第5章 半导体激光器效率参数
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半导体激光器的主要参数ppt课件
增益饱和
在低的光子密度时，载流子的空间和能量分布不受干扰， 这时为不饱和增益。在高光子密度时是饱和增益。一个被 鼓励的半导体激光器，辐射遭到放大时，它的能量关系为：
谐振控内的辐射强度不能无限止添加 ，由于在高光子密度时， 导带和价带中的载流子浓度要显著降低。这又呵斥费米能级 漂移，使△EF减小，同样也使满足粒子数反转的形状数减小。
增益谱计算
式中，常数a0(E21)表示绝对零度时的吸收。温度和鼓励程度的 影响包含在(fc—fv)中。假设fc>fv，那么a0(E21)为负，吸收 介量变为增益介质，以受激发射为主。假设fc<fv ，那么 a0(E21)为正，主要发生受激吸收．利用增益的定义义可以写出：
随着鼓励程度添加，能带中载 流子数添加，增益曲线的最大值向 更高的光子能量处挪动 gmax(E) 也添加。同时开场出现增益所对应 的光子能量向高能方向挪动。这是 由于电子是从导带底向上填充 的．注入电子浓度愈大，填充得就 愈高，因此发光的峰值能量添加.
Je和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流 J2为有源区电流密度；ηi为内量子效率； Q2为谐振腔质量要素；
大功率半导体激光器典型构造 --单元器件
大功率半导体激光器典型构造 --阵列器件
大功率半导体激光器典型构造 --阵列器件
大功率半导体激光器典型构造 --阵列器件
The end
空间烧孔和光谱烧孔效应
半导体激光的温漂特性
半导体资料带隙随温度变化； 半导体激光器腔长随温度变化。
Intensity (A.U.)
1.0
0.8
15A
55A
0.6
55A (after 30')
0.4
0.2
0.0
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。
《半导体光电子学课件》下集5.2 半导体激光器的效率6-精品文档
(1L )ln 1R ()P [fc1 P P ou ]t
结合内η：
1ln1
D
i
LR
L1lnR1P[fc1PPou]t
讨论：
① i 高→ D 高
②减少光子地腔内损耗
③腔长L↓
D↑，但 ↑J th
④R↑
J↓th，但使 ↓ D
Va
Eg e
Irs
rs↑
V－I曲线斜率↑
2. 内量子效率 i
i 每L秒 D有注源入区有内源每区秒的 －产电 空生 子子 穴的 数对光数
异质结的界面态，杂质和缺陷引起的非辐射
复合。
长波长LD的Auger复合
i↓
3. 外量子效率 为了反应光子在腔内的散射、衍射和吸收
ex 有源L区D每 每秒 秒发 注射 入－ 的 的空 光 电穴 子 子对 数数
(PexPt) h hevPex
IE
Iv
4. 外微分量子效率
ex(P (eIx IP tt)h )//h e(IP Ie th )x/V
又称斜率效率，直观地比较不同LD之间 效率差别 Pex(1L)ln1(R)
有源区光： P ex[1 率
定义有关效率并讨论影响效率的因素
1.功率效率
p L LD D所 所消 辐耗 射的 的电 光 ＝I功 功 VP eIx率 率 2rs
(IEg
Pex / e)
I
2rs
Pex －LD光P I－电流
V－pn结正向电压 r s －串联电阻
对理想LD，阈值以上的电压是不变的（很小）
结合内η：
1ln1
D
i
LR
L1lnR1P[fc1PPou]t
讨论：
① i 高→ D 高
②减少光子地腔内损耗
③腔长L↓
D↑，但 ↑J th
④R↑
J↓th，但使 ↓ D
Va
Eg e
Irs
rs↑
V－I曲线斜率↑
2. 内量子效率 i
i 每L秒 D有注源入区有内源每区秒的 －产电 空生 子子 穴的 数对光数
异质结的界面态，杂质和缺陷引起的非辐射
复合。
长波长LD的Auger复合
i↓
3. 外量子效率 为了反应光子在腔内的散射、衍射和吸收
ex 有源L区D每 每秒 秒发 注射 入－ 的 的空 光 电穴 子 子对 数数
(PexPt) h hevPex
IE
Iv
4. 外微分量子效率
ex(P (eIx IP tt)h )//h e(IP Ie th )x/V
又称斜率效率，直观地比较不同LD之间 效率差别 Pex(1L)ln1(R)
有源区光： P ex[1 率
定义有关效率并讨论影响效率的因素
1.功率效率
p L LD D所 所消 辐耗 射的 的电 光 ＝I功 功 VP eIx率 率 2rs
(IEg
Pex / e)
I
2rs
Pex －LD光P I－电流
V－pn结正向电压 r s －串联电阻
对理想LD，阈值以上的电压是不变的（很小）
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
(优选)半导体激光器参数详解.
T＝(0.97)7＝80.7%．
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
减反射膜或者叫增透膜 分束膜 反射膜 滤光片 其他特殊应用的膜
通过提高快轴方向 的填充密度提高 光束质量
两束相互垂直的线偏振光通过偏振耦合成圆偏振光， BPP不变，功率提高一倍，等效提高光束质量一倍
半导体激光器参数
德国Laserline
北京工业大学 输出功率：1000W 光束质量： 12mm•mrad
BPP： beam-parameter product
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
激光头工作距离 ≥100mm
M2 值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
din dcore
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
polarizat ion mult iplexing
diode laser
fast- & slow axis
•难点：非球面微柱透镜 的加工
椭球面方程
单元器件：
X0为周期 阵列器件：
慢轴方向孔径较低，利用普通石英玻璃，柱透镜阵列对 半导体激光阵列进行准直。
激光bar的BPP及其对称化
阵列光束的对称化 堆光束的对称化
反射率的控制 高反及增透
反射率与偏振态的控制 偏振分束
例：单层减反膜
折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后， 单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平 板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
减反射膜或者叫增透膜 分束膜 反射膜 滤光片 其他特殊应用的膜
通过提高快轴方向 的填充密度提高 光束质量
两束相互垂直的线偏振光通过偏振耦合成圆偏振光， BPP不变，功率提高一倍，等效提高光束质量一倍
半导体激光器参数
德国Laserline
北京工业大学 输出功率：1000W 光束质量： 12mm•mrad
BPP： beam-parameter product
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
激光头工作距离 ≥100mm
M2 值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
din dcore
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
polarizat ion mult iplexing
diode laser
fast- & slow axis
•难点：非球面微柱透镜 的加工
椭球面方程
单元器件：
X0为周期 阵列器件：
慢轴方向孔径较低，利用普通石英玻璃，柱透镜阵列对 半导体激光阵列进行准直。
激光bar的BPP及其对称化
阵列光束的对称化 堆光束的对称化
反射率的控制 高反及增透
反射率与偏振态的控制 偏振分束
例：单层减反膜
折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后， 单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平 板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：
半导体激光器工作原理及主要参数
半导体激光器工作原理及主要参数OFweek激光网讯：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：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。
半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。
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。
《半导体光电子学课件》下集5.2半导体激光器的效率
微纳加工技术
利用微纳加工技术，实现 激光器的微型化和集成化， 降低散热难度和提高散热 效率。
表面处理技术
采用表面处理技术，如化 学气相沉积、物理气相沉 积等，改善表面光洁度和 反射率，降低散射损耗。
04
案例研究：高效率半导体 激光器的实现
案例一：材料选择对效率的影响
材料类型
不同材料类型对半导体激光器的效率 有显著影响。例如，采用直接带隙材 料如GaAs、GaN等可以提供更高的 发光效率。
05
结论与展望
当前研究进展与成果
高效半导体激光器
随着材料科学的进步，高效半导体激光器已成为现实，具有更高的 输出功率和更低的阈值电流密度。
新型结构与材料
新型半导体激光器结构如量子点、纳米线等以及新材料如氮化镓、 碳化硅等的应用，提高了激光器的性能和稳定性。
波长可调谐性
通过温度调谐、电注入调谐等方式，实现了半导体激光器的波长可调 谐性，拓宽了其在光通信、光谱学等领域的应用范围。
材料纯度
材料掺杂
通过选择适当的掺杂剂和浓度，可以 优化能带结构和载流子浓度，提高激 光器的效率。
高纯度材料可以减少缺陷和杂质，降 低非辐射复合损失，从而提高激光器 的效率。
案例二：结构优化提高输出效率
光限制结构
通过设计光限制结构，可以减少光散射和反射损 失，提高激光器的输出效率。
波导结构设计
优化波导结构可以控制光场分布，提高光提取效 率。
表面处理
对器件表面进行减反、抗反射处理，减少表面反 射造成的能量损失。
案例三：制程技术改进实现高耦合效率
生长技术
采用先进的分子束外延、金属有机化学气相沉积等技术，生长高 质量的晶体结构，提高晶体质量。
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
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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)
h (6 .6 4 1 1 .6 0 3 1 4 0 )( 2 1 9 1 0 1 1 ) 0 .8 3 m e V
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。
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。
半导体激光器的主要参数1
上节课回顾： 1、跃迁速率与爱因斯坦关系；
2、半经典理论求解B12； 3、净受激发射的条件；
4、增益系数
阈值条件和增益分布
此时建立起粒子数的反转分布，吸收系数就变 为负的，半导体材料由光吸收介质变成了增益媒质。 它可以使频率处在增益带宽范围内的光辐射得到放 大。增益系数为：
rst(E21):受激发射率
但这只是提供了产生激光的前提条件，要实际获得相干受激辐射，必 须将此增益介质置于光学谐振腔内，使光波在两个腔面反射镜之间通过增 益介质来回反射面得到放大。如果光增益超过谐振腔引起的光损耗及其他 损耗之总和，则贮存在腔内的光场将不断增加；同时光增益是能够饱和的， 它会使光放大系数减小。下面讨论与此相关的一些问题。
产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 因为激光器有激射的阈值特性，所以当I<Ith时， ηex很小， 当I>Ith时，P直线上升， ηex变大。
半导体激光器的几个效率参数
4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲线的斜率)
阈值电流密度
有源区内的局部增益是均匀分布的，则模 增益
分别是对应模式的增益和限制因子 为局部阈值增益系数 是镜面末端损耗
2、内量子效率
由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合 和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的 每一个电子—空穴对不能100％的产生辐射复合，即ηi总 是小于1，但一般也有95％左右，是转换效率很高的激光 器件。
半导体激光器的几个效率参数
3、外量子效率
ηex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内
平行于pn结方向--折射率导引型结构
两种结构的区别
半导体激光器常见结构
半导体激光器的几个效率参数
2、半经典理论求解B12； 3、净受激发射的条件；
4、增益系数
阈值条件和增益分布
此时建立起粒子数的反转分布，吸收系数就变 为负的，半导体材料由光吸收介质变成了增益媒质。 它可以使频率处在增益带宽范围内的光辐射得到放 大。增益系数为：
rst(E21):受激发射率
但这只是提供了产生激光的前提条件，要实际获得相干受激辐射，必 须将此增益介质置于光学谐振腔内，使光波在两个腔面反射镜之间通过增 益介质来回反射面得到放大。如果光增益超过谐振腔引起的光损耗及其他 损耗之总和，则贮存在腔内的光场将不断增加；同时光增益是能够饱和的， 它会使光放大系数减小。下面讨论与此相关的一些问题。
产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 因为激光器有激射的阈值特性，所以当I<Ith时， ηex很小， 当I>Ith时，P直线上升， ηex变大。
半导体激光器的几个效率参数
4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲线的斜率)
阈值电流密度
有源区内的局部增益是均匀分布的，则模 增益
分别是对应模式的增益和限制因子 为局部阈值增益系数 是镜面末端损耗
2、内量子效率
由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合 和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的 每一个电子—空穴对不能100％的产生辐射复合，即ηi总 是小于1，但一般也有95％左右，是转换效率很高的激光 器件。
半导体激光器的几个效率参数
3、外量子效率
ηex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内
平行于pn结方向--折射率导引型结构
两种结构的区别
半导体激光器常见结构
半导体激光器的几个效率参数
半导体激光器常用参数的测定
半导体激光器常用参数的测定半导体激光器是一种利用半导体材料作为激光发射媒介的激光器件，其具有体积小、功耗低、效率高、寿命长等优点，因而广泛应用于通信、显示、医疗、测量等领域。
要对半导体激光器进行准确的性能评估和优化设计，需要对其常见参数进行测定和分析。
以下是常用参数的测定方法。
1.阈值电流阈值电流是指激光器开始工作并产生激射的电流值。
常用方法是在不同电流下，通过测量输出光功率与电流之间的关系曲线，找到电流达到稳定值时的临界点。
2.工作电流范围工作电流范围是指激光器可以稳定工作的电流范围。
方法是在不同电流下，测量激光器的输出光功率和电流之间的关系曲线，确定允许的工作电流范围。
3.工作温度范围工作温度范围是指激光器可以稳定工作的温度范围。
方法是在不同温度下，测量激光器的输出光功率与温度之间的关系曲线，确定允许的工作温度范围。
4.光谱特性光谱特性包括波长、谱线宽度等参数。
波长可以通过光谱仪精确测量，谱线宽度可以通过测量激光器输出光功率随波长的变化规律来评估。
5.输出功率输出功率是指激光器的实际输出功率。
测量方法是将激光器的输出光功率直接测量或者通过标定其他光源进行对比测量。
6.效率效率是指激光器将输入电功率转换为输出光功率的比值。
测量方法是通过测量激光器的输入电功率和输出光功率来计算效率。
7.时域特性时域特性包括上升时间、下降时间等参数，用来评估激光器的调制响应能力。
常见方法是通过测量激光器的脉冲响应曲线来获取。
8.光束质量光束质量是指激光器输出光束的直径、发散角等参数,可以通过光学系统和束探在对应测距仪等获取。
9.寿命寿命是指激光器长时间稳定工作的能力，可以通过对激光器在一定时间内的功率衰减进行监测和检测来评估。
总之，半导体激光器的性能评估和优化设计需要测定一系列的参数，如阈值电流、工作电流范围、工作温度范围、光谱特性、输出功率、效率、时域特性、光束质量和寿命等。
通过准确测量和分析这些参数，可以评估激光器的性能，并为激光器的应用提供参考和指导。
第5章 半导体激光器效率参数
Bar 焊接的“Smile”效应 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
由于bar GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 、连续（CW） 2、准连续（QCW） 、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse） 、脉冲（pulse） 按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse） 、硬脉冲（Hard pulse）
不同脉宽情况下的热效应
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点 AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达 结温可允许达80 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3 万小时； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下 寿命与普通工作状态寿命差别不大。 寿命与普通工作状态寿命差别不大。
Bar 的n面电连接
Bar与热沉的焊接 Bar与热沉的焊接
难点：位置的控制 难点：
3µm
A
Vacuum gripping tool
B y
x
3µm
Heat sink Soldeing plate
Bar与热沉的焊接 Bar与热沉的焊接
难点：焊层内部空洞问题 产生原因：1、固化过程中的“出气” 产生原因：1、固化过程中的“出气”； 2、焊料氧化，浸润性变差。
846
846
845 0 2000 4000 6000 8000 10000
845 0 2000 4000 6000 8000 10000
半导体激光器的参数测量
1.2
2.5
V－I
2
0.8 1.5
输出功率（m W ） 工 作 电 压 （ mV）
1 0.4
P－I
0.5
0
0
0
5
10
15
20
25
工 作 电 流 （ m A）
图 3 半导体激光器的工作特性曲线
图 3 中给出了典型的半导体激光器的工作特性示意图，其中实线是输出光功率和工作电 流的关系（实线）；图中的虚线是工作电压和工作电流的关系曲线（V-I 曲线），它基本是由 两段斜率不同的直线构成，一般 LD 在极小的电流状态下，电压已经较大了，所以一般测量 时，只能看到第二段，第二段是 LD 的串联电阻（LD 本身的电阻特性）与通过 LD 的电流 的结果。
（2）效率
a) 外量子效率：
η ex
=
激光器每秒钟发射的光子数 ＝ Pex / hν 激光器每秒钟注入的电子 − 空穴对数 I / e0
其中 Pex 为激光器输出光功率，h 为普朗克常数，e0 为电荷常数，I 为工作电流。一
般 77K 时，GaAs 激光器外量子效率达 70％－80％；300K 时，降到 30％左右。
p-n 结电注入激发机理。若在形成了 p-n 结的半导体材料上加上正向偏压，p 区接正极， n 区接负极。显然，正向电压的电场与 p-n 结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶
图 1 自建电场的示意图
体中电子扩散运动的阻碍作用，使 n 区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通 过 p-n 结向 p 区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在 注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就 是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。
第5章 半导体激光器效率参数
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下
寿命与普通工作状态寿命差别不大。
AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉
Bar 内应力分布
bar facet
Cu heat sink
ηex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内 产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 因为激光器有激射的阈值特性，所以当I<Ith时， ηex很小， 当I>Ith时，P直线上升， ηex变大。
半导体激光器的几个效率参数
4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲线的斜率)
半导体激光器的特征温度
In 焊料的缺点
极限寿命为104小时左右； 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效
应）； 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； 控制激光bar结温≤55℃。
Bar 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
2、焊料氧化，浸润性变差。
Bar焊接焊料的选择
软焊料 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳
性以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别 较大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如： CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。 硬焊料
AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差 别非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合 金热沉。
Bar内“超模”的抑制
超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低bar 整体效率。
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低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下
寿命与普通工作状态寿命差别不大。
AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉
Bar 内应力分布
bar facet
Cu heat sink
半导体激光器的几个效率参数
2、内量子效率
由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合 和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的 每一个电子—空穴对不能100％的产生辐射复合，即ηi总 是小于1，但一般也有95％以上，是转换效率很高的激光 器件。
半导体激光器的几个效率参数
3、外量子效率
上电极 下电极
电流方向 发光方向
热散出方向
Bar 的n面电连接
Bar与热沉的焊接
难点：位置的控制
3m 3m
A
Vacuum gripping tool B
x
y
Heat sink
z
Bar
Solder
+/- 3 m
Heating plate
Bar与热沉的焊接
难点：焊层内部空洞问题 产生原因：1、固化过程中的“出气”；
ηex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内 产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 因为激光器有激射的阈值特性，所以当I<Ith时， ηex很小， 当I>Ith时，P直线上升， ηex变大。
半导体激光器的几个效率参数
4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲线的斜率)
半导体激光器的特征温度
Bar内“超模”的抑制
超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低bar 整体效率。
电极和热沉
END
Bar 的封装与散热
机械稳定性； 电连接； 散热问题；
以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功 率50W/bar，腔长为1mm，热流密度为 500W/cm2
典型的封装形式
Bar p面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极； 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； N面电连接采用Cu箔或金丝引线。
半导体激光器温度稳定性的衡量
jth
exp
T T0
半导体激光器制备流程图
外延材料生长
半导体激光器电极制作过程
半导体激光器电极制作过程
半导体激光器表面金属化
N面低掺杂GaAs衬底采用GeAuNi/TiAu P面高掺杂采用TiPtAu 形成欧姆接触
半导体激光器腔面的要求
半导体外延片解理形成腔面； 腔面的钝化； 前后腔面镀膜。
In 焊料的缺点
极限寿命为104小时左右； 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效
应）； 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； 控制激光bar结温≤55℃。
Bar 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
电极窗口技术
Bar的制备工艺
与单元器件基本一致； 材料均匀性要求更高； 每一步制作工艺可靠性要求更高；
wafer diameter: 3“ wavelength Dl uniformity: Dl = 2nm chip size: 2 mm x0.5 mm
number of bars: 100 - 200
由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 2、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse）
按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse）
不同脉宽情况下的热效应
2、焊料氧化，浸润性变差。
Bar焊接焊料的选择
软焊料 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳
性以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别 较大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如： CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。 硬焊料
AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差 别非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合 金热沉。
上节课回顾： 1、增益谱及阈值增益；
2、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制； 3、半导体激光器中的光场模式
半导体激光器典型测试曲线
E -O efficien cy Output power (W)
0 .7
60
2.0
1.8
0 .6
50
1.6
0 .5 40
1.4
0 .4
1.2
30
1.0
0 .3
0.8
PL wavelength (nm) PL wavelength (nm)
847
mounted on Cu heatsink
846
847
Mounted on expansion-matched heatsink
846
845 0
2000
4000
6000
Je和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流 J2为有源区电流密度；ηi为内量子效率； Q2为谐振腔品质因素；
半导体激光器的几个效率参数
1、功率效率
加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率
降低rs，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提 高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工作温度也 有利于功率效率的提高。
wafer diameter: 3“
chip size: 2 mm x 0.5 mm
number of chips: 2000
半导体激光器腔面钝化技术
减小腔面光吸收—增加腔面材料禁带宽度； 减小腔面氧化—硫化技术、真空解理、无
铝有源区； 减小腔面附近焦耳热。
目前腔面COD最高水 平大于100 mW / um
20 0 .2
0.6
0 .1
10
0.4
0.2
0 .0
0
0.0
0 10 20 30 40 50 60 70
Current （A）
P-I,U-I以及光电转换效率曲线
阈值电流密度
有源区内的局部增益是均匀分布的，则模 增益
分别是对应模式的增益和限制因子
为局部阂值增益系数
是镜面末端损耗
是内部损耗
afc是有源区内的自由载流子吸收系数 aout波导层中的吸收系数(主要也是自由载流子吸收) as是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数 ac是辐射渗入波导层的损耗系数