半导体激光器LD资料
半导体激光器LD
B 输出的波长为：
2 B
2ne Le
(m 1 / 2) m是纵模的阶数
谢谢
激光测距、医疗军事等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算等新领 域也将发挥重要的作用。
二、半导体激光器的工作原理
1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导
带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。这就必须要有足够强 的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的 增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。
三、半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件 光波导
LD的通用结构 构成部分： 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。
2.自发辐射与受激辐射：导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴
复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的 方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐 射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为 - E1 = hv hv
E2 E1 (a) 受激跃迁
天津大学电子信息工程学院 School of Electronic Information Engineering
半导体激光器
朱守奎 ，马小品 2014年11月7日
一、简单介绍
1. 激光：英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation (受激辐射放大光)的缩写。
半导体激光器LD
半导体激光器LD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。
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,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,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.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.光泵式半导体激光器,一般用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.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用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.在半导体激光器件半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。
用半导体材料作为工作物质的激光器.它是利用受激辐射原理，使光在激发的工作物质中放大或发射（振荡）的器件.根据激发方法不同，半导体激光器可分为Ｐ－Ｎ结注入式、电子束激发式和光激发式三种。
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。
半导体激光器主要性能参数定义
半导体激光器1．P-I 特性及阈值电流P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。
典型的激光器P-I曲线由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。
•当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。
•随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。
• 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。
2．激光器线宽半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。
该参数与激光本身的波长由关系。
例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位：GHz v 5.261065.21.010641010310298=⨯=⨯⨯⨯=∆3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。
边模抑制比示意图4.振荡腔HR AR谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。
凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。
为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。
LD简介
三、半导体激光二极管的原理
由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子 通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新 光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注 入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源 层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复 反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益 大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二 极管的简单原理。 半导体激光二极管是通过PN结电注入泵浦的方式实现受激发射的半导体器件。 它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但输出功率、 单色性和方向性不如其他激光器。通过PN结电注入泵浦的方式实现受激发射的半导 体器件。它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但 输出功率、单色性和方向性不如其他激光器。 在PN结上施加正向偏臵，则有电流流过PN结，即电子由N区注入到P区，而空 穴由P区注入到N区。提高偏臵电压，电流增大到某一定值时，就会使有源区材料的 导带中能级上电子占有的几率大于价带中相对应能级上电子占有的几率，从而发生 粒子数分布反转，能为受激发射提供增益。当增益等于或大于半导体材料本身的吸 收损耗和端面漏出损耗时，就能获得受激发射
半导体二极管激光器工作原理
半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。
其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。
首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。
当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。
这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。
其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。
其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。
谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。
而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。
总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。
这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。
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LD恒流源调制电路的设计与实验
半导体激光器LD恒流源调制电路的设计
与实验
概述
半导体激光器（LD）是一种重要的光电器件，广泛应用于通信、医疗和雷达等领域。
恒流源调制电路在LD的驱动中起到关键
作用。
本文将探讨半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验。
设计原理
半导体激光器的工作需要稳定的电流源来实现恒定的激发电流。
恒流源调制电路通过控制输入信号和反馈电路的结构来实现恒流输出。
常见的调制电路设计方法包括共射极电路、共基极电路和共集
极电路。
实验步骤
1. 确定实验所需元器件，包括半导体激光器、恒流源电路、反
馈电路、电源等。
2. 根据实验需求选择合适的调制电路设计方法，如共射极电路。
3. 根据调制电路设计方法，搭建实验电路。
4. 进行实验前的参数调整和校准，确保实验的准确性和稳定性。
5. 施加输入信号并观察输出结果，记录实验数据。
6. 对实验数据进行分析和处理，评估恒流源调制电路的性能。
7. 针对实验结果进行必要的改进和优化，提高恒流源调制电路
的稳定性和效果。
结论
本文探讨了半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验步骤。
恒流源调制电路的设计对于半导体激光器的驱动具有重要意义，能够实现稳定恒流输出。
根据实验结果，可以进行进一步的改进和
优化，提高调制电路的性能和稳定性。
参考文献：
注：以上内容仅供参考，请根据实际需求进行修改和完善。
讲座之二----LD参数要点课件
10/21/2023
34
半导体激光二极管<光学参数>
SMSR 曲线说明
10/21/2023
35
半导体激光二极管<热学参数>
13. 热学参数
1.
LD热阻：RT(单位：℃ / W)
• RT 定义为加在器件单位电功率所引起的结温升
式中: Tj 结区温度; THS 热沉温度; Pi 注入电功率; IF 正向注入电流; VF 正向结压降。
半导体激光二极管<光学参数>
• θ : 光束半宽
θ ∥ : 空间光束平行于LD PN结结平面方向最大强度下降3dB时所对 应的全宽度定义为平行发散角
θ ⊥ ：空间光束垂直于LD P-N结结平面方向最大强度下降3dB时所对 应的全宽度定义为垂直发散角
用公式表示为：
从式中可知：空间光束半宽度与有源层d和有源层宽W有关，d与W赿大， θ ∥ 和θ ⊥ 就赿小
10/21/2023
21
半导体激光二极管<光学参数>
η d ：外微分量子效率
10/21/2023
22
半导体激光二极管<光学参数>
4.12 λ p / λ c / λmean/Δλ ：峰值波长/中心波长/平 均波长/光谱半宽
定义： • 在LD规定的光输出功率下，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波
光输出功率
10/21/2023
19
半导体激光二极管<光学参数>
4.11 ηd：外微分量子效率(单位：mW/mA)
定义：阈值以上P-I曲线线性段dI/dP之比，它是衡量器件把注入的电 子-空穴对转换成向外发射光子(输出功率)的效率。
3.讲座之二 -- LD参数
P I V
式中：η受激—受激发射的内量子效率 αi—腔体内部损耗 L– 器件腔长 R—器件端面反射
2020/2/25
20
半导体激光二极管<光学>
4.11 ηd：外微分量子效率(单位：mW/mA)
ηi 为内微分量子效率; αi 为腔体损耗; L为激光器腔长; R为腔体端面反 射率; Г为光限制因子; A、B为增益系数; d为有源层厚度。
中心波长 在发射光谱中，将幅度大于峰值2%的所有光谱模式的加权平均值定义为
平均波长 在LD规定的光输出功率下，主模中心波长的最大峰值功率下降-3dB时的
最大全宽定义为光谱半宽。
2020/2/25
23
半导体激光二极管<光学参数>
注：
对于F-P LD，ITU－T－957建议的最大均方根 （RMS）定义为光谱宽度
12
半导体激光二极管<电学参数>
VBR:反向击穿电压
VBR2020/2/25源自13半导体激光二极管<电学参数>
4.6 RS微分串联电阻(单位：Ω)
I-V ΔI
P-I ΔV
I-Im
2020/2/25
14
半导体激光二极管<电学参数>
公式表达式为：
Rs V I
从式中可以看出：要想降低Rs，就必须减小ΔV 要想减小ΔV，就必须提高表面浓 度和增加表面接触面积以及提高 表面附着力
4.15 SMSR：边模抑制比(单位：dB) (仅对于DFB LD而言)
定义：是指在发射光谱中，在规定的输出光功 率和规定的调制(或CW)时最高光谱强度 与次高光谱强度之比
根据ITU-T-G957要求 SMSR≥30dB
半导体发光器件-LD和LED
B＝KI m
K为比例系数； I低时：m＝ 1.3 ~ 1.5，I高时：m＝ 1
一般地，在流过额定电流值以内的情况，大体可认为发光 强度与I成正比，斜率K与发光材料有关。（不过也有例外， 如GaP(红光)当少数载流子密度达到一定的数值时会使发 光中心饱和）
3）发光强度-环境温度特性
由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温度上升，亮 度下降；温度增加1度，发光效率减小1％，当LED消耗功率大，则 结温上升，输出亮度下降，使得发光强度随电流I不再线性增长， 而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件很重要。
按发光二极管的封装外形可分为圆柱形、矩形、方形、三角形、组合 形发光二极管。其中圆形发光二极管的外径有Φ2~Φ20mm等多种规格， 常用的有Φ3mm、Φ5mm等。
（5）按封装形式分
按封装形式有可分为:
有色透明封装（C） 无色透明封装（T）
常见发光二极管的外形图
有色散射封装（D）
无色散射封装（W） （6）按封装材料分 按封装材料的不同可 分为 塑料封装 陶瓷封装 金属封装 树脂封装 无引线封装
3.LED的驱动方式
1）恒压源驱动
采用恒压源和限流电阻（图1）是成本最低的解决方案。 缺点：（稳流能力差）由于I-V曲线的非线性，只要电压有很 小的变化，电流就会变化很大（亮度变化）
求 LED 发 光 时 的限流电阻值
R=(Vin-VF)/IF
2）恒流源驱动
比较理想的白光 LED 驱动方式是采用恒电流源，它能避免白光 LED正向电压改变而造成的电流变动。使用可控制的固定正向电 流，就能提供可控制的固定显示亮度。
第四章 半导体发光器件
4.1 发光二极管LED
4.2 半导体激光器LD
LD简介—什么是LD
什么是 LD激光（LASER）是上实际60年代发明的一种光源。
LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。
激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。
气体激光器有氦－氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。
每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。
激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。
有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。
其次，激光是相干光。
相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。
再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。
可在一个频率上产生相干红外光束的半导体二极管，通常是由砷化镓(GaAs)或掺杂有铟和铝之类其他材料的砷化镓制成。
这种二极管在结构上都使其发射集中于狭窄韵路径上。
通过PN结电注入泵浦的方式实现受激发射的半导体器件。
它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制，但输出功率、单色性和方向性不如其他激光器。
实现受激发射的三个要素是：激光材料、粒子数反转分布和谐振腔。
只有直接带隙半导体材料才能制造激光二极管，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体(GaAs、InP等)及其三元、四元固溶体(Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等)，Ⅳ-Ⅵ族化合物固溶体（Pb1-xSnxTe等）。
将单晶定向、切割、抛光后，通过扩散或各种外延方法或化学汽相沉积方法等在一定的晶面如(001)上制成PN结。
1962年秋首次研制出77K下脉冲受激发射的同质结GaAs 激光二极管。
1964 年将其工作温度提高到室温。
1969年制造出室温下脉冲工作的单异质结激光二极管，1970年制成室温下连续工作的Ga1-xAlxAs/GaAs双异质结(DH)激光二极管。
此后，激光二极管迅速发展。
1975年Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二极管的寿命提高到105小时以上。
LD激光二极管重要参数与特征
LD激光二极管重要参数与特征激光二极管（LD）是一种能够将电能转化为激光能量的半导体器件，具有小巧、高效、低成本等特点，在工业、通信、医疗等领域有着广泛的应用。
下面将介绍LD激光二极管的重要参数与特征。
1. 波长（Wavelength）：波长是LD激光二极管的重要参数之一，它决定了激光的颜色。
常见的LD激光二极管波长包括红光（630-680 nm）、红外光（780-1600 nm）和蓝光（420-480 nm）等。
不同波长的激光在应用中有着不同的需求和用途。
2. 输出功率（Output Power）：输出功率是LD激光二极管的另一个重要参数，它表示单位时间内激光二极管输出的能量。
通常以毫瓦（mW）或瓦（W）为单位。
输出功率的选择应根据应用场景的需要来确定，不同的应用场景对输出功率有不同的要求。
3. 效率（Efficiency）：效率是LD激光二极管的一个重要特征，它表示激光二极管将输入的电能转化为输出的激光能量的比例。
高效率的LD激光二极管能够以较低的功率输出较高的激光能量，有利于节约能源和提高工作效率。
4. 光束发散度（Beam Divergence）：光束发散度是LD激光二极管的一个重要参数，它表示激光束的扩散程度。
较小的光束发散度意味着激光束的直径在较远距离上保持较小，有利于激光在远距离传输和聚焦。
5. 调制带宽（Modulation Bandwidth）：调制带宽是LD激光二极管的一个重要特征，它表示LD激光二极管能够响应外部信号调制的速度范围。
高调制带宽的LD激光二极管适用于需要快速调制的应用，如高速通信和雷达系统。
除了以上介绍的参数和特征外，LD激光二极管还有其他一些重要的特征，包括温度稳定性、频率稳定性、单频特性、线宽、光纤耦合效率等。
这些特征的选择应根据具体应用场景的需求来确定。
总之，LD激光二极管是一种非常重要的激光器件，具有波长、输出功率、效率、光束发散度、调制带宽、寿命等多个参数和特征。
ld激光二极管的物理结构
ld激光二极管的物理结构
激光二极管（Laser Diode，LD）是一种能够将电能直接转换为光能的半导体器件。
它的物理结构主要包括以下几个部分：
1. 有源区：这是激光二极管的核心部分，由半导体材料制成，通常是砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）等。
有源区的材料具有特殊的能带结构，能够在施加电流时产生受激发射。
2. 限制层：限制层位于有源区两侧，用于限制载流子的扩散和限制激光的模式。
限制层的材料通常与有源区不同，以形成PN 结。
3. 反射层：反射层位于激光二极管的两端，用于反射激光，提高激光的方向性和效率。
反射层通常由金属或介质薄膜制成。
4. 接触层：接触层用于将电流引入激光二极管，通常由金属或合金制成，与半导体材料形成良好的电接触。
5. 封装：激光二极管通常被封装在一个外壳内，以保护其物理结构并提供机械支撑。
封装材料可以是塑料、金属或陶瓷等。
这些部分共同构成了激光二极管的物理结构。
当电流通过激光二极管时，电子和空穴在有源区复合，释放出能量，产生受激发射。
受激发射的光子在反射层之间来回反射，形成激光束。
激光二极管具有体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、激光打印、光存储等领域。
第5章半导体激光器(LD)静态特性
器件加工技术
通过光刻、刻蚀、蒸发等微纳加工技 术制备出具有特定结构的半导体激光 器器件。
封装技术
采用合适的封装材料和工艺，保证半 导体激光器的长期稳定性和可靠性。
02
静态特性参数及其测量方法
阈值电流与斜率效率
阈值电流
半导体激光器开始产生激光输出的最小电流。测量方法通常 包括观察输出光功率与注入电流的关系，确定阈值电流的位 置。
半导体激光器可用于激光雷达的发射光源，具有体积小、重量轻、效率
高等优点。激光雷达在军事侦察、目标跟踪、导弹制导等方面具有广泛
应用前景。
02
光电对抗
半导体激光器可用于光电对抗中的干扰和致盲，具有响应速度快、干扰
效果好等优点。随着光电对抗技术的不断发展，对半导体激光器的需求
也将不断增加。
03
保密通信
半导体激光器可用于实现高速、保密的光通信，具有抗干扰能力强、传
描述激光器输出波长随工作条件变化 而保持稳定的能力。测量方法是通过 光谱分析仪测量输出光的波长，并记 录不同工作条件下的波长变化。
调制深度与频率响应
调制深度
描述激光器在调制信号作用下输出功率变化的能力。测量方法是通过施加调制 信号并记录输出功率的变化量，从而计算出调制深度。
频率响应
描述激光器对不同频率调制信号的响应能力。测量方法是通过施加不同频率的 调制信号并记录输出功率的变化，从而绘制出频率响应曲线。
其他领域
半导体激光器还可应用于工业加工、环境监测、照明等领域。随着这些领域的不断发展，对半导体激光 器的需求也将不断增加。
THANKS
感谢观看
优化热管理设计
通过改进散热结构、使用高热导率材料等措施，可以降低 激光器的热效应，提高功率稳定性。
ld和pd的工作原理
ld和pd的工作原理LD（激光二极管）的工作原理一、基本结构激光二极管由PN结、有源层、限制层等部分组成。
PN结是半导体中形成的特殊结构，在LD中起到产生载流子（电子和空穴）的作用。
有源层是能够产生受激辐射的区域，通常由特殊的半导体材料制成，例如砷化镓（GaAs）等。
限制层则是用来限制光和载流子在有源层内的区域，从而提高激光产生的效率。
二、工作机制1. 载流子注入•当给激光二极管施加正向电压时，P区的空穴和N区的电子会分别向PN结处注入。
在有源层中，电子和空穴会复合。
例如，在一个简单的GaAs激光二极管中，电子从导带跃迁到价带与空穴复合。
2. 受激辐射•在有源层中，处于高能级的电子与空穴复合时，会释放出能量。
当注入的载流子密度达到一定程度时，会产生受激辐射。
受激辐射的特点是发射出的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态。
这就像一群士兵整齐划一地行进，产生了相干性极好的光。
3. 光学谐振腔• LD内部有光学谐振腔，它由两个反射镜（通常是半导体晶体的自然解理面或者人工制作的反射层）构成。
在谐振腔内，光子在反射镜之间来回反射，不断地与有源层中的电子•空穴对相互作用，使得受激辐射得到放大。
当增益大于损耗时，就能够输出稳定的激光束。
三、应用案例1. 光纤通信•在光纤通信系统中，激光二极管作为光源。
由于激光具有高方向性、高相干性和高亮度等特点，能够在光纤中高效地传输信号。
例如，在长距离的海底光纤通信中，LD发出的激光可以在光纤中传输数千公里而衰减较小，从而实现全球范围内的高速数据传输。
2. 激光打印•激光打印机中的激光二极管是成像的关键部件。
它发射出的激光束按照待打印的图像或文字信息进行调制，然后扫描到硒鼓表面。
硒鼓上被激光照射的部分会带上电荷，从而吸附墨粉，最终将图像或文字转印到纸张上。
PD（光电二极管）的工作原理一、基本结构光电二极管也是一种PN结二极管，不过它的结构设计更侧重于对光的探测。
ld和pd的工作原理
ld和pd的工作原理
嘿！今天咱们来聊聊LD 和PD 的工作原理呀！这可真是个超级有趣又重要的话题呢！
首先呢，咱们得搞清楚啥是LD 呀？LD 就是激光二极管（Laser Diode）的简称哟！它的工作原理可神奇啦！它通过在半导体材料中注入电流，激发电子和空穴的复合，从而产生受激辐射，发出高度相干、单色性好的激光光束呢！哎呀呀，这过程听起来是不是有点复杂？但其实简单来说，就是电流一进去，神奇的激光就跑出来啦！
那PD 又是啥呢？PD 就是光电二极管（Photo Diode）呀！它的工作原理也很妙呢！当光照射到PD 上时，光子会被吸收，产生电子空穴对，从而形成电流。
哇！是不是感觉很神奇？这就像是光的魔法，一下子就变成了电流！
LD 和PD 在很多领域都发挥着重要作用呢！比如在通信领域，LD 能发送高速、高质量的光信号，PD 则负责接收这些信号。
哎呀呀，没有它们，咱们的网络可就没那么快啦！在光学测量中，LD 可以提供稳定的光源，PD 能精确检测光的强度。
这对于科学研究和工业生产来说，简直太重要啦！
不过，要让LD 和PD 工作得好，也有不少讲究呢！比如说，LD 对温度和电流的控制要求很高，稍有偏差，激光的性能就可能大打折扣！PD 呢，则要注意灵敏度和响应速度的优化。
总之呀，LD 和PD 的工作原理虽然各有特点，但它们都是现代科技中不可或缺的宝贝呢！未来，随着技术的不断进步，它们肯定还
会给我们带来更多的惊喜和便利！哇，想想就觉得超棒的，不是吗？。
第5章半导体激光器(LD)：静态特性_蓝色(全)资料
1
EFp Eh
e kT 1
假设引起LD受激辐射的光束强度为 I h ，则有源区的
受激辐射率为：
wr
Nc
(Ee
)
f
e
(Ee
)Nv
(Eh
)
f
h
(Eh
)I
(h)dE
吸收率为：
wa
Nc
(Ee
)
1
f e(Ee)
Nv (Eh ) 1 f h (Eh )
I (h)dE
wr wa distribution of particles reversed
使用“光谐振腔” 提高特定频率 的辐射强度
利用受激辐射提高 e-h对的复合率
Laser Diode e-h对在高质量的 光学谐振腔中复合
LD的主要优点： 输出功率高（相对LED）； 体积小； 发光效率高； 输出频谱窄； 响应速度快，带宽大。
激光器是利用受激辐射产生光子，其激励方式(能量注入方式)有： 电流注入（利用PN结结构的载流子注入）； 电子束注入； 激光注入； 碰撞电离。（？）
II. 自发辐射与受激辐射
自发辐射特点： 自发辐射是随机过程； 发出的光波是非相干光； 光子能量大体相等，约等于材料带隙； 相位与方向各不相同。
受激辐射特点： 发出的光是相干光； 光子相位、方向与引起辐射的光子一致。
普通激光器工作过程：
一般激光器的工作过程涉及到原子的能级跃迁。以二能级 系统为例，其过程是：在外界能量注入条件下，原子中的外 层电子吸收能量，跃迁到高能级。在高能级的原子态并不稳 定，如果此时有光子从有源区穿过，则会激励此高能原子， 使电子由高能级跃迁回低能级，同时放出一个光子，此光子 与引起辐射的光子在频率、相位、方向上完全一致。
LD自动系统资料
15一、LD 光源的功率输出稳定度考察LD 光源的输出功率稳定度对厚度测量精度的影响。
假设稳定度为ω，即输出光功率的变化在ω以内。
由以上的分析可知，激光器功率的变化产生的影响在波峰或波谷处最大。
所以我们来考察波峰处，21221max ρρρρρ++= （3-13）如果这时输出光功率突然有个ω的改变，即反射比变化max ρω，为了达到检测精度，光源稳定度的影响有：max ρω<ρ∆ 即 max ρρω∆<（3-14） 同理，在波谷处 min ρρω∆< （3-15）综合得max ρρω∆<（3-16） 对于GaN –Sapphire ，波长655nm ，max ρ＝0.254 ，由（3-12）可得ε＝1nm 时，ω<0.4/1000 ；ε＝1nm ，ω<1.3/1000 。
可以看出对光源的稳定性要求很高，很难达到。
我们考虑多次测量的情况。
在波峰处，反射率的值应该分布在max ρ周围±max ρω以内，即单次测量反射率误差最大为max ρω，由于薄膜沉积速率较慢（零点几nm 每秒），我们可以认为在极短时间内测得的多个值反映的薄膜厚度近似相等。
设对应同一薄膜厚度有N 个反射率的测量值，对其取平均，反射率测量误差将减小到max ρω/N 。
所以有： max ρρω∆<N （3-17）由上式在2nm 精度下，如果N=100，则对稳定度的要求可以下降到±1.3%。
这同样是个较高的标准，所以必须设计功率高度稳定的LD 激光器。
二、激光器的频谱漂移同样考虑在波峰处，在波峰处，频谱突然漂移λ∆±（正的代表波长增加，负的表示减小），薄膜的折射率变化可以忽略，这时，反射率为 λλπρρρρρ∆±++=02)(4cos 21221'k f t h n （3-18） 所以 ))2cos(1(2'021λλλπρρρρρλ∆±∆-=-=∆ （3-19）检测精度要求： ρρλ∆<∆ 即 ελελλ200222n n +<∆<ε22n （3-20） GaN 薄膜：0λ＝655nm ，ε＝1nm 时，min λ∆＝4.6nm ，ε＝2nm 时，max λ∆＝ 9.2nm 。
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二、半导体激光器的工作原理
1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导
带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。这就必须要有足够强 的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的 增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。
E2 E1
hv
E2 hv E1
hv hv
(b) 自发辐射：非相干光
(c) 受激辐射：相干光
3.激光的产生：
当在半导体中实现粒子数反转，使得受激辐射大于受激吸收，使得光增益大于光损耗，就 可产生激光。
半导体中激光产生的条件： • 粒子数反转：产生大量的受激辐射 • 光学谐振腔：实现光放大 • 达到阈值电流密度：使得增益大于损耗
2.半导体激光器（LD）：又名激光二极管（Laser Diode），是以半导体材料
作为工作物质的激光器，是实际应用中最重要的一类激光器。
3.特点：超小型、高效率、寿命长、结构简单、价格便宜；采用注入电流的方
式泵浦；工作电压电流与集成电路兼容，可与之单片集成。
4.应用：在光纤通信、激光唱片、光存储、全的电子不稳定，向价带跃迁与空穴
复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的 方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐 射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为受激辐射。
光作用下的跃迁和辐射
E2 - E1 = hv hv
E2 E1 (a) 受激跃迁
三、半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件 光波导
LD的通用结构 构成部分： 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。
B 输出的波长为：
2 B
2ne Le
(m 1 / 2) m是纵模的阶数
谢谢
天津大学电子信息工程学院 School of Electronic Information Engineering
半导体激光器
朱守奎 ，马小品 2014年11月7日
一、简单介绍
1. 激光：英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation (受激辐射放大光)的缩写。
LD的结构：
四、几种典型的LD
• 1.同质结半导体激光器
同质结LD
2.单异质结LD
p-GaAs层内的电子浓度增大， 辐射复合的几率也增加，光 波导效应显著，阈值电流较 同质结低。
3.双异质结LD
四.分布反馈式LD
分布反馈式 (DFB) 激光器 内置布拉格光栅FBG： 只有符合反射条件的 光会得到强烈反射经 历放大过程