半导体激光器的模式
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。
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
2
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。
30
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。
半导体激光器的原理及其应用PPT
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。
半导体激光器原理及应用
激光器的单纵模工作条件
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。
从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使 激光器单模工作。
以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边 模抑制比
1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗 3）热载流子的泄露
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p
激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
/ )2
式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度； n1为限制层的折射率；λ为激射波长
理想的高斯场分布
半导体激光器的光束发散角
显然，当d很小时，可忽略上式分 母中的第二项，有
4.05(n22 n12 )d
可见，ө随d的增加而增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直
归一化输出与调制频率的关系
半导体激光器的动态特性
张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率， 为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：
1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡 周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。
半导体激光器的原理及其应用
详细描述
在激光雷达中，半导体激光器发射出脉冲激光， 通过测量返回的时间差或相位差来计算目标物体 的距离和位置信息。
应用优势
半导体激光器具有高效率、高重复频率、调制速 度快等优点，能够实现高精度、高分辨率的测距 和成像。
发展趋势
随着自动驾驶、无人机等领域的快速发展，激光 雷达的需求不断增加，半导体激光器的性能和可 靠性也在不断提升。
详细描述
在光纤通信中，半导体 激光器作为信号源，通 过调制产生的光信号在 光纤中传输，实现信息 的快速、远距离传输。
发展趋势
随着5G、物联网等技 术的发展，光纤通信的 需求不断增加，半导体 激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
激光雷达中的半导体激光器
总结词
激光雷达是实现高精度测距和三维成像的重要手 段，而半导体激光器则是其关键组件之一。
第 性半 导 体
二激 光 器
章
的 结
构 与
特
异质结结构与性质
异质结的特性对于半导体激光器的 性能具有重要影响，例如阈值电流 密度、输出功率和波长稳定性等。
异质结是由不同带隙的半导体材料 结合而成的结区，其能级结构可以 提供载流子的注入和输运机制。
在异质结中，由于不同材料的晶格 常数和带隙的差异，会产生晶格失 配和能带弯曲，从而影响载流子的 传输和分布。
波导结构与 模式特性
波导结构的参数，如折射率、宽度和厚度等，对输出光的 模式、发散角和光谱特性有重要影响。
波导的作用是限制光子的传播方向，并控制光束的形状和 大小，从而影响输出光束的质量和模式特性。
波导结构是半导体激光器中限制光子传播的结构，通常由 有源层、限制层和衬底组成。
温度与光束质量
为了获得更好的光束质量，需要对激光器的温度进行精确控制，以 保持其性能的稳定性和可靠性。
光纤通信原理第二章3 半导体激光器的模式特性
§3.2 激光器的横模
横模表示与谐振腔方向垂直的光场的 分布. 垂直横模：垂直于PN结方向的场分量 水平横模：平行于PN结方向的场分量
横模的分布决定了光场的空间分布,影 响了器件和光纤的耦合效率.
要求激光器工作在基横模.
近场光斑
远场光场分布
近场光斑
远场光场分布
问题：
光与物质相互作用的三个物理过程？指出半导 体激光器、发光二极管和光电探测器的工作原 理各建立在哪个作用的基础上 ？ 光纤通信系统对于光源的要求？ 半导体激光器的温度特性表现？ 已知某 LD 的特征温度为720K（开氏温度）， 而且在200C 时，阈值电流 Ith =16 mA；求在 700C时该LD的阈值电流。
光
激光器在不同注入电流下的发射光谱 与输出功率
2 纵模间隔
在谐振腔里建立起稳定振荡的相位 条件为:
2 L = 2q
q = 1,2,3
2nL = q
q = 2nL
对波长求导，有：
性质
■纵模数目随注入电流而变 ■峰值波长随温度变化 ■动态谱线展宽
§3 半导体激光器的模式特性
横模表示谐振腔横截面上场分量的 分布形式
纵模表示在谐振腔方向上光波的振 荡特性—激光器的光谱特性
P
Threshold
P peak
I
§3.1激光器的纵模
1 纵模的概念 激光器的纵模反映激光器的
光谱性质。 • 当注入电流低于阈值时，光谱是
自发辐射谱，光谱较宽 • 当注入电流高于阈值时，输出激
温度变化导致 光谱中心波长
偏移
调制电流变化导致 动态谱线展宽
注入电流 变化
载流子浓度 变化
折射率
动态谱线 展宽
RFL-A200D 光纤输出半导体激光器使用说明书
RFL-A200D光纤输出半导体激光器使用说明书（小型化）1安全信息感谢您选择武汉锐科RFL-A200D光纤输出半导体激光器系统，本用户手册为您提供了重要的安全、操作、维护及其它方面的信息。
故在使用该产品之前，请先仔细阅读本用户手册。
为了确保操作安全和产品运行在最佳状态，请遵守以下注意和警告事项以及该手册中的其他信息。
1.1安全标识◆可能造成严重的人身伤害甚至危及生命安全。
◆可能造成一般的人身伤害或者产品、设备的损坏。
1.2激光安全等级根据国标GB7247.1，条款9，该型号激光器属于4类激光仪器。
该产品发出波长在915nm或915nm附近的激光辐射，且由输出头辐射出的光功率为200W。
直接或间接的暴露于这样的光强度之下会对眼睛或皮肤造成伤害。
尽管该辐射不可见，光束仍会对视网膜或眼角膜造成不可恢复的伤害。
在激光器运行时必须全程佩戴合适且经过认证的激光防护眼镜。
◆在操作该产品时要确保全程配戴激光安全防护眼镜。
激光安全防护眼镜具有激光波长防护选择性，故请用户选择符合该产品激光输出波段的激光安全防护眼镜。
即使佩戴了激光安全防护眼镜，在激光器通电时（无论是否处于出光状态）也严禁直接观看输出头。
1.3安全标识这些安全标识包括：安全警示、激光输出头警示、产品认证、产品铭牌等，如表1所示。
表1安全标识1：激光辐射危险2：激光输出头警示标识（英文）3：激光输出头警示标识(中文)4：4类激光产品标识（英文）5：4类激光产品标识(中文)6：2M类激光产品标识-1mW红光（英文）7：2M类激光产品标识-1mW红光8：强电危险9:激光器铭牌(中文)1.4光学安全激光输出头镜片若有灰尘将会在出光时导致镜片烧毁。
◆请勿在激光输出头保护帽未打开的情况下输出激光，否则将造成激光器输出头镜片或晶体烧毁。
1.5电学安全请通过电源线中的PE线将产品接地，且保证接地牢固可靠。
◆产品接地断开会造成产品外壳带电，将可能导致操作人员人身伤害。
半导体激光器原理及应用
(IEg
Pex / e) I 2rs
外微分量子效率
外微分量子效率定义为输出光子数随注入的电子数增加的比率，
考虑到hv=Eg=eVb,有
D
dP / hv dI / e
dP dI
1 Vb
而其中的 s ( dP / dI) 定义为斜率效率：
s
(I
Pex Ith )Vb
在实际测量中，s 由下式得出
半导体激光器等效电路
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 电功率转换为了热量，引起激光器的升温。这会导致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，严重影响器件的寿命。 解决办法：
与工作在直流状况的半导体激光器不同，在直接高速调制情况下会出现一些有 害的效应，成为限制半导体激光器调制带宽能力的主要因素。
一、张弛振荡与类谐振现象 数字信息（以0或1编码）直接调制的半导体激光器，如果电流突然上升到
高电平，在电流脉冲前沿与被其激励的光之间会有一个时延，所产出的光需经 一个张弛过程才能达到稳态。
（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子h 相同。 （c）受激吸收：原子接收辐射能 h 从基态能级E1越入受激能级E2。 产生激光的必要条件：受激辐射与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频 率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。
阈值特性
阈值是所有激光器的属性，标志着增益与损耗的平衡点。
阈值常用电流密度Jth或者电流I表示。
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。
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激光器是一种能够产生高度聚焦的、单色、相干光的装置。
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其发光原理和工作原理是通过电子在半导体材料中的能带结构和激发机制来实现的。
一、半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构是理解半导体激光器发光原理的关键。
半导体材料的能带包括价带和导带，两者之间的能隙称为禁带宽度。
在常温下，半导体材料的价带通常被填满，而导带则是空的。
当外界施加电场或者光照射时，电子可以通过吸收光子或者受到电场加速而跃迁到导带中。
二、激发机制半导体激光器的工作原理是通过电流注入和电子-空穴复合来实现的。
1. 电流注入半导体激光器是通过将电流注入到半导体材料中来激发电子的。
当正向电流通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带中，形成电子空穴对。
这些电子空穴对在材料中逐渐扩散，最终会萃在PN结附近。
2. 电子-空穴复合当电子和空穴相遇时，它们会发生复合反应，释放出能量。
这个能量以光子的形式发射出来，形成激光。
由于半导体材料的能带结构和能隙宽度的设计，电子和空穴的复合过程会产生相干的光，从而形成激光束。
三、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理可以分为连续工作和脉冲工作两种模式。
1. 连续工作模式在连续工作模式下，半导体激光器通过不断注入电流来保持激光的连续输出。
当电流注入到半导体材料中时，电子会从价带跃迁到导带中，并与空穴发生复合反应，释放出激光光子。
这些光子会在激光腔中来回反射，激发更多的电子跃迁并产生更多的激光光子。
最终，激光光子通过激光输出端口输出。
2. 脉冲工作模式在脉冲工作模式下，半导体激光器通过调制电流的脉冲宽度和频率来产生脉冲激光。
当电流注入到半导体材料中时，电子和空穴的复合反应会形成瞬时的激光光子。
通过控制电流脉冲的宽度和频率，可以调节脉冲激光的强度和重复率。
四、半导体激光器的应用半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工、显示技术等领域。
半导体激光器的模式及特性
伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
2. P-I 特性
P-I 特 性 揭 示 了 LD 输 出 光 功 率 与注入电流之 间变化规律， 是 LD 最 重 要 的 特性之一。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 (a) 功率效率
I/mA
P/mW P/mW
1.3 1~2
1.55 1~3
阀值电流 Ith/mA 工作电流
输出功率 入纤功率
20~30
30~60 100~150 100~150
1~3 0.1~0.2 30~100 30×120
5~10 1~3
5~10 1~3
1~5 0.1~0.3 50~150 30×120
调制带宽 B/MHz 辐射角 寿命 t/h
时挤压度较大，增加断边、边跳花等疵点。
• 梭子不易打到头，造成下次投梭力不足而轧梭。
• 梭子速度太低，纬纱张力不足，造成无故纬停，
甚至梭子碰撞纬纱叉。
（2）投梭力过大 • 梭子出梭口时间早，出梭口时挤压度小，断 边、跳花等疵点较少。 • 增加动力和机物料的消耗，增加织机的振动 和噪声，投梭机构容易因部件松动和损坏而 出现故障。 • 梭子回跳量增加，造成下一次投梭力不足而 轧梭。若制梭力也较大，则梭子进梭箱时易 产生脱纬和纬崩。 粗特纬纱和直接纬更容易发生脱纬和纬崩。
o o 0 40 80 角度 垂直于结平面方向
o 10 TEM 00 S ~m W ~m
40
o
o
40
o
20
o
0 角度
20
o
40
o
激光器的近场图案和远场光斑
半导体激光器简介
（2）杂质半导体
* n 型半导体 外场
E
当四价的元素中 掺入少量五价元 素时形成n 型半导体。如：硅中掺入 杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能 级位于导带底附近（称为施主能级）。 一般温度下，杂质的价电子很容 易 被激发跃迁至导带，成为导电电子， 使导带中的电子浓度大大增加。 n 型 半导体以电子导电为主。
典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线
•
•
2、P-I特性 P-I 特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律， 因此是激光器最重要的特性之一。
典型的激光器P-I曲线
• 由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，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，半导体激光器发射普通的荧光，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，半导体激光器发射 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）。 • P-I 特性曲线决定了一系列半导体激光器参数与特性：
反向连接
正向连接时，P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N 结， 形成P N的 正向宏观电流。
反向连接时，P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N 结。故 P-N结具有单 向导电的性能。
半导体异质结的发光与吸收
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，称为受激 辐射。
半导体激光器
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，
1. 受激辐射和粒子数反转分布
2. 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的 效应，
3.
在物质的原子中,存在许多能级,最低能级E1
称为基态,能量比基态大的能级Ei i=2, 3, 4 … 称
为激发态， 热力学平衡状态下,在较低能级上比
较高能级上存在较多的电子
4. 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态 之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收 本征吸 收 自发辐射 受激辐射
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
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
增益区 作用区 的产生：
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,可以用它产生
激光原理-第四章 半导体激光器
第二节 激发与复合辐射
若掺杂原子比材料原子少一个电子,则附加能级接近 价带,其上的空穴很容易进入价带,使价带中出现大量 过剩空穴,这种材料称为p型材料,而杂质称为受主。
掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流 子。 P掺杂三价元素（杂质），载流子主要是空穴，而杂 质称为受主 N掺杂5价元素（杂质），载流子主要是电子,而杂质 称为施主 p型材料和n型材料接触时形成pn结,
式中,kpn 为声子波矢,k pn 一般比k小1个量级左右。
初态与末态相应于k空间不同点的电子跃迁称为非 竖直跃迁或间接跃迁。在这种跃迁中,发射或吸收一 个光子的同时,必须伴随发射或吸收一个适当波数的 声子,以满足动量守恒,因而属于二级过程。其几率比 属于一级过程的纯光跃迁小得多,故不适合用于激光 发射。
E
导带 Eg
满带
半导体的能带
第一节半导体的能带结构和电子状态
二、半导体中的电子状态 用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定 鄂方程实现的。然而,由于固体中所含原子数量极大,对每个电 子求解薛定鄂方程是根本不可能, 只能采取某种近似的方法:
其相应的能量本征值为
h2k 2 E V 2me
1．满带（排满电子）(价带) 2．价带（价电子能级分离后形成的能带,能带中一部分能级排 满电子） 3. 导带 （未排满电子的价带） 3．空带（未排电子） 空带也是导带 4．禁带（不能排电子）
第一节半导体的能带结构和电子状态
半导体材料Si和Ge为例,每个原子有4个价电子,在原子状态中s态 和p态各2个。 由轨道杂化重新组合的两个能带中各含２Ｎ 各状态，较低的一 个正好容纳４Ｎ 个价电子， 所有的电子排满了s轨道,只有当能带被电子部分填充时,外电场 才能使电子的运动状态发生改变而产生导电性。 这些材料低温下不导电,在温度较高时,部分电子从价带激发到导 带,表现出导电性。
半导体激光器
这种激光器发光效率更高，电 流阈值更小，出射光单色性更好。
导带
E3C E2C E1C
ΔEC
垂直于有源层方向上运动的载
hv
流子动能可量子化成分立的能级， Eg(GaAlAs) 这类似于一维势阱的量子力学问题，
Eg(GaAs)
因而这类激光器叫做量子阱激光器。
E1V E2V
E3V 价带
E1V E2V
ΔEV
1964诺贝尔物理学奖
• N.G.巴索夫
• 用于产生激光 光束的振荡器 和放大器的研 究工作
半导体激光器研究前沿
夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体 （如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的 半导体激光器其厚度约为100～200nm，但随着有源层厚度的 减小，如5～10nm，载流子在垂直于有源层方向上出现量子 效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器。
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结 或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理 是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，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。
半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器 的半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（InAs）、氮 化镓（GaN）、锑化铟（InSb）、硫化镉（Cds）、蹄 化镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（PhTe）、 铝镓砷（A1xGaAs）、铟磷砷（In-PxAs）等。
增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子 和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。 要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光 施加附加的限制——异质结的引入。
半导体激光器的模式及特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性
LED和LD的光谱特性 和 的光谱特性
λ0 1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 40 60 0 -40 -20 0 20 40 λ0 λ0 1.0
(2~5)nm
1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -60 -40
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 (4) 边模抑制比（SSR） 边模抑制比（SSR）
边模抑制比是指在发 射光谱中， 射光谱中，在规定的 输出功率和规定的调 制时最高光谱峰值强 制时最高光谱峰值强 度与次高光谱峰值强 度之比。 度之比。该参数仅用 于单模LD， 于单模 ，如DFB－LD。 － 。
4.2.5 半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析 ．
纵模决定频谱特性 纵模决定频谱特性 横模决定光场的空间特性 光场的空间特性， 横模决定光场的空间特性，即横模决定近场特性 在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） （在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 水平横模和垂直横模两种类型 水平横模反映出有源区中平行于 结方向光场的空 水平横模反映出 有源区中平行于PN结方向光场的空 有源区中平行于 间分布， 主要取决于谐振腔宽度、 间分布 ， 主要取决于谐振腔宽度 、 边壁材料及其制 作工艺。 作工艺。 垂直横模表示与PN结垂直方向上电磁场的空间分布。 垂直横模表示与 结垂直方向上电磁场的空间分布。 结垂直方向上电磁场的空间分布
o
近场 图案 远 场 光 o 斑 30
I =80mA 72 64 60
o 10 TEM00 S ~10µm W ~ 1µm
半导体激光器结构和工作原理半导体激光器是指以注入电流做为激
半导体激光器结构和工作原理半导体激光器是指以注入电流做为激半导体激光器使用指南一、半导体激光器结构和工作原理半导体激光器是指以注入电流做为激励源，由半导体材料和光学谐振腔构成的激光自激励振荡器。
1.半导体材料：具有晶体结构的P型半导体N型半导体结合在一起形成PN结，在输入电流的激励下，实现粒子数反转分布，当受激辐射大于受激吸收时，就产生光的放大作用。
半导体材料的种类决定输出激光的波长，如AlGaINP/GaAs输出激光波长为610nm～690nm，AlGaAs/GaAs输出激光波长为780nm～800nm，InGaAs/GaAs输出激光波长为800nm～1100nm等。
2.光学谐振腔：受激辐射光在光学谐振腔中来回反射，不断反馈振荡，当达到一定强度后，就输出激光。
光学谐振腔和半导体材料的结构决定半导体激光器的性能和寿命。
3.电流：电流作为激励源，注入电流的大小决定半导体激光器的输出功率。
二、半导体激光器的阈值特性：阈值是所有激光器的属性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后激光器才开始出现净增益。
由于半导体激光器是直接注入电流的电子-光子转换器件，因此其阈值用电流来表示。
阈值电流是评定半导体激光器性能的最主要参数。
对于半导体激光器，只有当注入电流达到一定值后才能既实现粒子数反转又满足谐振腔内光振荡的阈值条件，发射出谱线尖锐，模式明确的激光光束；如果注入电流小于阈值，激光器发出荧光。
一般来说，激光器阈值电流越小，使用寿命越长；阈值电流越大，使用寿命越短。
正常情况下，光纤通讯用半导体激光器的阈值电流电流为8～12mA，连续使用寿命在10万小时以上；其它小功率半导体激光器的阈值电流为20～40mA，连续使用寿命在1～2万小时；大功率半导体激光器的阈值电流为80～150mA，连续使用寿命在5000小时左右。
半导体激光器的阈值特性除受器件结构和半导体材料影响外，温度对它的影响最为明显。
温度升高，半导体激光器的阈值电流随之增大；温度每升高25度，阈值电流增大一倍。
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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。
半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析
纵模决定频谱特性 横模特性决定光场的空间特性，即横模决定近场特性 （在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换）
S W 近场 图案 远 场 光 o 斑 30 S ~ m W ~m TEM 01 TEM 02 I =80mA 72 64 56 56 80
LD 外形图
4.2.6 半导体激光器的基本特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
半导体激光器实用组件
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；
(c) 单模 LD 的 光谱特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
表半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能 LD 工作波长 谱线宽度 LED 1.3 50~100 1.55 60~120
/μμ / nm
I/mA
P/mW P/mW
1.3 1~2
1.55 1~3
阀值电流 Ith/mA 工作电流
(7)其他准直激光器输出场的透镜、光纤耦合器及固定光纤的支架等。
激光器发射光功率
Pex 激光器辐射的光功率 p 2 激光器消耗的电功率 V j I I Rs
激光器结电压 注入电流 激光器串联电阻
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
o o 0 40 80 角度 垂直于结平面方向
I =80mA 72 64 60
o 10 TEM 00 S ~m W ~m
40
o
o
40
o
20
o
0 角度
20
o
40
o
激光器的近场图案和远场光斑
平行于结平面方向
半导体激光器的模式
2．纵模的概念与性质
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 。
(2~5)nm
1/2
GaAlAs: (30~50)nm InGaAsP: (60~120)nm
0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -0.4 -0.2
0.02nm
-20
0
20
波长 /nm
波长 /nm
0.2 0.4 波长 /nm 0
(a) LED 的 光谱特性
(b) 多模 LD 的 光谱特性
半导体激光器的模式
1)纵模数随注入电流变化
随注入电流的增加激光器 发射光谱的峰值波长移向 长波长。
半导体激光器的模式
2)动态谱线展宽 对激光器进行直接强度调制会使 发射谱线增宽，振荡模数增加。 这是因为对激光器进行脉冲调制 时，注入电流不断地变化，结果 使有源区里载流子浓度随之变化， 进而导致折射率随之变化，激光 器的谐振频率发生漂移，动态谱 线展宽。
LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3 μm或
1.55 μm大容量长距离系统。
分布反馈激光器(DFB - LD)主要和G.653或G.654规范的单模光
纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
调制速率越高，调制电流越大， 谱线展宽的也越多。
半导体激光器的模式
3. 横模 横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的 横向空间约束作用。 激光器的横模直 接影响到器件与 光纤的耦合效率。 通常用近场图和 远场图来表示横 向光场的分布规 律。
Hale Waihona Puke 4.2.6 半导体激光器的基本特性
1.伏安特性
回顾：横模纵模
回顾：纵模特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性描述的是激光器的纯光学性质，即输出光功率随波长 的分布规律。 稳态工作时激光器 光谱由几部分因素 共同决定：发射波 长范围取决于激光 器的自发增益谱， 精细的谱线结构取 决于光腔中纵模分 布，波长分量的强 弱则与激射时各模 式的增益条件密切 有关。
半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析
当注入电流大于阈值电流时，辐射光在腔内建立起来的电 磁场模式称为激光器的模式 半导体激光器的模式特 性可分成纵模和横模 通常用纵模表示 沿谐振腔传播方 向上的驻波振荡 特性，横模表示 谐振腔横截面上 的场型分布。
半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析
纵模决定频谱特性 横模决定光场的空间特性，即横模决定近场特性 （在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 水平横模反映出有源区中平行于PN结方向光场的空 间分布，主要取决于谐振腔宽度、边壁材料及其制 作工艺。 垂直横模表示与PN结垂直方向上电磁场的空间分布。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性
(4) 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 制时最高光谱峰值强 度与次高光谱峰值强 度之比。该参数仅用 于单模LD，如DFB－LD。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性
LED和LD的光谱特性
1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -60 -40 0 1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 40 60 0 -40 -20 0 20 40 0 0 1.0
/()
106 ~ 107
-20～50
105 ~ 106
-20～50
108
-20～50
107
-20～50
工作温度 /°C
4.2.6 半导体激光器的基本特性
LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 μm(或0.85 μm)波长的小容 量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大， 而多 模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值 孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。
外量子效率ex=
有源区内每秒钟发射的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
Pex h Pex ex I e IV
PN结外加电压
4.2.6 半导体激光器的基本特性
4. 温度特性
I th I 0 expT T0
Ith—温度为T时的阈值电流 I0—一个常数 T—结区的绝对温度 T0—LD的特征温度，与器件的材 料、结构等有关。对于 GaAs/GaALAs-LD T0=100~150K； InGaAsP/InP-LD T0=40~70K
输出功率 入纤功率
20~30
30~60 100~150 100~150
1~3 0.1~0.2 30~100 30×120
5~10 1~3
5~10 1~3
1~5 0.1~0.3 50~150 30×120
调制带宽 B/MHz 辐射角 寿命 t/h
500~2000 500~1000 20×50 20×50
伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
2. P-I 特性
P-I 特 性 揭 示 了 LD 输 出 光 功 率 与注入电流之 间变化规律， 是 LD 最 重 要 的 特性之一。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 (a) 功率效率
(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；
(3)尾纤和连接器； (4)LD的驱动电路（包括电源和LD芯片之间的阻抗匹配电路）； (5)热敏电阻：其作用是测量组件内的温度； (6)热电制冷器（TEC）：一种半导体热电元件，通过改变外部工作电 流的极性达到加热和冷却目的；