半导体激光器的设计和工艺
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
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。
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)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只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，对光波侧向渗透没有限制作用。 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。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
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。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 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。
44瓦超高功率808nm半导体激光器设计与制作
44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1. 引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。
与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。
一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。
半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。
正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。
随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。
高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。
器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。
本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。
2.高功率激光结构设计图1. 半导体激光外延结构示意图图2. 外延结构以及与之对应的光场分布图3. 量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4. 光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808 nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al 组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。
半导体激光器设计
半导体激光器设计半导体激光器是一种基于半导体材料的发光二极管，通过注入电流来产生激发的光电子，从而实现光的放大和激光器输出光的产生。
其独特的性能和特点使其被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
在本文中，我们将讨论半导体激光器的设计原理、结构和工作原理。
首先，半导体激光器的设计原理主要涉及基于材料的选择和结构的设计。
对于半导体激光器而言，材料的选择非常关键，一般选取的材料包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等III-V族化合物半导体材料。
这些材料具有很好的电子迁移率和较小的自发辐射损耗，使得光子可以在材料中较长距离地传播。
其次，半导体激光器的结构设计一般包括活性层、波导层和电极等部分。
活性层是激光器的关键部分，其中的激子产生和复合过程决定了激光器的性能。
波导层用于引导和放大光信号，通常采用高折射率的材料。
电极是用于注入电流的部分，通过控制电流的大小可以控制激光器的输出功率。
半导体激光器的工作原理是基于半导体材料中存在的能带结构和载流子的输运过程。
在半导体材料中，能带分为导带和价带，两者之间存在能隙。
在正常情况下，导带是空的，而价带是满的。
当外加电压或注入电流时，电子从价带跃迁至导带，产生激发的光子。
这些光子会被反射和放大，最终通过光输出窗口发射出来，形成激光。
根据半导体激光器的特点和应用需求，设计者需要考虑一系列的参数和技术。
首先，激光器的输出功率和效率是非常重要的参数。
通过控制材料的选择、结构的设计和电极的布局，可以实现高输出功率和较高的光-电转换效率。
其次，激光器的波长也是需要关注的参数，不同波长的激光器适用于不同领域的应用。
最后，温度和输出光的稳定性也是激光器设计中需要重点考虑的。
总结起来，半导体激光器的设计涉及材料的选择、结构的设计和电极的布局等多个方面。
通过合理的设计和参数选择，可以实现半导体激光器的高效和稳定输出。
随着半导体材料和制备技术的进一步发展，未来半导体激光器将在更广泛的领域发挥其重要作用。
半导体激光器 制造 封装
TO封装技术
❖ TO封装，即Transistor Outline 或者Throughhole封装技术，原来是晶体管器件常用的封装形式， 在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺 简单、成本低，使用灵活方便，因此这种结构广泛用 于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。 TO管壳内部空间很小，而且只有四根引线，不可能安 装半导体致冷器。由于在封装成本上的极大优势，封 装技术的不断提高，TO封装激光器的速率已经可以达 到 10Gb/s。
半导体LD的特点及与LED区别
特点：效率高、体积小、重量轻、 可 靠 ， 结构简 单 ； 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器 可选择的波长主要局限在红光和红外区域。
LD 和LED的主要区别 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)芯片，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。
2二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
DFB-LD
3一次光刻
❖ 一次光刻出双 沟图形
DFB-LD
4脊波导腐蚀
选择性腐蚀到四元 停止层
DFB-LD
5套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
DFB-LD
6三次光刻：电极图形
DFB-LD
7欧姆接触
半导体激光器的制作工艺、 封装技术和可靠性
目录
1.半导体材料选择 2.制作工艺概述 3.DFB和VCSEL激光器芯片制造 4.耦合封装技术
1.半导体激光器材料选择
❖ 半导体激光器材料主要选 取Ⅲ-Ⅴ族化合物（二元、 三元或四元），大多为直 接带隙材料，发光器件的 覆盖波长范围从0.4μm到 10μm。
半导体激光器的设计和工艺
半导体激光器的设计和工艺半导体激光器的设计包括器件结构设计和材料选择两个方面。
首先，器件结构设计是指设计半导体激光器的层状结构和电极形状。
层状结构通常由波导层、活性层和衬底层等部分组成。
其中，波导层用于引导激光的传输，活性层是激发发射激光的重要部分，衬底层用于支撑整个器件。
波导层通常采用半导体材料的异质结构，如GaAs/AlGaAs、InGaAsP/InP等。
其中，GaAs和AlGaAs在能带结构上存在能带差异，可以形成波导。
活性层通常采用单量子阱结构或双量子阱结构，以增强电子和空穴之间的相互作用，从而增强激光的放大效应。
衬底层通常采用GaAs或InP等材料，用于提供较好的机械支撑。
材料选择方面，要选择具有较大的发射系数和较小的损耗系数的半导体材料，以提高激光器的效率和输出功率。
此外，还要考虑材料的耐热性和稳定性，以确保激光器的长期可靠性。
半导体激光器的制备工艺主要包括光刻、沉积、腐蚀、蒸镀、扩散等步骤。
首先，光刻工艺用于制备掩膜，以定义器件的结构。
沉积工艺用于在衬底上生长各种半导体薄膜，如波导层和活性层。
腐蚀工艺用于去除不需要的材料，如形成窗口以便注入电流。
蒸镀工艺用于镀上金属电极。
扩散工艺用于调制材料的掺杂浓度，以改变电流传输和激发效果。
除了基本的制备工艺，还需要进行多种表征和测试工艺，以评估激光器的性能。
例如，光谱测试可用于测量激光器的波长和发光强度。
应变测试可用于评估激光器的应变效应和失谐效应。
温度测试可用于研究激光器的温度特性和热效应等。
这些测试结果将为激光器的优化和改进提供指导。
综上所述，半导体激光器的设计和工艺涉及器件结构设计、材料选择、制备工艺和测试工艺等多个方面。
通过合理的设计和优化的工艺流程，可以获得高性能的半导体激光器，以满足不同应用领域的需求。
《高功率980nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》范文
《高功率980 nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》篇一一、引言随着科技的进步，高功率半导体激光器在科研、工业、医疗等领域的应用越来越广泛。
其中，980 nm波段的半导体激光器因其独特的光学特性和应用价值，受到了广泛的关注。
本文将重点研究高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、外延结构设计1. 材料选择外延结构的设计首先需要选择合适的外延材料。
考虑到高功率、高效率及稳定性等要求，我们选择了一种高电子迁移率和高热导率的材料作为基底，以保证激光器的稳定运行。
此外，还通过选择适当的掺杂元素来提高内量子效率和减少电流散溢。
2. 结构分层设计针对高功率输出和良好光束质量的需求，我们将外延结构分为多层结构。
主要包括以下部分：基底层、反射镜层、多量子阱（MQW）结构层、欧姆接触层等。
其中，多量子阱结构层是关键部分，其设计直接影响到激光器的性能。
3. 特殊结构设计为了进一步提高激光器的性能，我们设计了一些特殊结构。
例如，采用渐变折射率层以减少光在传输过程中的损耗；在多量子阱结构中引入应力层以提高内量子效率；以及在欧姆接触层中优化电极设计以提高电流注入效率等。
三、性能研究1. 实验方法我们通过分子束外延技术（MBE）和金属有机气相沉积（MOCVD）等工艺进行外延生长，并利用光刻、干湿法刻蚀等工艺制备出激光器芯片。
然后通过测试其阈值电流、斜率效率、光束质量等参数来评估其性能。
2. 实验结果及分析实验结果显示，高功率980 nm半导体激光器具有良好的光束质量和低阈值电流等特点。
与传统的半导体激光器相比，其在光功率、效率和寿命等方面都有显著的优势。
同时，我们也观察到通过引入特殊结构的设计，激光器的性能得到了进一步的提升。
例如，渐变折射率层的设计显著降低了光在传输过程中的损耗；而优化电极设计则提高了电流注入效率，从而提高了激光器的输出功率。
四、结论本文研究了高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。
半导体激光器 工艺流程
半导体激光器工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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光通信中的半导体激光器设计与模拟
光通信中的半导体激光器设计与模拟激光器是光通信中不可或缺的关键元件，它能够将电信号转化为光信号，并将信号传输到目标地点。
半导体激光器是一种常用的光通信激光器，具有体积小、功耗低、调制速度快等优点。
在光通信领域中，半导体激光器的设计与模拟是至关重要的环节，可以帮助工程师们优化激光器的性能，提高通信系统的传输效率。
一、半导体激光器的基本原理半导体激光器是利用半导体材料电、光、热效应之间的相互作用进行工作的。
它由一个反射镜和一个半导体材料构成。
当施加正向电压时，电流通过半导体材料，激发电子从价带跃迁到导带，在导带中产生一对电子和空穴。
这些激发的载流子在材料中发生复合，产生辐射性复合过程，这就是激光的基本原理。
二、半导体激光器的设计在半导体激光器的设计过程中，有多个关键的参数需要考虑。
首先是选择合适的半导体材料，例如GaAs，InP等，这些材料的能隙决定了激光器的工作波长。
其次是设计激光器的结构，包括激光腔的尺寸、反射镜的反射率等。
最后是激光器的电路设计，包括反向偏置电压的选择、电流的控制等。
在设计过程中，需要通过模拟和仿真来确定各个参数的最佳取值。
光学仿真软件如Lumerical等可以模拟激光器的光学性能，如包括光场分布、增益特性、谐振频率等。
电子仿真软件如COMSOL等可以模拟激光器中的电子流动和载流子的复合，帮助优化电流和反向偏置电压的设计。
这些模拟和仿真的结果可以指导实际的激光器制造过程，提高激光器的性能和可靠性。
三、半导体激光器的模拟半导体激光器的模拟是设计过程中不可或缺的一环。
通过电磁场和电子流动的模拟，可以预测激光器的性能如输出功率、谐振频率等，并优化设计参数。
常见的模拟方法包括有限元方法、有限差分时间域法等。
有限元方法是一种广泛应用的模拟方法，可以用来求解激光腔中的光场分布和增益特性。
在这个方法中，激光腔被分解为一系列小的单元，然后通过求解波动方程和Maxwell方程来得到光场的分布。
此外，有限元方法还能模拟激光器中的电子流动和载流子复合等电学特性。
半导体激光器工艺
半导体激光器工艺半导体激光器工艺：发展、应用与挑战一、半导体激光器简介半导体激光器，也称为二极管激光器，是一种基于半导体材料激发特定波长光子的光电子器件。
自1960年代问世以来，半导体激光器以其高效、小型、灵活的特性在众多领域取得了广泛应用。
这些领域包括通信、显示、消费电子、生物医疗等。
二、制作材料与器件结构半导体激光器的制作材料主要包括三五族化合物，如GaAs（砷化镓）、InGaN（氮化铟镓）等。
这些材料具有直接带隙结构，便于实现高效的载流子注入和辐射复合。
器件结构方面，半导体激光器通常采用二极管结构，由两个端面反射镜和一个有源区组成。
有源区通常包含一个或多个量子阱，用于提供载流子并产生光子。
反射镜则用于形成共振腔，确保光子能在其中反复振荡并最终从输出端释放。
三、制造工艺流程半导体激光器的制造工艺流程包括以下几个阶段：1. 材料生长：通过液相外延、分子束外延等手段生长高质量的半导体材料；2. 制程工艺：在生长好的半导体材料上刻蚀微结构、镀膜等，以实现器件的特定功能；3. 测试与评估：对制作好的半导体激光器进行电学、光学性能的测试与评估，筛选合格的产品。
四、技术原理和特点半导体激光器的工作原理基于PN结的注入锁定效应。
当电流通过PN 结时，载流子从P区注入N区，通过外部反馈系统形成正反馈，使电流进一步增加。
当电流超过阈值时，载流子在PN结处产生光子，形成激光输出。
与其他类型激光器如气体激光器、光盘激光器相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、速度快等优点。
同时，由于其直接输出光的特性，半导体激光器还具有无需光学系统进行转换或放大等优势。
五、应用领域和案例分析半导体激光器的应用领域非常广泛。
在通信领域，半导体激光器被用于光纤通信中，作为泵浦源或信号源。
在显示领域，半导体激光器可以用于制造高亮度、高分辨率的显示器。
在消费电子领域，半导体激光器被用于CD、DVD等光盘驱动器和激光打印机等设备。
以光纤通信为例，半导体激光器作为泵浦源，能够将能量转化为光能，并通过光纤传输到远端。
半导体激光器生产工艺
半导体激光器生产工艺
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光放大的器件。
这种器件广泛应用于通讯、医疗、制造等领域。
在生产半导体激光器时，通常要经过以下几个步骤：
1. 材料生长
半导体激光器的材料通常使用InP或GaAs等半导体材料。
在生产过程中，首先要对这些材料进行生长。
生长方法包括气相外延和分子束外延等。
2. 制备芯片
半导体激光器的核心是激光波导芯片。
一般来说，制备激光波导芯片需要进行光刻、蚀刻等工艺，在材料表面形成特定的结构和薄层。
这些结构和薄层的尺寸和位置都会影响激光器的性能。
3. 设计和制造器件
生产半导体激光器的过程中需要设计和制造器件。
这些器件包括激光二极管、反射镜、光栅等部分。
这些部分都需要高精度加工才能保证器件的稳定性和性能。
4. 装配
制造好各个器件之后，需要进行装配。
装配包括将芯片、反射镜等部分进行精确的对准和组装。
5. 测试和性能检测
生产出的半导体激光器需要进行测试和性能检测。
这些测试包括波长测试、输出功率测试、频率响应测试等。
只有通过严格的测试和性能检测，才能保证半导体激光器拥有稳定的性能和可靠的质量。
在半导体激光器的生产过程中，每一个步骤都需要经过精密的设计、制造和检测，才能保证最终产品的质量。
随着新材料、新工艺的不断研发，半导体激光器的生产技术也在不断提高，为各行各业带来更多的创新和应用。
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。
半导体激光器原理及结构设计
电流，则电子扩散进P+区。要达到受激，必须增大注入电流。
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
垂直方向结构设计思想：
从第一只半导体LD的性能来看，要获得应用必须进行结构 设计。垂直方向的结构设计的目的：
降低阈值电流密度Jth； 实现室温下工作； 实现连续注入电流下工作。
p-Ga1-xAlxAs
p-GaAs p-G衬a1-底yAnly-AGsaAs n-Ga1-xAlxAs 衬底n-GaAs
MQWs
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
量子阱结构LD —量子阱LD的特性
（1）低的Jth 阱内具有相对高的态密度，容易形成粒子数分布反转。 如：GaAlAs/GaAs MQWs LD： Jth ~ 43A/cm2。 DH LD： Jth ~ 500A/cm2
（2）除受有源区Eg控制外，还随阱宽变化 ——可通过改变阱宽在小范围内选择工作波长。
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
量子阱结构LD —量子阱LD的特性
超晶格带的能量随d的减小而增大，d变小，超晶格带之间的跃迁复 合发射光的能量增大，波长变短。
CB
超晶格带的能量 EExEy2 m 2 d22n2Ey,z
CB
d20nm：有源区内的非平衡载流
E3 E2
子大部分聚集在较低的能量状态；
E1
载流子的复合主要发生在阱内；
其发光波长由有源区（GaAs阱） 中的能级状态决定。
VB
n-GaAlAs
Ehh1 Ehh2 Elh1 Ehh3
p-GaAs p+-GaAlAs
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
半导体激光器的设计理论一精
2005-6-10
超晶格与多量子阱
31
2005-6-17
k ■ p微扰与Kane理论
32
2005-6-24
Lutti nger-Kohn理论
33
2005-7-1
光跃迁的爱因斯坦理论
34
2005-7-8
均匀半导体带间光跃迁
35
2005-7-15
半导体量子阱中的带间光跃迁
36
2005-7-22
杂质-能带和杂质-杂质间的光跃迁*
23
2005-4-22
高斯光束、突变-缓变、延伸截断
24
2005-4-29
非内建波导、载流子分布的作用
25
2005-5-6
非平面波导
26
2005-5-13
分布反馈结构-耦合波理论
27
2005-5-21
r分布布拉格反射结构、
28
2005-5-27
VCSEL
量 子 跃 迁 理 论
29
2005-6-3
量子阱与三角阱
4
2004-10-22
§2激射延迟、激光过冲、张弛振荡
5
2004-10-29
速率方程意义下的模式竞争
6
2004-11-5
§3.1小信号调制A（微分方程法-单模）
7
2004-11-12
§3.2小信号调制B（代数法-单模及多模）
8
2004-11-19
等效模数和等效总自发发射因子
9
2004-11-26
[§4.1大信号调制（解析法-基波双稳态）
*可删节
或后续
37
2005-7-29
第二类量子阱的光跃迁*
38
半导体激光器封装技术及封装形式
半导体激光器封装技术及封装形式半导体激光器的概念半导体激光器是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，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。
常用工作物质有砷化镓（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在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。
半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）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。
半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
半导体激光器的封装技术一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。
例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导。
高功率半导体激光器的研发和应用
高功率半导体激光器的研发和应用一、引言高功率半导体激光器（HP-SLD）是一种新型的光源，不仅具有高能量、高功率、高光强，能够提供高质量的光束，而且具有良好的稳定性和可靠性，广泛应用于医学、测量、工业制造等领域。
本文主要介绍高功率半导体激光器的研发和应用。
二、高功率半导体激光器的研发1. 材料高功率半导体激光器的材料通常采用Ⅲ-Ⅴ族的半导体材料，如氮化镓（GaN）、氮化铝镓（AlGaN）和磷化铝镓（AlGaInP）等。
这些材料具有高晶格不匹配度、大面密度缺陷和高电阻率等特性，因此需要通过外延生长、薄膜制备、离子注入等技术来制备高质量材料。
2. 结构设计高功率半导体激光器的结构通常采用可调谐反射镜（DBR）、光栅耦合器（GRIN-SCH）、负折射区（RR负折射区）等设计，以实现高质量的光束输出和高效率的光电转换。
其中，DBR能够实现连续的波长调谐，GRIN-SCH能够实现高效的光电转换，RR负折射区则能够提高激光器的功率输出和稳定性。
3. 工艺制备高功率半导体激光器的工艺制备通常包括晶圆制备、薄膜生长、雕刻、注入等工艺过程。
其中，晶圆制备是整个工艺过程的关键，包括选择合适的基片、生长高质量的材料、控制材料的厚度和杂质浓度等。
此外，注入技术也是实现高功率激光器的重要手段，包括电注入、光注入等。
三、高功率半导体激光器的应用1. 医学高功率半导体激光器在医学领域的应用主要体现在激光手术、皮肤治疗、癌症治疗等方面。
其具有高质量的光束、准确的聚焦能力和高能量密度等特点，能够对人体组织进行精细的切割和燃烧作用，达到治疗的效果。
2. 工业制造高功率半导体激光器在工业制造领域的应用主要体现在材料加工、激光印刷、激光电视等方面。
其具有高速、高精度、高效率等特点，能够提高生产效率和产品质量，降低生产成本。
3. 测量在测量领域，高功率半导体激光器的应用主要体现在激光雷达、激光测距、激光扫描等方面。
其具有高效、高精度、高稳定性等特点，能够提高系统的精度和可靠性，适用于测量各种土地、建筑物、交通工具等。
半导体激光器原理及结构设计1
➢相干性好
➢ 高亮度 由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通 光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。
子数Ne大于吸收的光子数Na。在热平衡状态被破坏的情况下，要引入导带
准费米能级EFn和价带准费米能级EFp：
1 fc(E)e(EEFn)/kBT1
fv(E)e(EEFp1)/kBT 1
进一步推导得到，为了实现电子数分布反转，则要求：
EFn- EFp> Ec- Ev= Eg
振荡放大过程
尽管开始时多个方向的波都 有，但终究有少量方向、频率、 相位与腔体所能容许的光波完全 一致，这一部分光波就会发生干 涉而加强，所对应的光子在腔内 共振，出现正反馈，使自发发射 过程转变为受激发射的过程。
激光介质的基本工作模式
激活介质的四能级系统：如上图（b）所示，E0为基态， E1 、E2 和E3为激发态，其中E2为亚稳态，E1和E3能级寿命很短。在泵浦作 用下，基态粒子被“抽运”到激发态E3上，E3态粒子极快地无辐射 跃迁到了亚稳态E2 能级，同时E1能级寿命也很短，其上粒子也极快 跃迁到了基态。而E2 态相对稳定，粒子寿命较长，因此很容易在E2 能级和E1能级间形成粒子数反转。
器件结构
解理面
P-N结
基本结构：pn结+谐振腔（抛光镜面或解理面围成的有源区）
实现激光输出必须满足的条件
电子的分布反转 振荡放大、有增益
电子数分布反转
在热平衡条件下，电子处于能量为E的状 态的几率f(E)由费米—狄拉克分热平衡条件下，电子基本处于价带，而导带几乎是空的。
半导体激光器
决定因素
蓝光DVD半导体激光器半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材 料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着 一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带 跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。材料科学的发展使我 们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情， 也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。
工作原理
根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带 分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。
一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓） 比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。
进入21世纪后，半导体激光器的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙半导体激光器光效已达 到100Im/W，绿半导体激光器为50lm/W，单只半导体激光器的光通量也达到数十Im。半导体激光器芯片和封装不 再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格 缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强半导体激光器内部产生光子出射的几率， 提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方 向。
损耗关系
激光器的腔体可以有谐振腔和外腔之分。在谐振腔里，激光器的损耗有很多种类，比如偏折损耗，法布里珀 罗谐振腔就有较大偏折损耗，而共焦腔的偏折损耗较小，适合于小功率连续输出激光，还比如反转粒子的无辐射 跃迁损耗（这类损耗可以归为白噪声）等等之类的，都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不过就是能让激光器起 振的电流，谐振腔长短的不同可以使得阈值电流有所不同，半导体激光器中，像边发射激光器腔长较长，阈值电 流相对较大，而垂直腔面发射激光器腔长极短，阈值电流就非常低了。这些都不是一两句话可以说的清楚的，它 们各自的速率方程也都不同，不是一两个式子能解释的。另外谐振腔长度不同也可以达到选模的作用，即输出激 光的频率不同。
半导体激光器设计
半导体激光器设计半导体激光器是一种通过半导体材料的自发辐射得到激光的器件。
它具有小型化、高效率、低功耗等特点，广泛应用于通信、医疗、雷达、显示、光存储等领域。
在半导体激光器的设计过程中，需要考虑到激光器的材料选择、结构设计、光学设计和电子设计等方面的问题。
首先，半导体材料的选择非常重要。
典型的半导体材料包括GaN、GaAs、InP等。
不同的材料具有不同的波长范围和能带结构，选择合适的材料可以满足特定的应用需求。
例如，GaN材料适用于蓝光激光器的制作，而InP材料适用于红外激光器的制作。
除了材料本身的选择，还需要考虑材料的生长工艺和掺杂技术等方面的问题。
其次，结构设计是半导体激光器设计过程中的关键一环。
常见的结构包括边沿发射结构和垂直腔面发射结构。
边沿发射结构将激光垂直引出，适用于高功率的应用场景。
垂直腔面发射结构将激光平行引出，适用于低功率的应用场景。
结构的设计需要考虑到激光器的电流注入情况、光学耦合效率和波导损耗等因素。
第三，光学设计是半导体激光器设计中的另一个重要方面。
激光器的光学设计包括谐振腔设计和输出耦合设计。
谐振腔设计决定了激光的模式和波长，可以通过选择合适的镜子和设计合适的腔长来实现。
输出耦合设计决定了激光从激光器中输出的效率和方向，可以通过设计透镜或光纤耦合来实现。
光学设计需要考虑到器件的发射效率、光学损耗和耦合效率等因素。
最后，电子设计是半导体激光器设计中不可忽视的一部分。
电子设计包括电流源设计和温度控制设计。
电流源设计需要提供恒定的电流源来驱动激光器，在电流的调制和控制方面需要考虑稳定性和响应时间等因素。
温度控制设计需要保持激光器的工作温度稳定，可以通过热沉设计和温度传感器等手段来实现。
在半导体激光器设计的过程中，需要综合考虑材料选择、结构设计、光学设计和电子设计等方面的问题。
同时，也需要进行器件的制备和测试，对设计的结果进行验证和优化。
随着技术的进步和需求的不断增长，半导体激光器的设计将越来越重要，推动着激光技术的发展和应用。
半导体激光器的设计
半导体激光器的设计半导体激光器是一种使用半导体材料作为激光介质的激光器。
它具有结构简单、体积小、效率高和成本低的优点，被广泛应用于通信、医疗、显示和材料加工等领域。
在设计半导体激光器时，需要考虑激光器的结构、材料、工艺和调谐等方面。
首先，半导体激光器的结构包括活性区、波导和光臂。
活性区是半导体材料的关键部分，通过注入电流激发电子和空穴的复合发射激光。
波导则用于引导激光光束的传播，通常采用宽带隔离层增加光学反射并阻止光的漏耗。
光臂用于使激光束能够从激光器输出。
因此，在设计过程中需要优化活性区的尺寸和形状，选择合适的波导材料和结构，以及确定合适的光臂尺寸。
其次，半导体激光器的材料主要是III-V族化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。
这些材料具有优良的电子结构和光学性能，可实现高效的电-光转换效率。
在设计过程中，需要选择合适的材料以满足应用的需求，并结合其能带结构和光学特性进行设计。
第三，半导体激光器的工艺包括材料的生长、器件的制备和封装。
材料的生长通常采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）等技术，以实现高质量的半导体材料。
制备器件时，需要采用光刻、蚀刻、金属沉积和多次真空封装等工艺步骤。
这些工艺对激光器性能的稳定性和可靠性有很大影响，因此需要制定合适的工艺流程并进行严格的工艺控制。
最后，半导体激光器的调谐技术是其另一个重要设计方面。
调谐技术可以改变激光波长，实现光源的多样化应用。
目前常用的调谐技术包括温度调谐和注入电流调谐。
温度调谐通过改变器件的温度来调整激光波长，注入电流调谐则通过改变注入电流的大小来实现。
还有一些其他调谐技术，如光栅调谐、可移动镜片调谐和外部光场调谐等。
在设计中需要综合考虑不同调谐技术的优劣，以及应用的需求来选择合适的调谐方式。
综上所述，半导体激光器的设计涉及结构、材料、工艺和调谐等方面的考虑。
通过合理设计和优化，可以实现高效、稳定和可靠的半导体激光器，满足各种应用的需求。
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动态单模所需的模式间的损耗差
短腔激光 器纵模谱 VCSEL纵模谱
13
各种DFB激光器的结构
解决折射率藕合的DFB激光器的双模问题: (a)高反和增透 膜，(b) λ/4位移，(c)相位调制。(d)(e)抑制空间烧孔实现窄 线宽。采用增益藕合DFB更容易实现单模
14
与SOA和EA调制器集成的多波长DFB激光器阵列
5
五.半导体激光器的基本工艺和特性
1.半导体激光器的工艺过程 2.激光器微分特性 3.激光器寿命 4.激光器阈值电流的温度特性
6
一. 半导体激光器的基本结构
• 1.半导体双异质结构
双异质结构实现： 1. 载流子的超级注入 2. 光场限制 3. 载流子限制
(a) 单面注入和超级注入 (b)电场下电子的漂移 (c) 电子和光限制 (d)隧穿
• 1. 平板波导的模式，TE和TM模
X
二维（x-z）波导中波函数
φ (x, z,t) = φ (x) exp(iβz − iωt) ,
φ (x, z, t)代表电磁场的各个分量,
不为零的场分量：
j 层 折射率nj 增益gj 厚度dj
TE 模： Ey(x, z, t)，Hx(x, z, t) and Hz(x, z, t) TM 模： Hy(x, z, t), Ex(x, z, t) and Ez(x, z, t). 满足方程
三.半导体中的光跃迁和增益
• 1. 费米分布函数及跃迁速率 • 2. 电子波函数及跃迁矩阵元 • 3.简约态密度及增益谱 • 4.模式的自发辐射速率 • 5.应变量子阱的能带和增益谱数值结果 • 6.能带，跃迁矩阵元和增益谱数值结果 • 7.增益谱峰值的近似表达式
4
四. 速率方程和动态效应
• 1．单模速率方程及基本物理量 • 2．稳态输出 • 3. 共振频率和3dB带宽 • 4. 载流子输运效应对带宽影响 • 5. 开启延迟时间 • 6. 线宽增宽因子和动态频率啁啾 • 7. 自发辐射引起的噪声 • 8. 相对强度噪声 • 9. 模式线宽 • 10. 多模速率方程
7
第一个室温连续的电注入双异质结构半导体激光器(1970 年)以及半导体激光器阈值电流密度随时间的变化
• 1970年第一支RT-CW GaAs/AlGaAsDH LD:
Z. Alferov, IEEE J.STQE, vol. 6, p.832(2000)
(第一支RT-CW 1.5µm GaInAsP/InP LD, JJAP, vol.18, p.2333,1979)
• 激光器类型 调谐机制
优点
缺点
供应商
• DFB激光器 Uniphase
•
温度
波长稳定
低输出功率
Nortel, JDS
工艺成熟
调谐范围有限低速 Fujitsu
• DBR激光器 •
Uniphase •
MultiplexN
温度 电流
高输出功率 成品率
ADC,Agere,Agility
快速
尺寸,低输出功率 Alcatel, JDS
GaInNAs InAs InSb
-2
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Lattice constant (A)
28
不同类型的半导体异质结构
量子级联激光器 (AlInAs/GaInAs )
F. Capasso, IEEE J. STQE, vol. 6, p.931(2000)
29
二. 半导体光波导
K.Kudo, IEEE PTL, vol. 12, p.242(2000) 15
分布布拉格反射器(DBR) 激光器(布拉格 反射区是无源的)
垂直腔面发射激光器 (VCSEL):平面工艺制作，不 要解理端面，对称的远场光 束，窄线宽，易于光纤藕合
16
6. 波长可调谐半导体激光器
• 波长可调谐半导体激光器的技术选择
宽调谐范围 波长不稳定
Marconi,
• 外腔激光器 Iolon,
• •
机械 电流
宽调谐范围 成本高
高输出功率 环境敏感
光谱纯
低调谐速度
New Focus, Blue Sky
• VCSEL
机械
成本低
低输出功率
17
Bandwidth9,
可调谐半导体激光器结构示意图
18
可调谐DBR激光器波长随温度的变化及用电调制保持变温时 波长不变
21
激射波长的调节
R.O’Dowd, IEEE J-STQE, vol.7, p.259(2001)
22
微机电调谐VCSEL
C.J.Chang-Hasnain, IEEE J.STQE, vol.6,p.978(2000)
23
7.长波长VCSEL的进展
A. Karim et al, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1244(2000)
8
2.Fabry-Perot谐振腔(纵模)
• r1r2exp(i2βl+gl)
exp(iβl+gl/2)
r1
l
r2
r1r2exp(i2βl+gl)=1
阈值条件: r1r2exp(gl)=1 谐振条件: 2βl=2mπ (m纵模数, β=2πn/λ )
r2exp(iβl+gl/2)
⇒纵模间隔 δλ=λ2/(2ngl) 群折射率 ng=n-λdn/dλ一般比折射率 n大20~30% 在GaAs和InGaAsP 双异质结边发射激光器中ng=4~4.5
2
二.半导体光波导
• 1. 平板波导的模式，TE和TM模 • 2. 光限制因子和模式增益 • 3. 一维多层波导结构(VCSEL)光场分布 • 4. 半导体激光器镜面反射系数 • 5. DFB激光器的藕合模理论 • 6. DFB半导体激光器的一维模拟 • 7. 等效折射率近似 • 8. 数值模拟
3
J.K.Hwang,IEEE PTL, vol.12,p.1293(2000)
Opening length
Output waveguide
ETR
Active region
Electrode
Substrate
Y.Z. Huang et al, IEEE J.QE, vol. 37, p.100, p.1259(2001)
远场分布（近场的衍射）：
U(θ )
=
cos2θ λ2R2
∫φ(x)exp(ik0 sinθx)dx 2
32
2.光限制因子和模式增益
• 复传播常数β =βr + iβi ，模式折射率 N = βr/k0,
• 模式增益
G = - 2βi.
• 传统的光限制因子定义为限制在有源区中的功率流的比
例 在
，有即源E区y(中x)的Ey*的(x比)（例T,E模下）面和的
11
4.横模控制
• 对边发射激光器横模是生长方向的模式分布，各层厚度可以由材
料生长所控制，很容易实现基横模工作。在这一维度上的控制主
要是载流子和光场限制，以及得到小的远场发散角以利光纤耦合。
大的光场限制（降低阈值）和小的远场发散角必须折衷选择。
I PiN
Ec
Ec
Ev
Ev
Eg
n
Ec
光场 分布
双异质结(DH)
9
3. 侧模控制(基侧模)
电极 氧化物 P-限制层 有源层 N-限制层
(a)
质子轰击区
(b)
非自建的增益波导，即光波导是由注入载流子形成的增益空间分布 构成的：(a)氧化物只在电极处限制电流注入； (b)质子轰击在半导体 中形成电流注入通道。
10
电隔离的氧化 物或有机物
(c)
(d)
P外延层 N外延层 P外延层
ΓHTyM(x对)H应y*E(x(xx))E(Tx*M(x模)）
（TM模）。
• 从模式增益(设有源区外其它各层增益为零）出发，定
义限制因子为γ = G/gi：
2
γ TE
=
∫inr (x) Ey (x) dx N ∫−∞∞ Ey (x) 2 dx
=
n0 N
ΓTE
,
γ TM
=
N ∫inr (x)[ Ex (x) 2 + Ez (x) 2 ]dx ∫−∞∞ nr2 (x) Ex (x) 2 dx
24
长波长VCSEL的DBR材料选择
1550-nm VCSEL 的DBR峰值反 射系数与DBR周期数的关系
热阻κ1和κ2（W/cmK)
25
8.微腔激光器和光子晶体
A. Yariv, IEEE J. STQE, vol. 6, p.1478(2000)
M.Fujita et al IEEE J. STQE, vol. 5, p.673(1999)
19
电注入调谐DBR半导体激光器的典型结果: 波长变化 是不连续的，有跳模发生
T.L.Koch et al, APL, vol.53, p.1036(1988) 20
Superstructure-grating DBR lasers (NEL)
（e-beam, low power)
调制电流 迭加一起的输出光谱
0.01µm
d
d (µm) 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 Γ (%) 0.94 1.42 1.75 1.69 1.54
Squared Electric Field Far Field Distribution
1.6
0.2µm
1.4
1.2
d=0.1mm
0.3µm 0.4mm
1.0
0.8