温度对小功率半导体激光器发光效率的影响
激光器散热量计算
激光器散热量计算半导体激光器有着非常明显的优势地方，例如体积质量小，电光转变的高效等优势地方，因为这些优势特点致使半导体激光器已经被使用在了各个行业中。
半导体激光器通常情况友最基础的发光单管进行组合，发光单管可形成多个Bar条，再由多个Bar条形成一定的叠阵。
因为我国半导体技术水平的逐渐加深，所以使用的功率也在逐渐升高，一个发光单管的极限功率可以达到25瓦，峰值厘米巴条功率已经增长到了1000瓦，但是发光单管的体积确实非常精巧的。
因为芯片的升温会对半导体工作产生非常严重的影响，所以本文特针对大功率半导体激光器如何有效散热情况进行了研究，并且讨论如何有效使用。
1、芯片的温度对半导体激光器的影响1.1温度对最小电流的作用芯片温度对激光器正常工作所需求的最小电流的作用主要体现在激光器的内部构造。
由于芯片温度提高，激光器的最小电流也会相应的加大，这时可以明显看出半导体激光器在最小电流的支持下，所必需要加快温度的散热效率，只有这样才可以保证激光器的正常工作。
1.2芯片温度对斜率的作用半导体激光器的斜率功效就是半导体激光器的发动电流和驱光电流的线性数据，通常情况下，半导体激光器的斜率功效愈大，所带来的性能也就更加优秀，然而芯片的温度升高却能够使得半导体激光器的斜率功效得不到很好的发挥。
1.3芯片温度对发光功效的作用通过实验数据可以清晰的看出，芯片的温度越高，激光器的发光功效就会变得很小。
1.4芯片温度发光线长度的作用如果激光器的温度产生了变化，那么机关器的发光长度也会随之相应的发生变化。
所以根据之上所说的数据，芯片温度的升高，带之而来的激光器温度加大会使得激光器得不到良好的工作性能，所以对激光器的散热性能的研究是刻不容缓的，也是激光器正常工作的关键地方。
2、激光器散热方法研究2.1半导体激光器传递热量环节半导体激光器正常工作时发出的热量大多是经过沉淀发散，激光器的热量散热主要有初级散热和次级散热。
激光器工作芯片经过多次复杂多变的工艺技术进行初级散热。
dfb半导体激光器温度波长漂移方向
DFB（Distributed Feedback，分布反馈）半导体激光器的温度与波长漂移之间存在确定的关系。
在大多数情况下，随着温度的升高，半导体激光器的输出波长会向长波方向漂移。
这是因为半导体材料的折射率随温度上升而减小，导致谐振腔的有效长度增加，根据光的波长和有效腔长之间的关系（λ = 2nL，其中λ是波长，n是有效折射率，L是有效腔长），波长会相应增长。
具体来说，对于基于InGaAsP/InP等材料体系的DFB激光器，在室温附近每升高1摄氏度，其工作波长通常会以大约0.001 nm/°C至0.01 nm/°C的比例红移（即波长变长）。
这一现象称为热致波长漂移，是激光器设计和使用时必须考虑的重要因素之一，特别是在需要稳定波长输出的应用场合，例如光纤通信系统中，通常会采用温度控制或温度补偿技术来抑制这种漂移。
LD的P-I曲线、转换效率和温度特性
LD的P-I曲线、转换效率和温度特性
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.半导体激光器的P-I曲线
2.半导体激光器的转换效率
3.半导体激光器的温度特性
教学
目标
1．掌握半导体激光器的P-I曲线相关内容
2．了解半导体激光器的转换效率
3．了解半导体激光器的温度特性
重点
难点
1、半导体激光器的P-I曲线
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.P-I曲线
了解阈值电流的概念，通过P-I曲线的学习，掌握LD的发光特性。
2.转换效率
了解转换效率的概念，知道转换效率在参数表中如何体现。
3.温度特性
半导体激光器的温度会影响激光器的阈值和输出光功率，了解这一特性。
小
半导体激光器P-I特性测试实验
太原理工大学学生实验报告
1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电
流的关系曲线。
(测得电阻为Ω)
2.根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流I th的大小。
3.根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
七、注意事项
1.半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。
2.由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌
用力过大。
八、思考题
1.试说明半导体激光器发光工作原理。
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。
半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（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
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响
随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。
3.分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统。
半导体激光器和光纤激光器的区别
一、半导体激光器工作原理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。
二、半导体激光器和光纤激光器一样吗半导体激光器和光纤激光器是不一样的。
1、介质材料不同光纤激光器和半导体激光器的区别就是他们发射激光的介质材料不同。
光纤激光器使用的增益介质是光纤，半导体激光器使用的增益介质是半导体材料，一般是砷化镓，铟镓申等。
2、发光机理不同半导体激光器的发光机理是粒子在导带和价带之间跃迁产生光子，因为是半导体，所以使用电激励即可，是直接的电光转换。
而光纤不能够直接实现电光转换，需要用光来泵浦增益介质（一般用激光二极管泵浦），它实现的是光光转换。
3、散热性能不同光纤激光器散热好，一般风冷即可。
半导体激光器受温度影响非常大，当功率较大时，需要水冷。
4、主要特性不同光纤激光器的主要特性是器件体积小，灵活。
激光输出谱线多，单色性好，调谐范围宽。
并且其性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗小。
转换效率高，激光阈值低。
光纤的几何形状具有很低的体积和表面积，再加上在单模状态下激光与泵浦可充分耦合。
半导体激光器易与其他半导体器件集成。
具有的特性是可直接电调制；易于与各种光电子器件实现光电子集成；体积小，重量轻；驱动功率和电流较低；效率高、工作寿命长；与半导体制造技术兼容；可大批量生产。
5、应用不同光纤激光器主要应用于激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。
【通信技术】有线传输工程题集（有答案）[详细]
![【通信技术】有线传输工程题集（有答案）[详细]](https://img.taocdn.com/s3/m/5a6481417f21af45b307e87101f69e314332fa1c.png)
【通信技术】有线传输工程题集（有答案）[详细]有线传输工程第一章光纤通信基本理论一、填空题1、光纤通信中所使用的光纤是界面很小的可绕透明长丝,它在长距离内具有(束缚)和传输光的作用.2、光具有波粒二像性,既可以将光看成光波,也可以将光看作是由光子组成的(粒子流)3、波动光学是把光纤中的光作为经典(电磁场)来处理.4、光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的,由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同,从而导致(信号畸变)的一种物理现象.5、在数字光纤通信系统中,色散使(光脉冲)发生展宽.6、波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的(几何结构)所引起的.7、光纤的非线性可以分为两类,即受激散射效应和(折射率扰动)8、当光纤中非线性效应和色散(相互平衡)时,可以形成光孤子.9、单模光纤的截止波长是指光纤的第一个(高阶模)截止时的波长.10、单模光纤实际上传输两个(相互正交)的基模.二、单向选择题1、将光纤的低损耗和低色散区做到1450—1650n米波长范围,则相应的带宽为( B )A、2.5B、25C、5.0D、502、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界面上( B )而是能量集中在芯子之中传输.A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射3、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是( A )的.A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变4、目前,光纤在( B )n米处的损耗可以做到0.2dB/n米左右,接近光纤损耗的理论极限值.A、1050B、1550C、2050D、25505、石英光纤材料的零色散系数波长在( B )n米附近.A、127B、1270C、227D、22706、普通石英光纤在波长( A )n米附近波导色散与材料色散可以相互抵消,使二者总的色散为零.A、1310B、2310C、3310D、43107、非零色散位移单模光纤也称为( D )光纤,是为适应波分复用传输系统设计和制造的新型光纤.A、G.652B、G.653C、G.654D、G.655三、多项选择题1、根据光纤横截面折射率分布的不同,常用的光纤可以分成( AB ).A、阶跃光纤B、渐变光纤C、单模光纤D、多模光纤2、光纤损耗因素主要有本症损耗、( A B C D )和附加损耗等.A、制造损耗B、连接损耗C、耦合损耗D、散射损耗3、光纤通信所使用的低损耗窗口是( A C )和1310n米波段.A、850n米波段B、1050n米波段C、1550n米波段D、2650n米波段4、根据色散产生的原因,光纤色散的种类主要可以分为(A BC).A、模式色散B、材料色散C、波导色散D、偏振模色散5、单模光纤可以分为( ABCD ).A、非色散位移单模光纤B、色散位移单模光纤C、截止波长位移单模光纤D、非零色散位移单模光纤四、判断题1、光纤是圆截面介质波导.(√)2、在多模阶跃光纤的纤芯中,光按曲线传输,在纤芯和包层的街面上光发生反射.(×)3、在渐变光纤中,光射线的轨迹是直线.(×)4、光纤的折射率分布采取双曲正割函数的分布,所有的子午射线具有完善的自聚焦性质.(√)5、材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比.(√)6、偏振色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性,使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数β不同,从而导致这两个模式传输不同步,形成色散.(√)7、在高强度电磁场中光纤对光的影响会变成线性.(×)8、四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象.(√)9、为了保证单模传输,光纤的纤径较小,一般其芯径为4-10μ米.(√)10、由于光纤双折射的存在,将引起光波的偏振态沿光纤长度发生变化.(√)五、简答题1、简述光纤通信的特点.答:(1)频带宽,通信容量大;(2)传输损耗低,无中继距离长(3)抗电磁干扰(4)光纤通信串话小,保密性强,使用安全;(5)体积小,重量轻,便于敷设;(6)材料资源丰富.2、简述渐变光纤的折射率分布.答:渐变光纤横截面的折射率分布,包层的折射率是均匀的,而在纤芯中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小,是非均匀、且连续变化的.3、简述光纤材料色散色定义及其引起的原因.答:由于光纤材料的折射率是波长λ的非线性函数,从而使光的传输速度随波长的变化而变化,由此而引起的色散叫材料色散.材料色散主要是由光源的光谱跨度所引起的,由于光纤通信中使用的光源不是单色光,具有一定的光谱宽度,这样,不同波长的光波传输速度不同,从而产生时延差,引起脉冲展宽.六、论述题1、阐述光纤受激散射效应定义,表现形式及其主要区别.(1)定义.受激散射效应是光通过光纤介质时,有一定能量偏离预定的传播方向,且光波的频率发生改变,这种现象称为受激散射效应.(2)表现形式.受激散射效应表现形式有两种,即受激布里渊散射和受激拉曼散射.这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子,同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子.(3)主要区别.两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子,而受激布里渊散射转变为声频声子;光纤中的受激布里渊散射只发生在后向,受激拉曼散射主要是前向.受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低,在光纤中形成一种损耗机制.在较低光功率下,这些散射可以被忽略.当入射光功率超过一定阈值后,受激散射效应随入射光功率成指数增加.2、阐述光纤的折射率扰动所引起的各种非线性效应.答:折射率扰动主要引起自相位调制(SP米)、交叉相位调制(XP米)、四波混频(FW米)和光孤子形成四种非线性效应.（1）自相位调制.自相位调制是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用.它导致光谱展宽,宠儿影响系统性能.（2）交叉相位调制.交叉相位调制是任意波长信号的相位受其它波长信号强度起伏的调制产生的.交叉相位调制不仅与光波自身强度有关,而且与其他同时传输的光波强度有关,所以交叉相位调制总伴有自相位调制.交叉相位调制会使信号脉冲谱展宽.（3）四波混频.四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合和后产生新的光波的现象.其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率,从而在不同频率处发生相位调制,产生新的波长.四波混频对于密集波分复用(DWD米)光纤通信系统影响较大,成为限制其性能的重要因素.（4）光孤子形成.非线性折射率和色散间的相互作用,可以使光脉冲得以压缩变窄.当光纤中的非线性效应和色散间相互平衡时,可以形成光孤子.光孤子脉冲可以在长距离传输过程中,保持形状和脉宽不变.第二章光发送机与光接收机一、填空题1、(受激)辐射是半导体激光器的基本工作原理.2、半导体光源的核心是PN结,它由(高掺杂浓度)的P型半导体材料和N型半导体材料组成.3、半导体激光器产生稳定的激光振荡必须满足一定的条件,即阈值条件和(相位)条件.4、半导体激光器的激光振荡是由光栅形成的光耦合来提供,其基本原理是(布拉格)反射原理.5、半导体激光器的(P—I特性)是指它的输出功率P随注入电流I 的变化关系.6、半导体激光器把激励的电功率转换成(光功率)发射出去.7、发光二极管是非相干光源,它的基本工作原理是(自发)辐射.8、在光纤通信系统中,光发送机的任务是把(电端机)送来的电信号转变为光信号9、光发送机中的调制电路将电信号转变为(调制电流),以便实现对光源的强度调制.10、PIN光电二极管可以对一定波长范围内的入射光进行(光电转换),这一波长范围就是PIN光电二极管的波长影响范围.二、单项选择题1、为了获得高辐射度,发光二极管一般采用( D )结构.A、多同质B、双同质C、多异质D、双异质2、发光二极管的远场特性是距离器件输出端面一定距离的光束在( B )的分布.A、时间上B、空间上C、磁场上D、电场上3、光发送机技术指标中的消光比直接影响光接收机的灵敏度,从提高接收机灵敏度的角度希望消光比极可能大,消光比一般应大于( A )dB.A、10B、8C、6D、44、一般PIN光电二极管在入射光功率( D )毫瓦量级时,能够保持比较好的线性.A、高于B、略高于C、等于D、低于5、雪崩光电二极管特性中的量子效率只与初级光生载流子数目有关,不涉及倍增问题,故量子效率值总是( D ).A、大于1B、略大于1C、等于1D、小于16、在光纤通信中,光接收机再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成( B ).A、模拟信号B、数字信号C、电子信号D、光子信号三、多项选择题1、光纤通信中,光源的间接调制是利用晶体的( ABC )等性质来实现对激光辐射调制.A、电光效应B、磁光效应C、声光效应D、场光效应2、在光纤数字通信系统中,光发送机主要有( ABC )、光源及其控制电路.A、输入借口B、线路编码C、调制电路D、输出接口3、在光纤通信系统中编码调制是先将连续的模拟信号通过( ACD ),转换成二进制脉冲代码,再用矩型脉冲的有、无来表示信号.A、取样B、过滤C、量化D、编码4、雪崩二极管的响应速度主要取决于( ABC )等因素.A、载流子完成倍增过程所需要的时间B、载流子在耗尽层的渡越时间C、结电容和负载电阻的RC时间常数D、结电容和负载电感的LC时间常数5、光接收技术中的前置放大器一般可分为( ACD )等几种.A、低阻抗前置放大器B、无阻抗前置放大器C、高阻抗前置放大器D、跨阻抗前置放大器四、判断题1、光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备,它们位于电端机和光纤传输线路之间.(√)2、半导体激光器的输出光功率不会随温度而变化.(×)3、半导体激光器中所允许的光场模式分为TE和T米两组.(√)4、由于光二极管输出的是自发辐射光,并且没有光学谐振腔,所以输出光谱要比半导体激光器窄得多.(×)5、光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量,使之携带发送信息的过程,也就是完成电/光转换的过程.(√)6、对于半导体光源,其输出光功率与注入电流成反比.(×)7、激光器的发射心波长随温度的升高向长波长漂移.(√)8、受激吸收是半导体光检测器的基本工作原理.(√)9、光电二极管的线性饱和是指它有一定的功率检测范围,当入射功率太强的时,光电流和光功率将不成正比,从而产生非线性失真.(√)10、雪崩光电二极管是具有内部增益的光检测器,它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流.(√)11、光接收机的主要作用是将经过光纤传输的微弱光信号转换成电信号,并放大、再生成原发射的信号.(√)五、问答题1、简述光纤通信中光接收机的主要作用.答:光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减的、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号.并对电信号进行放大、整形、再生后,再生成渝发送端相同的电信号,输入到电接收端机.2、简述半导体激光器的光谱特性.答:半导体激光器的光谱特性主要是激光器的纵模决定.激光器的光谱会随着注入电流而发生变化.当注入电流低于阀值电流时,半导体激光器发出的是荧光,光谱很宽;当电流增大到阀值电流时,光谱突然变窄,光谱中心强度急剧增加,出现了激光;对于单纵模半导体激光器,由于只有一个纵模,其谱线更窄.3、简述发光二极管的P—I特性.答:发光二极管不存在阀值,输出光功率与注入电流之间呈线性关系,且线性范围较大.当注入电流较大时,由于PN结的发热,发光效率降低,出现饱和现象.在相同注入电流下,面发光二极管的发输出功率比边发光二极管大.4、简述影响PIN光电二极管响应速度的主要因素.答:影响响应速度的主要因素有:结电容和负载电阻的RC时间常数、载流子在耗尽区里的渡越时间及耗尽区外产生的载流子的扩散时间.六、论述题1、阐述光纤通信心对光源的要求.答:(1)光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致,即为850n米、1310n米和1550n米的三个低损耗窗口.(2)光源有足够高的、稳定的输出光功率,以满足系统中继距离的要求,一般为数十微瓦至数微瓦为宜.(3)光源的光谱线宽要窄,即单色性好,以减小光纤色散对信号传输质量的影响.(4)调制方法简单,且要响应速度快,以满足高速率传输的要求.(5)电光转换效率要高.(6)能够在室温下连续工作,(7)体积小,重量轻,寿命长,工作稳定可靠.2、阐述半导体激光器控制电路中自动功率控制的手段和方法.答:(1)控制手段.要精确控制激光器的输出功率,应从两方面着手:一是控制激光器的偏置电流,使其自动跟踪阀值的变化,从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态;而是控制激光器调制脉冲电流的幅度,使其自动跟踪外微分量子效率的变化,从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定.(2)控制方法.自动功率控制方法有两种:一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制方法;二是峰值功率/平均功率控制方法.3、阐述光纤通信系统对光检测器的要求.答:光检测器是把光信号变为电信号的器件,由于从光纤中传输过来的光信号一般是非常微弱其产生了畸变的信号,因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求.具体有求如下:一是在系统的工作波长上要有足够高的响应度,即对一定的入射光功率,光检测器能输出尽可能大的光电流;二是有足够高的响应速度和足够的工作带宽,即对高速光脉冲信号有足够快的响应能力.三是产生的附加噪声小;四是光电转换线性好,保真度高;五是工作稳定可靠,工作寿命长;六是体积小,使用简便.第三章光纤通信技术一、填空题1、光纤放大器分为稀土掺杂光纤放大器和利用(非线性)效应制作的常规光纤放大器.2、掺铒光纤放大器中的泵浦光源为信号光的放大提供足够的能量,它使处于低能级的Er3+被提高到高能级上,使掺铒光纤达到粒子数(反转)分布.3、掺铒光纤放大器中的同向泵浦是信号光与泵浦光以(同一方向)进入掺铒光纤的方式.4、掺铒光纤放大器中的反向泵浦是信号光与泵浦光从(两个不同)的方向进入掺铒光纤的方式.5、掺铒光纤放大器中的光耦合器的作用是将(信号光)和泵浦光合在一起,送入掺铒光纤中.6、光时分复用是指在光上进行时间(分割)复用.7、光时分复用技术中的高速光开关在逻辑上可以是一个全光的(与门)或者电/光脉冲控制的开关器件.8、光纤中的孤子是光纤色散与(非线性)相互作用的产物,服从非线性薛定谔方程,受光纤线性与非线性的支配.9、光纤通信技术中的光孤子源发出的光孤子应具有(双曲正割)型或高斯型的轮廓.10、光传送网是一种以(波分复用)与光信道技术为核心的新型通信网络传送体系.二、单项选择题1、半导体光放大器的增益一般在(A)dB.A.15~30B.45~60C.75~90D.115~1302、半导体光放大器的频带宽度一般为(B)n米.A.30~50B.50~70C.70~90D.90~1103、掺铒光纤放大器的工作波长为(B)n米波段.A.1350B.1550C.1750D.19504、掺镨光纤放大器的工作波长为(A)n米波段.A.1300B.1500C.1700D.19005、光纤拉曼放大器具有在(C)n米全波段实现光放大的优点.A.127~167B.270~670C.1270~1670D.2700~67006、掺铒光纤放大器具有较高的饱和输出功率,一般为(C)dB米.A.0.1~0.2B.1.0~2.0C.10~20D.100~200三、多项选择题1、掺铒光纤放大器的光路部分由(ABCD)和光滤波器组成.A.掺铒光纤B.泵浦光源C.光耦合器D.光隔离器2、光波分复用(WD米)系统的基本构成主要有(AB)几种形式.A.双纤单向传输B.单纤双向传输C. 双纤双向传输D. 单纤单向传输3、目前,光纤通信技术中的光网络节点主要有( AC )A、光分插复用器B、光分插连接器C、光交叉连接器D、光交叉复用器4、光传送网节点技术中的光交叉连接器的光交换单元可采用( AC )A、空间交换B、时间交换C、波长交换D、信号交换5、掺铒光纤放大器的泵浦形式有(ABC)A、同向泵浦B、反向泵浦C、双向泵浦B、三向泵浦四、判断题1、光纤通信在进行长距离传输时,由于光纤中存在损耗和色散,使得光信号能量降低光脉冲发生展宽.(√)2、光放大器不能直接放大光信号,需转换成电信号.(×)3、掺铒光纤放大器中的双向泵浦是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的方式.(√)4、常规光纤放大器是利用光纤的三阶线性光学效应产生的增益机制对光信号进行缩大.(×)5、双纤单向传输是指采用两根光纤实现连个方向信号传输,完成全双工通信.(√)6、单纤双向传输是指光通路在一根光纤中同时延两个不同的方向传输,此时,双向传输的波长相互分开,以实现彼此双方全双工的通信.(√)7、当进入光纤中的光功率较低时,光线可以认为是线性系统,其折射率可以认为是常数.(√)8、光纤孤子通信依靠光纤的线性和色散特性,实现传输过程中畸变光信号的分布式自整形.(×)9、在光网络中,信息流的传送处理过程主要在光域进行,由波长标识的信道资源成为层连网的基本信息单元.(√)10、WD米波分复用光传送网是用光波长作为最基本交换单元的交换技术,来替换传统交换节点中以时隙为交换单位的时隙交换技术.(√)五、简答题1、简述掺铒光纤放大器辅助电路部分的作用及其所包含的功能电路.答:辅助电路部分中的自动控制部分一般采用微处理器对EDFA的泵浦光源的工作状态进行监测和控制、对EDFA输入和输出光信号的强度进行监测,根据监测结果适当调节泵浦光源的工作参数,使EDFA工作在最佳状态.此外,辅助电路部分还包括自动温度控制和自动功率控制等保护功能的电路.2、简述光波分复用技术(WD米)的工作原理.答:WD米技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术.其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来(复用),送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,在接受端又将组合波长的光信号分开(解复用),并作进一步处理,恢复出原信号后送入不同的终端,因此将此项技术称为光波长分割复用,简称光波风复用技术.3、简述光时分复用(OTD米)需要解俊的关键技术.答:从目前的研究情况看,实现OTD米需要解决的关键技术如下:（1）高重复率超短光脉冲源;（2）超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术;（3）时钟恢复技术;（4）光时分复用和解复用技术;（5）帧同步及路序确定技术;4、简述WD米光传送网的特点.答:(1)波长路由(2)透明性(3)网络结构的扩展性(4)可重构性(5)可扩容性(6)可操作性(7)可靠性和可维护性六、论述题1、阐述掺铒光纤放大器(FDFA)的应用形式答:(1)系统线路放大器.将FDFA直接接入光纤传输链路中作为在线放大器,或光中继器取代光—电—光中继器,实现光—光放大.可广泛应用于长途通信.越洋通信和CA TV分配网络等领域.(2)功率放大器.将EDFA接在光发射机的光源之后对信号进行放大.由于增加了入纤的光功率,从而可延长传输距离.(3)前置放大器.将EDFA放在光接受几的前面,可以提高光接收机的接受灵敏度.(4)LAN放大器.将EDFA放在光纤局域网络中用作分配补偿器,以便增加光节点的数目,为更多的用户服务.2、阐述光传送网中各子层的功能.答:(1)光信道层.光信道层负责为来自电复用段曾德不同格式的客户星系选择路由和分配波长,为灵活的网络选路安排光信道连接,处理光信道开销,提供光信道层的检测、管理功能,提供端到端的连接,并在故障发生时,通过重新选录或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护到缓和网络恢复.(2)光复用段层.光复用断层保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输,为多波长信号提供网络功能.主要包括:为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能;为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销;为段层的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能.(3)光传输段层.光传输段层为光信号在不同类型的光媒质(如G.652、G.655光纤)上提供传输功能,同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等.通常会涉及的问题是:功率均衡问题,EDFA增益控制问题和色散的积累和补偿问题.第四章传送网技术一、填空题1、传送网可分层电路层、通道层和(传输媒质)层三个子层2、SDH帧结构中的耿告诫同步传送模块有基本模块信号ST米-1的(N倍)组成.3、SDH帧结构可分乘(段开销),ST米-N净负荷和管理单元指针三个基本区域.4、SDH帧结构中的短开销是指为保证信息正常、灵活、有效地传送所必须附加的(字节),主要用于网络的运行、管理、维护及指配.5、SDH帧结构中的信息净负荷指的是可真正用于电信业务的(比特)6、SDH帧结构中设置了两种开销,分别是段开销和(通道)开销.7、在SDH网络基本传送模块ST米-1中,E1和E2字节用于提供(公务联络)语声通路.8、在SDH网络基本传送模块ST米-1中,K1和K2字节用作(APS)指令.9、在SDH网络基本传送模块ST米-1中米1字节用来传送BIP-N*24所检出的(差错块)个数.10、SDH的通用复用映射结构中,具有一定频差的各种支路的业务信号要想复用进ST米-N帧,都要经历映射、(定位校准)和复用三个步骤.11、SDH基本单元中的虚容器是用来支持SDH(通道层)连接的信息结构.12、SDH网络基本单元中的支路单元是一种提供低阶通道层和(高阶)通道层之间适配功能的信息结构.13、SDH网络基本单元中的管理单元式提供高阶通道层和(复用段)层之间适配功能的信息结构.14、在SDH网络中,映射是一种在SDH网络边界处,把支路信号适配装入相应(虚容器)的过程.15、SDH网络中的分差复用器是利用(时隙交换)实现宽带管理.二、单项选择题1、SDH网络中最基本的模块为ST米-1,传输速率为(A)米bit/s.A.155.520C.466.560D.622.0802、SDH技术中采用的帧结构属于块状帧结构并以字节为基础,传输一帧的时间125μs,每秒共传(D)帧.A.600B.800C.6000D.80003、SDH帧结构中的管理单元指针位于帧结构左边的第(C)行.A.2B.3C.4D.54、SDH同步传送基本模块中的定帧字节共有(B)个A1和A2,其目的是尽可能地缩短同步建立时间.A.4B.6C.8D.105、SDH同步基本传送基本模块中的F1字节是为特殊维护目的而提供临时的数据/语声通路连接,其速率为(C)Kbit/s.A.16B.32C.64D.1286、SDH映射单元中,容器C-12的速率为(B)米bit/s.A.1.600B.2.176C.6.784。
LED和LD的光源特性测试实验
LD/LED光源特性测试实验1. 实验目的通过测量LED发光二极管和LD半导体激光器的输出功率－电流（P-I）特性曲线和P-I特性随器件温度的变化，理解LED发光二极管和LD半导体激光器在工作原理及工作特性上的差异。
2. 实验原理2.1 LD工作原理从激光物理学中我们知道，半导体激光器的粒子数反转分布是指载流子的反转分布。
正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带；而空穴则相反。
如果我们用电注入等方法，使p-n结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子在导带，空穴在价带分别达到平衡，如图1所示，那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，称之为载流子反转分布。
注入区称为载流子分布反转区或作用区。
结型半导体激光器通常用与p-n结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。
在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位、方向并不相同的光子。
大部分光子一旦产生便穿出p-n结区，但也有一部分光子在p-n结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生出许多同样的光子。
这些光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。
这样重复和发展，就使得受激辐射趋于占压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。
图1半导体激光器的能带图2.2 LED 工作原理发光二极管是大多由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs （砷化镓）、GaP （磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN 结。
因此它具有一般P-N 结的I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N 区注入P 区，空穴由P 区注入N 区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2所示。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN 结面数μm 以内产生。
激光器功率衰减规律
激光器功率衰减规律激光器是一种利用受激辐射原理产生高强度、高纯度、高单色性激光的装置。
在激光器的使用过程中，我们经常会遇到激光功率衰减的情况。
这是由于多种因素导致的，本文将详细介绍激光器功率衰减的规律。
激光器功率衰减与激光器的使用时间有关。
随着激光器使用时间的延长，激光器的功率会逐渐下降。
这是由于激光器内部的光源和光学元件会受到长时间使用的磨损和老化，导致光的损耗增加，从而使激光器的功率下降。
激光器功率衰减与激光器的温度有关。
激光器在工作过程中会产生大量的热量，如果激光器没有良好的散热系统，温度会不断上升。
当温度超过激光器的额定工作温度范围时，激光器的功率会受到限制，发生衰减现象。
激光器功率衰减还与激光器的使用环境有关。
激光器在使用过程中会受到各种环境因素的影响，如湿度、气温、灰尘等。
这些环境因素会影响激光器的光路，导致光的损耗增加，从而使激光器的功率下降。
激光器功率衰减还与激光器的工作状态有关。
激光器在不同的工作状态下，其功率衰减的程度也会不同。
例如，在连续工作状态下，激光器的功率衰减速度比较快；而在脉冲工作状态下，激光器的功率衰减速度比较慢。
为了减少激光器功率衰减，我们可以采取一些措施。
首先，定期对激光器进行维护保养，及时更换老化的光源和光学元件，确保激光器的正常运行。
其次，保持激光器的工作温度在额定范围内，避免温度过高或过低。
此外，在使用激光器时，要注意环境卫生和湿度控制，避免灰尘和湿气对激光器的影响。
激光器功率衰减是激光器使用过程中不可避免的现象。
它受到多种因素的影响，包括使用时间、温度、使用环境和工作状态等。
了解激光器功率衰减的规律，可以帮助我们更好地使用和维护激光器，延长其使用寿命，提高工作效率。
Littrow结构光栅外腔半导体激光器
（3）对于级光，光程差：
L d sin0 d sin0 0
即：0 k 0
也就是说，在零级这个方向上任意波长的 光都可以出射——各波长的零级谱线是重合的。
然而由于只有发生一级闪耀的光被谐振放大， 所以从零级方向出射的光，该波长的占主导， 为激光。 闪耀光栅相当于一个半透半反镜，一级“反”， 零级“透”。
一、半导体激光器的组成及其激光产生原理
二、激光二极管产生激光的特点 三、外腔结构 四、机械设计 五、电流控制—恒流源 六、温度控制
一、半导体激光器的组成及其激光产生原理 1、组成
增益介质：半导体材料，主要有GaAs、InP、 CdS、ZnS等
泵浦源：电注入、电子束激励和光泵浦三种 主要激励方式
谐振腔：半导体晶体中垂直于PN结平面的两 个解理面（也可以是经过抛光的平面）作为反射 镜构成谐振腔
四、机械结构
五、电流控制—恒流源
由于半导体激光器具有二极管的特性，对于驱动 电源来说是一个非线性负载。
而发光功率随着驱动电流的增大而增大。 为了保证电源供电的安全、可靠、稳定以及低电 压大电流，需要一个恒定电流源。
恒定电流源的电路原理图
六、温度控制
1、温度对半导体激光器稳定度的影响 （1）阈值电流随温度升高而明显增大； （2）温度上升造成激光峰值波长向长波方向漂移； （3）激光管寿命随温度的升高呈指数规律下降； （4）温度变化引起外腔光程长度的改变，导致激光 器工作模式的不稳定。
2、PID温度控制电路
（1）原理：
温度信号
探测器
与预先设置的电
电信号
差值信号
信号做比较
信号处理
驱动制冷器
vcsel温度和波长温漂系数
vcsel温度和波长温漂系数
VCSEL（垂直腔面发射激光器）是一种半导体激光器，其工作温度和波长温漂系数是两个重要的参数。
1. VCSel 温度特性：
VCSEL的工作温度对其性能有显著影响。
通常情况下，VCSEL的输出功率、效率和频率响应随着温度的变化而改变。
当温度升高时，VCSEL的输出功率可能会下降，效率可能会减小，并且频率响应可能会发生偏移。
这是因为在高温下，电子与空穴的复合速度增加，引起载流子非辐射复合增加，从而降低了光发射效率。
此外，温度还会影响VCSEL的热稳定性和寿命。
2. 波长温漂系数：
波长温漂系数是指VCSEL输出光的波长随温度变化的相对变化率。
它用于描述VCSEL在温度变化下产生的波长偏移程度。
波长温漂系数通常以纳米/摄氏度（nm/°C）为单位。
例如，如果一个VCSEL的波长温漂系数为0.1 nm/°C，那么在每摄氏度的温度变化下，其输出波长将偏移0.1纳米。
波长温漂系数对于某些应用非常重要，特别是在需要精确控制光学系统中。
高波长温漂系数的VCSEL可能需要更复杂的温度补偿技术来保持其输出波长的稳定性。
需要注意的是，VCSEL的温度和波长温漂系数是由其设计和制造过程决定的，并且可以根据特定应用需求进行优化。
因此，不同类型和品牌的VCSEL可能具有不同的温度特性和波长温漂系数。
1。
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将电能转化为光能的器件，其中半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器发光原理半导体激光器的发光原理基于电子在半导体材料中的能级跃迁。
半导体材料通常由P型和N型半导体构成，两者之间形成PN结。
当外加电压施加在PN结上时，会形成电场，使得电子和空穴在PN结中发生复合。
这种电子和空穴的复合过程中，会释放出能量，产生光子。
具体来说，半导体激光器的发光过程包括以下几个步骤：1. 注入载流子：通过施加外加电压，使得电子从N区域注入到P区域，同时空穴从P区域注入到N区域。
这样，在PN结附近形成了一个载流子浓度梯度，即电子浓度较高的N区域和空穴浓度较高的P区域。
2. 载流子复合：当电子和空穴注入到相反极性的区域后，它们会在PN结的耗尽层（depletion region）中发生复合。
在复合过程中，电子和空穴的能量被释放出来，形成光子。
3. 光子放大：在PN结的耗尽层中，光子会与周围的电子和空穴发生相互作用，从而引起更多的电子和空穴复合，释放更多的光子。
这种光子的放大过程叫做光放大（optical amplification）。
4. 光反馈：在半导体激光器中，为了增强光放大效果，通常会在PN结两侧加上反射镜，形成一个光学腔（optical cavity）。
这样，在光学腔中，光子可以来回多次反射，与更多的电子和空穴发生相互作用，增加光放大效果。
5. 激光输出：当光子在光学腔中得到足够的放大后，会从一个端面逃逸出来，形成激光输出。
二、半导体激光器工作原理半导体激光器的工作原理基于激光器的发光原理，通过控制电流和温度等参数来实现激光器的工作。
1. 电流控制：半导体激光器的发光强度与注入到PN结中的电流密度有关。
通过控制注入电流的大小，可以调节激光器的发光强度。
一般来说，增加注入电流可以增强激光器的发光强度，但同时也会增加激光器的功耗和温度。
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。
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。
光纤期末题库
复习题一、选择题1.光纤的色散最直接的影响是（B）A、光纤传输损耗B、光纤传输带宽C、光纤传输散射D、光纤传输的光波波长2.光纤色散越大，则（B）。
A、时延越大B、时延差越大C、时延越小D、时延差越小3.下列光纤损耗中属于附加损耗是（C）。
A、吸收损耗B、散射损耗C、工程造成的弯曲损耗D、色散损耗4.激光器要发出激光，输入电流I必需满足（C）A. I＜I th；B. I＜I b；C. I＞I th；D. I＜Is。
5. 受激辐射产生的条件是每个外来光子的能量满足（B）A. hf = E2-E1;B. hf≥E2-E1;C. hf≥E1-E2;D. hf≤E1-E2 。
6. 激光器的发光机理是（C）。
A. 自发辐射；B. 自发吸收；C. 受激辐射；D. 受激吸收。
7. 在激光器中，光的放大是通过（A ）Ａ．粒子数反转分布的激活物质来实现的Ｂ．光学谐振腔来实现的Ｃ．泵浦光源来实现的Ｄ．外加直流来实现的8. 目前光纤通信系统采用的LD的结构种类属于（D）A．F-P腔激光器（法布里—珀罗谐振腔）B．单异质结半导体激光器C．同质结半导体激光器D．双异质结半导体激光器9. DFB激光器与FP激光器相比有（AB）的优点A．单纵模激光器B．普线窄，动态普线好，线性好C．普线宽D．纵横模数多10. 半导体激光二极管(LD)的一个缺点是（B）A．光谱较宽B．温度特性较差C．与光纤的耦合效率较低D．平均发光功率较小11. 随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（C ）A.逐渐减少B.保持不变C.逐渐增大D.先逐渐增大后逐渐减少12. PIN光电二极管的主要特性是（BCD）A．温度特性B．量子效率和光谱特性C．响应时间和频率特性D．噪声13. 掺饵光纤的放大能力（BC）Ａ．由掺铒元素决定Ｂ．由光纤的长度决定Ｃ．由泵浦功率决定Ｄ．由入射光的工作波长决定14. 光纤通信中，光源的间接调制是利用晶体的（ABC）等性质来实现对激光辐射的调制。
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。
半导体激光器的量子效率
半导体激光器的量子效率
半导体激光器的量子效率受到多种因素的影响。
首先，材料的选择对量子效率有显著影响。
优质的半导体材料能够提高电子-空穴对的复合效率，从而提高量子效率。
其次，激光器的结构和制造工艺也会影响量子效率。
精密的结构设计和优化的制造工艺可以减少非辐射复合过程，提高量子效率。
此外，温度和注入电流也会对量子效率产生影响。
通常情况下，较低的温度和适当的注入电流有助于提高量子效率。
在实际应用中，提高半导体激光器的量子效率可以带来多方面的好处。
首先，高量子效率意味着更少的能量被浪费，激光器可以更高效地转化电能为光能。
其次，高量子效率可以降低激光器的工作温度，减少能量消耗，延长器件寿命。
此外，高量子效率还可以提高激光器的输出功率和光谱质量，对于激光器在通信、医疗、材料加工等领域的应用都具有重要意义。
总的来说，半导体激光器的量子效率是衡量其发光效率的重要指标，受到材料、结构、工艺等多方面因素的影响。
提高量子效率对于提升激光器性能、降低能耗、延长寿命具有重要意义。
因此，
科研人员和工程师们一直在努力研究和改进半导体激光器的量子效率，以满足不同领域对激光器性能的需求。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.1 课题背景21世纪被称为光电子时代。
光电子技术是国际上竞争十分激烈的高技术产业之一，其产业值可望占到发达国家国民经济总产值的20%，这一领域研究的开发己成为当前最活跃的技术前沿之一。
其中半导体激光器是光电子产业中最重要的组成部分，世界市场年销量约达一亿支，1994年销售额即达4亿多美元，是继大规模集成电路之后，信息高技术领域中最有发展前途的产品之一。
半导体激光器由于具有体积小、效率高、寿命长、耗能低等优点，在光纤通讯、光盘读写、光缆电视、高效泵浦、激光医疗、材料加工等各领域都发挥着很重要的作用。
半导体发光管(LD)则是半导体光电子显示的核心器件，具有可靠性高、功耗低、抗冲击、寿命长、使用环境温度广等优点，广泛应用于电器、仪器、仪表、通讯、交通、金融、贸易、国防等领域。
半导体激光器的出现，不但为光通讯发展奠定了基础，而且为整个激光技术的发展注入了活力，并在我们日常生产、生活中变成最广泛、最重要的激光器件。
近十几年来，半导体激光器的发展更加迅速，已成为世界上发展最快的一门激光技术。
但在实际使用中，半导体激光器受到微小的电流和温度变化的影响时，将导致半导体激光器输出功率的波动。
光源的稳定性影响仪器的精度，也影响着测量的精度。
目前，提高激光器性能的途径主要有两个：一是应用新的半导体技术来提高激光器器件本身的性能指标；二是提高激光器驱动电源的特性。
同时，半导体激光器也是一个对温度相当敏感的元件，所以研究温度对半导体发光器发光效率的影响是为了更好的使半导体发光器为我们的日常生活服务。
1.2国内外对半导体激光器研究及发展早期研究在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家第一章引言的火车上他写下了有关数据。
回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。
像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。
第二阶段半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs, GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年).单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作.随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄膜(< 20nm)的半导体层作为激光器的激括层，以致于能够产生量子效应，结果会是怎么样?再加之由于MBE,MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。
后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阀值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点.QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100人的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级.因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阅值电流特别低.半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW ).量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已达l0MW/cm3以上而为了得到更大的输出功率，通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵。
因此，量子阱激光器当采用阵列式集成结构时，输出功率则可达到l00W以上.近年来，高功率半导体激光器(特别是阵列器件)飞速发展，已经推出的产品有连续输出功率 5 W ,10W,20W和30W的激光器阵列.脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50W. 120W和1500W的阵列也已经商品化.一个4. 5 cm x 9cm的二维阵列，其峰值输出功率已经超过45kW.峰值输出功率为350kW的二维阵列也已间世。
四川理工学院本科毕业论文（设计）发展方向从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器.在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100，以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W.如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用，然后，波长为650nm,635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，10mW量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中,为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光器，…‟电子束激励半导体激光器以及作为“集成光路”的最好光源的分布反馈激光器(DFB一LD)，分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成双波导激光器.另外，还有高功率无铝激光器(从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管子)、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等.其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制.分布反馈(DF 式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，分布反馈式半导体激光器完全实现了单纵模运作，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景它是一种无腔行波激光器，激光振荡是由周期结构(或衍射光栅)形成光藕合提供的，不再由解理面构成的谐振腔来提供反馈，优点是易于获得单模单频输出，容易与纤维光缆、调制器等辆合，特别适宜作集成光路的光源.面发射器20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器(SEL)，早在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器.1998年GaInAIP/GaA。
面发射激光器在室温下达到亚毫安的网电流,8mW的输出功率和11%的转换效率前面谈到的半导体激光器，从腔体结构上来说，不论是F一P(法布里一泊罗)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构.它们都是沿着衬底片的平行方向出光的.而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F一P腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光器(VCSELS)是一种新型的量子阱激光器，它的激射阀值电流低，输出光的方向性好，藕合效率高，通过阵列化分布能得到相当强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71℃。
另外，垂直腔面发射激光器第一章引言还具有两个不稳定的互相垂直的偏振横模输出，即x模和y模，目前对偏振开关和偏振双稳特性的研究也进入到了一个新阶段，人们可以通过改变光反馈、光电反馈、光注入、注入电流等等因素实现对偏振态的控制，在光开关和光逻辑器件领域获得新的进展。
20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用.980mn,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。
目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络，为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID,短波长LD,盆子线和量子点激光器、中红外LD 等方面.目前，在这些方面取得了一系列重大的成果。
]1[1.3论文的内容本文首先介绍了半导体激光器国内外的研究发展状况。
在第二章中介绍半导体激光器的基本原理，半导体激光器光谱特性曲线以及半导体激光器的发光效率。
第三章和第四章是通过实验来得出温度对于半导体激光器的发光效率的影响，并得出结论。
第五章是对于该论文的展望。
四川理工学院本科毕业论文（设计）第二章半导体激光器2.1半导体激光器2.1.1 半导体激光器的工作原理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.它的工作原理是通过一定的激励方式，当高能态的粒子数多于低能态的粒子数，并且工作电流达到阈值电流时，激光器输出相干的受激光束。
半导体激光器产生激光必须满足三个基本条件：1.粒子数反转：高能级上的电子数目要超过低能级上的电子数目，半导体光器除了有P区和N区之外，中间还有一个不参杂的有源区，当P—N结加偏压时，降低了P区和N区之间的势垒，电子和空穴分别从P区和N区有源区注入，形成粒子数反转(如图2-1)图2—3a ，2—3b分别是两种不同的能带图。
]2[图2—1 粒子数反转第二章半导体激光器图2-2 未注入电流LD能带图图2-3 注入正向电流时LD能带图晶体中的原子紧密相间、周期排列。
原子的外层电子与原子核之间库仑作用力的大小与其距原子核的距离成反比。
各原子相应的一些外层电子运动轨道将发生不同程度的交迭，或者用量子力学表示为他们的电子波函数发生交迭，其结果是使这些电子在各原子相应的轨道上发生不同程度的共有化运动。
由于受到泡利不兼容原理的限制，各原子相应的电子能级在晶体中分裂为能带，因而就形成一系列允许电子存在的能带，这些能带统称为允许带。
在这些允许带中，由价电子占据的带称为价带。
在绝对零度下，价带全为电子所占据，故又称价带为满带。
价带之上的允许带不存在电子而全为空态，故称空带。
价带与满带之间没有允许电子存在的状态，故称为禁带。
禁带宽度用E g 表示，它是决定晶体性质的一个很重要的参量。
一般说，E g >2ev 的晶体材料呈现绝缘体性质; E g ≈0的晶体呈现金属性质; E g 在o 到2eV 之间的晶体材料具有半导体性质。