流的因素： 1. 有源区的体积：腔长、条宽、厚度 2. 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 3. 解理面、镀膜 4. 电场和光场的限制水平 5. 随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子
效率降低，这些都会使阈值电流密度增加
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量子跃迁
非辐射跃迁： 1. 异质结界面态的复合 2. 缺陷复合：有源区都
是本征材料 3. 俄歇复合：对长波长
激光器的量子效率、 工作稳定性和可靠性 都有不利影响
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• 特点：
量子跃迁
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直接带隙和间接带隙半导体
直接带隙半导体跃迁几率高， 适合做有源区发光材料 （如GaAs，InP，AlGaInAs）
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工作特性
2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：
测试：To = Δ T / ΔLn（Ith） 影响To的因素：限制层与有源层的带隙差Δ Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小
ΔEg
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工作特性
3.外微分量子效率ηd （斜率效率）：
可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。
第七章半导体激光器
半导体激光器以半导体材料为工作物质。常用的半导体材料主要有三类: (1)ⅢA -Ⅴ A族化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。 (2)Ⅱ B -ⅥA族化合物半导体,如硫化镉(CdS)等。 (3)ⅣA-ⅥA族化合物半导体,如碲锡铅(PbSnTe)等。
M2
M2
M2 25
7.2 半导体激光器的工作原理
光反馈和激光振荡
在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生光子。一部分光子一 旦产生，就穿出有源区，得不到放大；另一部分光子可能在有源区内传 播，并引起其他电子－空穴对的受激辐射，产生更多的性能相同的光子， 得到放大。 为了得到激光，必须将激活物质置于光学谐振腔中，如下图。
7 半导体激光器
本章内容
• 1. 半导体激光器的概述 • 2.半导体激光器的工作原理 • 3.不同结构的半导体激光器
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7.1 半导体激光器概述
1917年，爱因斯坦，《论辐射的量子性》，指出物质对光的辐射源于
不同能级间的电子跃迁 ，阐述光的受激发射的概念，成为激光的理论基
础。
1960年，梅曼发明第一台红宝石激光器
半导体激光器要产生激光，必须具备三个基本条件: 粒子数反转分布:建立起激光工作物质(有源区) 内载流子的反转分 布。 谐振腔：使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡。 阈值条件：有足够强的电流注入，产生足够的粒子数反转，达到电 流阀值条件，形成激光连续输出。
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7.2 半导体激光器的工作原理
为受激辐射的入射光。
7.2 半导体激光器的工作原理
要产生我们需要的高强度、方向性好的激光，还有两个问题要解决： 1、需要近似需要近似无穷长度的增益介质来获得最大 的放大效果。
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半导体激光器的近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布；而远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。
远场分布是近场分布的富氏（Fourie r）变换。
半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。
前者描述围绕输出光束轴线某处光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率在不同频率（或者波长）分量上的分布。
两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。
横向都是由双异质结构成的折射率波导结构来限制光场；而在侧向，则可由折射率导引结构或增益导引结构，大功率半导体激光器大多采用增益波导结构。
因此半导体激光器的空间模式又有横模和侧模之分。
如图5-1表示了这两种空间模式。
图1 半导体激光器的横模与侧模
由于有源层厚度都很小（约为0.15µm），根据平板波导原理，在横向LD都能保证单横模输出；而在侧向，由于其宽度相对较大，因而可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模（或称基模）工作，则输出为理想的TE00模，此时光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的发散角最小，亮度最高，能实现与单模光纤的高效率耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到很小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若LD工作在多侧模下，则其发光面上的光场（即近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝,而其远场分布则相当复杂。
对于发光尺寸为1×50µm 的半导体激光器，沿1µm方向称为快轴方向，沿50µm方向称为慢轴方向。
在快轴方向光束横截面内光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。
半导体激光器的发散角是光束的基本参数，其定义为远场平面上光强为峰值一半处的两点相对于发光点的夹角。