半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器的工作原理及应用
半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
半导体激光器实验报告
半导体激光器实验报告摘要：本文旨在通过对半导体激光器的实验研究，探索其基本原理、结构和性能，并分析实验结果。
通过实验，我们了解了激光器的工作原理、调制和控制技术以及其应用领域。
在实验过程中，我们测量了激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等参数，并对实验结果进行了分析和讨论。
1.引言半导体激光器是一种利用半导体材料作为活性介质来产生激光的器件。
由于其小尺寸、高效率和低成本等优点，半导体激光器被广泛应用于通信、光存储、医学和科学研究等领域。
本实验旨在研究不同结构和参数的半导体激光器的性能差异，并通过实验数据验证理论模型。
2.实验原理2.1 半导体激光器的基本结构半导体激光器由活性层、波导结构和光学耦合结构组成。
活性层是激光器的关键部分，其中通过注入电流来激发电子和空穴复合形成激光。
波导结构用于限制光的传播方向，并提供反射面以形成光腔。
光学耦合结构用于引导激光光束从激光器中输出。
2.2 半导体激光器的工作原理半导体激光器利用注入电流激发活性层中的电子和空穴，使其发生复合并产生激光。
通过适当选择材料和结构参数，使波导结构中的光在垂直方向形成反射，从而形成光腔。
当光经过活性层时，激发的电子和空穴产生辐射跃迁，并在激光器中形成激光。
随着光的多次反射和放大，激光逐渐增强，最终从光学耦合结构中输出。
3.实验步骤3.1 实验器材本实验使用的主要器材有半导体激光器装置、电源、光功率计、多道光谱仪等。
3.2 实验过程首先，将半导体激光器装置与电源连接，并通过电源控制激光器的注入电流。
然后，使用光功率计测量激光器的输出功率，并记录相关数据。
接下来，使用多道光谱仪测量激光器的光谱特性，并记录各个波长的输出光功率。
最后，调节激光器的注入电流，并测量波长调制特性。
完成实验后，对实验数据进行分析和讨论。
4.实验结果与分析通过实验测量，我们得到了半导体激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等数据，并对其进行了分析。
实验结果显示，随着注入电流的增加，激光器的输出功率呈现出递增趋势，但当电流达到一定值后，增长速度逐渐减慢。
半导体激光器实验
课题半导体激光器实验1．了解半导体激光器的基本工作原理，掌握其使用方法；教学目的 2．掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；3．学会测量半导体激光器的输出特性和光谱特性。
重难点 1．激光器与光具组的共轴调节；2．输出特性的测量方法。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时 3个学时一、前言光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。
其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。
半导体激光器，调频器，放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯，光计算机的发展。
二、实验原理1．半导体激光器的工作原理激光器一般包括三个部分。
（1 ）激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。
（2）激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
（3） 谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。
于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。
所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。
一块几乎全反射，一块大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。
半导体激光器的模式及特性
激光器发射光功率
p
激光器辐射的光功率 激光器消耗的电功率
VjI
Pex I 2Rs
激光器结电压
激光器串联电阻
注入电流
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
外量子效率ex= 有源区内每秒钟发射的光子数
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。
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；
(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；
64 56
80o 40o 0
40o 80o
角度
垂直于结平面方向
I =80mA 72
64 60
56
40o 20o 0
20o 40o
角度
平行于结平面方向
4.2.5 半导体激光器的模式
2．纵模的概念与性质
4.2.5 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 。
半导体激光器特性测量实验报告
半导体激光器特性测量一、实验目的：1.通过本实验学习半导体激光器原理。
2.测量半导体激光器的几个主要特性。
3.掌握半导体激光器性能的测试方法。
二、实验仪器：半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑等。
三、实验原理：WGD-6 型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
光学系统采用C－T 型，如图M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、M4 转镜、G 平面衍射光栅、S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 CCD 接收。
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1 位于反射式准光镜M2 的焦面上，通过S1 射入的光束经M2 反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在S2 上。
四、实验内容及数据分析1.半导体激光器输出特性的测量：a)将各仪器按照要求连接好；b)打开直流稳压电源，打开光多用仪；c) 将激光器的偏置电流输入插头接于稳压电源的电流输出端；d) 将激光器与光多用仪的输入端相连并使探头正好对激光器输出端，打开光多用仪； e) 缓慢增加激光器输入电流（0mA~36mA ），注意电流不要超过ＬＤ的最大限定电流（实验中不超过38mA ）。
从功率计观察输出大小随电流变化的情况； f) 记录数据； g) 绘图绘成曲线。
实验数据及结果分析： I （mA ） 1.02.03.04.05.06.07.0 8.09.010.011.0 12.0 P (uW) 0.40 0.80 1.25 1.75 2.25 2.85 3.54.255.05 5.956.98.0I （mA ） 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 P (uW) 9.310.7512.4514.5517.8522.941.0311.5753.51179.51594.51845.0根据以上实验数据绘制I —P 曲线:半导体激光器输出特性2004006008001000120014001600180020000510152025I(mA)P(uW)实验结果分析：通过半导体激光器的控制电源改变它的工作电流I ，测量对应的发光功率P ，以P 为纵轴，I 为横轴作图，描成曲线。
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。
半导体激光器的光学特性测试
实验八半导体激光器的光学特性测试[实验目的]1、通过实验熟悉半导体激光器的光学特性。
2、掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。
3、根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。
[实验仪器]1、半导体激光器及可调电源2、光谱仪3、可旋转偏振片4、旋转台5、光功率计图1. 半导体激光器的结构[实验原理]1、半导体激光器的基本结构至今，大多数半导体激光器用的是GaAs或Ga1-x Al x As材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。
P—n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。
在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。
图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。
2、半导体激光器的阈值条件：当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。
小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百唉数量级。
随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。
当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。
实际上能够 观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。
从定量分析，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。
据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：)]1(121[8202Rn a Den J Q th +∆=ληγπ （1） 这里，Q η是内量子效率，O λ是发射光的真空波长，n 是折射率，γ∆是自发辐射线宽，e 是电子电荷，D 是光发射层的厚度，α是行波的损耗系数，L 是腔长，R 为功率反射系数。
半导体激光器的热反转
半导体激光器的热反转
半导体激光器的热反转（Thermal Reversal）是指在激光器工作时，由于温度的变化导致激光器内部的光学性质发生改变，从而影响激光的输出特性。
这种现象在高功率半导体激光器中尤为显著，因为它们在工作时会产生大量的热量，导致激光器芯片的温度升高。
热反转的主要表现包括：
1.波长漂移：随着温度的升高，激光器的发射波长会向长波长方向漂移，这通常被称为“红移”。
这是因为激光器内部的折射率会随着温度的变化而变化，从而改变了激光器内部的谐振条件。
2.功率下降：温度升高还可能导致激光器的输出功率下降，因为高温会增加激光器内部的损耗，减少有效的激光输出。
3.阈值电流上升：热效应还可能导致激光器的阈值电流上升，这意味着需要更多的电流才能启动激光器的正常工作。
4.效率降低：随着温度的升高，激光器的转换效率可能会降低，因为热量的产生会导致更多的能量损失。
为了减少热反转对半导体激光器性能的影响，通常会采取以下措施：
热管理：设计有效的散热系统，如使用散热片、热沉或
液冷系统，以控制激光器的工作温度。
热隔离：在激光器芯片和封装之间使用热隔离材料，以减少热量从芯片传递到封装。
温度控制：使用温度传感器和控制系统来监控和调节激光器的工作温度，以保持其稳定运行。
热设计优化：优化激光器的热设计，如使用热传导性好的材料、改善热路径设计等，以减少热量的积累。
热反转是高功率半导体激光器设计和应用中需要特别注意的问题，通过合理的热管理措施可以有效地提高激光器的性能和可靠性。
实验5-1 半导体激光器的特性测试实验
光信息专业实验指导材料（试用）实验5－1 半导体激光器的特性测试[实验目的]1、通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流，画出P-V、P-I、I-V曲线，让学生了解半导体的工作特性曲线；2、学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，以及功率效率，外量子效率和外微分效率，并对三者进行比较；3、内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器，通过调整不同的静态工作点，和输入信号强度大小不同，观察到截至区，线性区，限流区的信号不同响应（信号畸变，线性无畸变），了解调制工作原理。
[实验仪器]实验室提供：半导体激光器实验箱（内置三个半导体激光器），示波器，两根电缆线。
[实验原理]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。
半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。
一、半导体激光器的结构与工作原理1.半导体激光器的工作原理。
半导体材料多是晶体结构。
当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。
价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。
与价带对应的高能带称导带，价带与导带之间的空域称为禁带。
当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。
同时，价带中失掉一个电子，相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。
因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。
没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。
如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。
实验一-半导体激光器P-I特性测试实验
常用光纤器件特性测试实验 实验一 半导体激光器P-I 特性测试实验一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器P 〔平均发送光功率〕-I 〔注入电流〕曲线的测试方法二、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I 关系曲线。
2、根据P －I 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。
三、预备知识1、光源的种类2、半导体激光器的特性、内部结构、发光原理四、实验仪器1、ZY12OF13BG3型光纤通信原理实验箱 1台2、FC 接口光功率计 1台3、FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根4、万用表 1台5、连接导线20根五、实验原理半导体激光二极管〔LD 〕或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率一样，而且相位、偏振方向和传播方向都一样，它和感应光子是相干的。
由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率〔≥10mW 〕辐射，而且输出光发散角窄〔垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°〕，与单模光纤的耦合效率高〔约30％～50％〕，辐射光谱线窄〔Δλnm 〕，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进展高速信号〔>20GHz 〕直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
阈值电流是非常重要的特性参数。
图1-1上A 段与B 段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流th I 。
半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。
将开始出现净增益的条件称为阈值条件。
半导体泵浦固体连续激光器实验原理
半导体泵浦固体连续激光器实验原理半导体泵浦固体连续激光器（semiconductor-pumped solid-state continuous wave laser）是一种基于半导体激光器泵浦固体激光材料的连续激光器。
它结合了半导体激光器和固体激光器的优点，广泛应用于科研、医疗、材料加工等领域。
本文将深入探讨半导体泵浦固体连续激光器的实验原理。
1. 深度评估半导体泵浦固体连续激光器的优势和应用范围半导体泵浦固体连续激光器相比传统固体连续激光器具有许多优势。
由于半导体激光器的泵浦方式，它具有更高的转换效率和更小的体积。
由于半导体激光器的泵浦光束质量好，它可以实现更高的光束质量和更小的光斑尺寸。
这些优势使得半导体泵浦固体连续激光器在科研实验、高精密医疗和材料加工等领域得到广泛应用。
2. 从简到繁，由浅入深探索半导体泵浦固体连续激光器的原理半导体泵浦固体连续激光器的原理可以从三个方面来展开讨论：泵浦过程、激射过程和输出特性。
2.1 泵浦过程半导体泵浦固体连续激光器的泵浦过程是指通过半导体激光器将波长较短的激光能量传递给固体激光材料的过程。
在泵浦过程中，半导体激光器产生的激光通过波长转换器将其转换为固体激光材料吸收峰附近的波长。
这样可以实现最大程度的能量传递，并提高效率。
2.2 激射过程半导体泵浦固体连续激光器的激射过程是指在泵浦过程后，固体激光材料吸收能量并通过受激辐射释放激光的过程。
激射过程中，激光在反射镜和谐振腔内来回传播，通过受激辐射放大并形成连续激光输出。
谐振腔的设计和镜面的选择对于获得稳定和高效的连续激光输出非常重要。
2.3 输出特性半导体泵浦固体连续激光器的输出特性受到许多因素的影响，包括波长、功率、稳定性等。
通过调整输入功率和选择合适的激光谐振腔结构，可以实现连续激光输出的稳定性和高功率。
3. 总结和回顾，深入理解半导体泵浦固体连续激光器的应用前景半导体泵浦固体连续激光器作为一种新型激光器技术，具有广阔的应用前景。
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。
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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。
第5章 半导体激光器(LD)：静态特性_蓝色(全)
5. 光吸收、损耗与增益
（1）增益系数
在激光器内部，同时存在光的吸收和光辐射过程，因此，光吸 收和光增益是同时存在的，在不同条件下，增益的情况不同。
1）在达到粒子数反转条件之前，材料内部的吸收过程要比光
的辐射以自发辐射为主，此时输出的光为荧光；注入电流较大， 激光器工作在阈值以上时，激光器内部的受激辐射逐渐增强， 最终开始发射激光。分析激光器内部的工作过程，可以从光子 的速率方程入手：
光子密度的变化率(单位时间光子密度的变化量)=
受激辐射率 -腔体损耗 +自发辐射中对激光输出有贡献的部分
R stimR LR s'pon
III. 激光器结构：光学谐振腔
1. F-P（Fabry-Perot）腔 I
粗糙面
限制层 激活层
限制层
L
左右两个侧面为平行的抛光面
输出光
z
y
x
F-P腔的主要构造： P-N结结构； 与P-N结面垂直的两个镜面； 电极及热沉。
2. 常见光腔种类： F-P腔 含周期光栅的分布反馈式光腔（DFB和DBR） 含特殊反射器的表面发射腔
wr wa distribution of particles reversed
fe (E e )fh (E h )1 fe (E e ) 1 fh (E h )
fe (E e ) fh (E h ) 高注入； 高掺杂。
n 1 n EFnEckTlnNc 8Nc EFpEvkTlnN pv18N pv
3. 粒子数分布反转
在无外界注入条件下，绝大多数电子都位于低能级，粒子数 分布反转是指由于能量注入，使得高能级上的电子数反而比低 能级电子数更多，这是普通激光器的粒子数分布反转。对于半 导体激光器，工作过程涉及到两种载流子，其粒子数分布反转 是指在一定能量范围内，导带内的电子比价带内的电子还要多。
温度对半导体激光器特性的影响
关 的墨 ，加 入 温 麦影 响 可分 别表 示 为瞄：
ｇ ） ｏ ｘ（ Ｔ ） （ ＝ｇ ｐ一 ｅ
ｆ ＝ Ｖ。ｘ （ ） ） ｅｐＴ ．篡 中 是 漾 光 器 拷 鬣
温 度；
。
速 率 方 程 能 够 很 好 地 描 述 激 光
器 的 电光 特 性 。 虽 然 ，速 率 方 程 有 着 各 种 形 式 的 变 形 ，但 很 少 有 包 含 温 度 特 性 的 表 达 形 式 。 Ｂ Ｙ ｒ ｅ １ 和 ３
１ 激光 器速率方 程
单 模 激 光 器 速 率 方 程 描 述 了 鼓 漉 子 密 室
塌 嚣电 冠
Ⅳ（ ．光子罨室 ｓｏ ｒ ） （ ，光场相位 ㈣之 间的关
系 ，能 够 镘 好 地 分析 激 光 器 的动 态 调制 特 性 以 下是 速 率方 程 的 一 般 形 式
ｅｕ ｔ ｎ ｏ ｄ ｓｒ ｅ ｈ ｙ ａ ｈ ｒｃｅｉ ｉ ｏ ｑａ ｉ ｓ ｔ ｅｃｉ ｔｅ ｄ ｎ ￣ｃ ｃａａ ｔｒ ｔ ｆ ｏ ｂ ｓｃ
（ ２）温 度 对 激 光 器频 率 响 应 的影 响
塑塑 ： 一 型
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ｔ ｍ ｅａ ｕｅ； ｒｔ ｅ ｕ ｔ ｎ ； ｄｒｃ ｌ ｍｏ ｕ ｔ ｅ ｐ ｒｔ ｒ ａｅ ｑａｉ ｓ ｏ ｉ ｔ ｅ ｙ ｄｌ ｅ ａｄ ｌｓｒ ｃｉｐ ａｅｓ； ｈｒ
ｓｍｃｎ ｕｔｒ ｅｓ ｓ ｇ ｅｕ ａ ｎ ｉ ｕ ｏ ｅ ｅ ｉ ｄ ｃ ｒ ．Ｕｉ ｑ ｉ ｌ ｔ ｃｃ ｉ ｍ ｄ ｌ ｏ ｏ ｎ ｖｅ ｒ ｔ ，
浅析温度对半导体激光器输出信号的影响
浅析温度对半导体激光器输出信号的影响摘要：半导体激光器已经应用至许多领域，温度变化会在一定程度上影响激光器信号输出质量，文章建立模型进行量化分析，并进行了仿真验证，直观体现了具体影响。
关键词：线性调频；多普勒；误差1.引言半导体激光器技术的发展，使得激光测量趋于小型化与实用化，但与He-Ne激光器相比，其输出光功率的稳定性要稍逊色一些，尤其受环境温度的影响较大[51]。
另外，尽管半导体激光器的电光转换效率很高，但由于存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，这使得其外微分量子效率（半导体激光器输出光子数随注入的电子数增加的比率）只能达到[1]，其它未转化成光子的电子所做的功将转换化成热量，致使半导体激光器升温。
对于半导体激光器，其温度的升高会导致阈值电流增加，电光转化效率依比例降低。
因此温度的变化会直接影响半导体激光器输出光信号的质量。
2.阈值电流与温度的关系阈值电流密度与半导体激光器的结区温度的关系非常密切。
温度升高，自由电子的光学吸收会造成很大的光功率损耗，阈值电流密度随温度变化的曲线如图1所示。
从图中可以看出，温度较低时，阈值电流密度随温度的变化较小，当温度增至约时，阈值电流密度急剧变化。
图1 GaAs激光器J-T关系曲线图2 半导体激光器特性曲线影响半导体激光器温度特性的因素较多，目前通常采用实验验证公式来描述其阈值电流密度与温度的关系，其关系为(1)其中，为室温；为在某一温度下所测得的阈值电流密度；为一实验拟合参数，是表征半导体激光器温度稳定性的重要参数，被称作特征温度。
本系统所用的华上激光器的特征温度约为。
由(1)式可以看出，特征温度越高，半导体激光器的温度稳定性越好。
特征温度参数通常由半导体激光器生产厂家测试报告提供。
由阈值电流密度与阈值电流之间的关系可得阈值电流与温度的关系式为(2)式中，为半导体激光器结的面积；为室温下半导体激光器的阈值电流的大小，系统所用的半导体激光器的室温阈值电流为。
半导体激光器P-I特性测试实验
实验二半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法二、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线2、根据P－I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率三、实验仪器1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台2、FC接口光功率计1台3、FC-FC单模光跳线1根4、万用表1台5、连接导线20根四、实验原理光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。
作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD，又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。
但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。
本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。
半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。
半导体激光器件中的温度对性能的影响研究
半导体激光器件中的温度对性能的影响研究激光器件是一种重要的电子元器件，被广泛应用于通信、医疗、工业和军事等领域。
而在激光器件中，温度是一个重要的参数，它对激光器件的性能产生着重要的影响。
本文将研究半导体激光器件中温度对其性能的影响，并探讨温度对激光器件性能的调控与优化方法。
温度对半导体激光器件的影响主要体现在以下几个方面：输出功率、阈值电流、光谱特性、转换效率、调制速度和寿命等。
下面将逐一进行探讨。
首先，温度对激光器件的输出功率有着直接影响。
一般而言，激光器件的输出功率随着温度的增加而增加，这是由于温度升高引导带能级和价带能级之间的能隙减小，进而提高电子和空穴的复合概率，从而增加激光的产生和放大效率。
但当温度过高时，由于激光介质材料的热膨胀系数受限，会导致激光谐振腔的尺寸变化，进而降低激光输出功率。
其次，阈值电流是指激光器件开始激发激光所需的最低电流。
温度对阈值电流也有显著的影响。
一般来说，随着温度的升高，激光器件的阈值电流减小。
这是因为随着温度升高，载流子浓度增加，从而提高电子与空穴的复合概率，进而减小阈值电流。
光谱特性也是激光器件性能中重要的一部分。
温度对激光器件的光谱特性有着明显的影响。
一般而言，随着温度的增加，激光器件的光谱峰值波长会发生红移。
这是由于温度升高导致晶格热膨胀，进而降低光子和晶格振动之间的耦合强度，从而减小光子的能量。
温度对激光器件的转换效率也有重要影响。
一般来说，随着温度的升高，激光器件的转换效率会降低。
这是由于温度升高会增加非辐射复合过程的概率，导致少量的能量从光子形式转化为热能。
因此，为了提高激光器件的转换效率，需要控制好温度的变化范围。
调制速度是指激光器件在高频调制下的响应速度。
温度对激光器件的调制速度也有一定的影响。
一般来说，温度升高会导致载流子的迁移率增加，从而提高激光器件的调制速度。
但当温度过高时，激光器件的响应时间会受到载流子寿命的限制，进而降低调制速度。
最后，温度对激光器件寿命的影响也是需要考虑的重要因素。
浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素
浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素兴胜，袁振邦，艳春，许国栋炬光科技王警卫，恩涛，熊玲玲，彦鑫中科院西光所瞬态光学与光子技术实验室高功率半导体激光器可用来泵浦固体/光纤激光器，也可直接用于材料处理如焊接、切割、表面处理等。
为了进一步拓宽半导体激光器的应用领域，不断提高激光器的输出功率，半导体激光器从单发射腔发展为多个发光单元的巴条。
随着激光器输出功率的提高，对半导体激光器的热管理、热设计、封装等技术提出了更高要求。
表征巴条半导体激光器主要特性的参数有输出功率、光谱宽度、波长、近场非线性（smile效应）、电光转换效率、近场和远场、寿命等。
本文分析和讨论了影响高功率半导体激光器巴条特性参数的因素，如热管理、温度不均匀性、热应力和焊料选择等，并在此基础上提出了提高巴条半导体激光器性能的策略和方法。
热管理热管理对于高功率半导体激光器而言至关重要，因为半导体激光器大约50%的电能都转换成热量损耗掉了。
热管理直接影响激光器的结温，结温过高将显著影响半导体激光器巴条的性能，如导致输出功率下降、阈值电流增大、斜坡效率减小、慢轴发散角增大以及寿命缩短等。
对于高功率单巴条半导体激光器，结温由式（1）而得[1](1)其中Th为器件热沉温度、Rth为器件热阻、V0为结偏压、I为工作电流、Rs为串联电阻、Po为输出光功率。
由上式可见，激光器的结温主要由热沉的温度和器件本身的热阻决定，其中热沉温度由激光器的使用条件决定。
半导体激光器的输出功率与热阻的关系和器件使用寿命与热阻的关系分别为（2）和（3）式：(2)(3)其中，ηd、Ith、T1、T0为室温下器件的转换效率、阈值电流、斜率特征温度和阈值特征温度，t为半导体激光器寿命，Ea为激活能（activation energy），K为波尔兹曼常数，Rth为半导体激光器的热阻。
由式（2）和式（3）可以看出，降低热阻可以增加半导体激光器的输出功率，提高可靠性。
半导体激光器的热阻包括芯片的热阻和封装带来的热阻。
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半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。
下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。
1． 波长
半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。
hf = Eg f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ， h=6.628×10−34 J ·s ，leV=1.60×10−19 J
得
决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。
λ
c =f ) ( )(24.1m eV Eg μλ=
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85 μm 波段， InGaAsP-InP 材料适用于
1.3~1.55 μm 波段。
温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。
2． 光功率
半导体激光器的输出光功率
其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值
功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量
子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。
hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。
由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。
驱动电流是可随意调节
的，因此这里主要讨论后两者。
除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。
1）阈值电流
半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线
)
(th d th I I e hf
P P -+=η
表示。
当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th表示。
当激励电流I< I th时，有源区无法达到粒子数反转，也无法达到谐振条件，以自发辐射为主，输出功率很小，发出的是荧光；当激励电流I> I th时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I曲线是线性变化的。
对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。
阈值电流主要与下列影响因素有关：
a)晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。
b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。
c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。
d) 温度越高，阈值电流越大。
2）外微分量子效率
外微分量子效率ηd 定义为激光器达到阈值
后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为
外微分量子效率代表了半导体激光器的电——光转换效率，它与内量子效率、载流子对有源区的注入效率、光在谐振腔内的损耗情况、谐振腔端面的反射系数和温度等因素有关。
它对应着P-I 曲线线性部分的斜率。
3）温度
半导体激光器对温度很敏感，其输出功率随温度变化而变化。
th th th th d /)(/)(I I P P e I I hf P P --=--=η
温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：
一是激光器的阈值电流随温度升高而增大。
温度对阈值电流的影响，可用下式描述：
式中，I 0表示室温下的阈值电流，T 表示温度，T 0
称为特征温度（表示激光器对温度的敏感程度）。
一般InGaAsP 的激光器，T 0
=50～80K ；A1GaAs/GaAs 的激光器， T 0
=100～150K 。
二是外微分量子效率随温度升高而减小。
如GaAs 激光器，绝对温度77K 时，ηd 约为50%；
/0T T th e I I
当绝对温度升高到300K时, ηd只有约30%。
3．光谱
半导体激光器的光谱随着驱动电流的变化而变化。
当驱动电流I＜阈值电流I th时，发出的是荧光，光谱很宽，如图（a）所示。
当I＞I th后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图（b）所示。
当驱动电流达到阈值后，随着驱动电流的增大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。
当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模。
此外，温度也会影响半导体激光器的光谱。
随着温度的升高，半导体的禁带宽度变小，将导致整个光谱向长波长方向移动。
4．激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。
近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于PN结平面的厚度t 所决定的，并称为激光器的横模。
平行于结平面的谐振腔宽度w 由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t 很薄，这个方向的场图总是单横模。
下图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。