半导体激光器主要性能参数定义
半导体激光器有源区长度
半导体激光器有源区长度半导体激光器有源区长度是指半导体激光器中的有源区（即激光器芯片的活动区域）的长度。
有源区长度是半导体激光器性能的重要参数之一，它直接影响到激光器的发射特性、输出功率和光束质量等方面。
本文将一步一步回答关于半导体激光器有源区长度的问题，探讨其对激光器性能的影响。
第一步：了解半导体激光器结构半导体激光器是一种使用带隙不同的两种半导体材料构成的pn结构，通过注入电流使其在有源区域产生激光辐射。
有源区通常由多个量子阱组成，每个量子阱中的电子和空穴通过复合过程产生光子，从而实现激光的输出。
有源区的长度决定了激光器的活动区域，进而影响其性能。
第二步：影响有源区长度的因素有源区长度的选择是半导体激光器设计中的关键问题，通常受到以下因素的影响：1. 谐振腔长度：有源区长度通常与谐振腔长度相匹配。
谐振腔是激光器中光的反射区域，决定了激光的增益和放大程度。
有源区长度应使得光在谐振腔中得到足够的增益和反射，同时避免过大的损耗。
因此，合适的有源区长度可以实现最佳的谐振腔匹配，提高激光器性能。
2. 激光波长：有源区长度还与激光器的波长选择有关。
不同波长的激光器需要不同长度的有源区来实现最佳效果。
这是因为不同波长的光在半导体材料中的吸收深度不同。
合适的有源区长度可以使光在材料中得到最大的增益和放大。
3. 非线性效应：有源区长度还可能受到非线性效应的影响。
在一定条件下，非线性效应可能导致激光的失真和功率损耗。
有源区长度的选择应考虑非线性效应产生的影响，以确保激光器的输出稳定和效果良好。
第三步：有源区长度与激光器性能的关系有源区长度对半导体激光器的性能有着直接的影响。
以下是有源区长度与激光器性能之间的关系：1. 输出功率：有源区长度的增加通常会导致激光器的输出功率增加。
这是因为较长的有源区可以提供更多的激光辐射面积，从而增加激光的总功率。
然而，在一定范围内，有源区长度增加过大可能导致光深度过浅，增益减小，使得激光器输出功率变差。
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 。
激光器的种类及性能参数总结
激光器的种类及性能参数总结半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器中文名称：半导体激光器英文名称：semiconductor laser定义1：用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。
所属学科：测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科）定义2：以半导体材料为工作物质的激光器。
所属学科：机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科）定义3：一种利用半导体材料PN结制造的激光器。
所属学科：通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科）半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。
（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。
（3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。
（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~ 10˚左右。
（6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。
工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。
一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。
准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。
中文名称：准分子激光器英文名称：excimer laser定义：以准分子为工作物质的激光器。
所属学科：机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科）在医学领域中使用的激光器种类非常多,常用于眼科治疗的主要有红宝石(rudy)激光、氩离子(Ar+)激光、氪离子(Kr+)、染料(dye)激光、掺钕钇铝石榴石(Nd:Y AG)激光和氟化氩(ArF)准分子激光等固体、气体和液体的激光器，用连续的、脉冲的和调Ｑ的方式，治疗眼底部色素膜和屈光间质等部位的数十种有关眼部疾病。
半导体激光器芯片前腔反射率
半导体激光器芯片前腔反射率半导体激光器芯片前腔反射率是影响激光器性能的重要参数之一。
在半导体激光器中，前腔反射率决定了激光的输出功率、波长和谐振模式等关键指标。
本文将从理论和实践两个方面阐述半导体激光器芯片前腔反射率的意义和影响。
理论上讲，半导体激光器芯片前腔反射率是指激光器中的两个反射镜之间的光反射比例。
前腔反射率高，意味着更多的光能被反射回前腔，从而增加了激光器的增益，提高了输出功率。
反之，前腔反射率低，则会导致激光损耗过大，输出功率下降。
因此，合理选择适当的前腔反射率对于实现高效的激光器至关重要。
在实际应用中，半导体激光器芯片前腔反射率对激光器的性能有着直接的影响。
首先是输出功率。
较高的前腔反射率可以提高激光器的增益，增加输出功率。
同时，合理选择前腔反射率还可以优化激光器的谐振模式，使激光器输出单模激光，提高光束质量。
其次是激光器的波长稳定性。
前腔反射率也会影响激光器的波长选择，较高的前腔反射率有助于减小激光器波长对温度和电流的敏感性，提高波长的稳定性。
此外，前腔反射率还会影响激光器的阈值电流和差分量化效应等性能指标。
在实际设计和制备半导体激光器芯片时，选择合适的前腔反射率是必不可少的。
一般来说，前腔反射率的选择需要考虑以下几个因素。
首先是激光器的应用场景和需求。
不同的应用场景对激光器的功率、波长等参数有不同的要求，因此需要根据具体需求来选择前腔反射率。
其次是激光器的结构和材料。
不同的激光器结构和材料对前腔反射率的要求也不同，需要结合实际情况来选择合适的反射率。
最后是激光器的制备工艺。
制备工艺对于前腔反射率的控制也有一定的限制，需要考虑工艺的可行性。
总结起来，半导体激光器芯片前腔反射率是影响激光器性能的重要参数，合理选择适当的前腔反射率可以提高激光器的输出功率、波长稳定性和谐振模式等关键指标。
在实际应用中，需要根据具体需求和实际情况来选择合适的前腔反射率，确保激光器的性能达到最佳状态。
半导体激光器的研究和应用领域正不断发展，前腔反射率的研究和优化仍然是一个重要的课题，希望通过不断的努力，能够进一步提高激光器的性能，推动半导体激光器技术的发展。
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。
半导体激光器的频率
半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为 Thermo Electric Cooler，简称 TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器 件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。
半导体激光器控温系统的核心元件
珀耳帖(Peltier)效应
当有电流通过不同的导体组成的回 路时，除产生不可逆的焦耳热外， 在不同导体的接头处随着电流方向 的不同会分别出现吸热、放热现象。 如果电流从自由电子数较高的一端A 流向自由电子数较低的一端B，则B 端的温度就会升高；反之，B端的温 度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖在 1834年发现的。
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的温度控制框图
温度采集
比 较 器
控制电流
温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集， 送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积 分微分控制(PID Controller, Proportional-Integral-Differential Controller)处理后通过改 变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对 半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith 、工作 电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。
(1) 波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、 670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以 由波长计测得。
785半导体激光器参数
785半导体激光器参数
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它的参
数包括以下几个方面：
1. 波长，半导体激光器的波长是指其产生的激光的波长范围，
常见的波长包括可见光范围和红外光范围，如800纳米、850纳米、1310纳米等。
2. 输出功率，输出功率是指半导体激光器输出的激光功率，通
常以毫瓦（mW）为单位。
不同类型的半导体激光器具有不同的输出
功率，可以从几毫瓦到数百毫瓦不等。
3. 调制带宽，调制带宽是指半导体激光器可以进行调制的频率
范围，这对于一些需要进行调制的应用非常重要，比如光通信领域。
4. 工作温度范围，半导体激光器的工作温度范围也是其重要参
数之一，不同的半导体材料和器件结构对温度的稳定性要求不同，
一般来说工作温度范围可以从零下几十摄氏度到上百摄氏度不等。
5. 调制深度，调制深度是指半导体激光器进行调制时输出光功
率的变化范围，通常以百分比表示。
调制深度越大，激光器的调制性能越好。
6. 散热要求，半导体激光器在工作过程中会产生热量，因此散热是一个重要的参数。
散热要求包括散热结构、散热材料和散热性能等方面。
总的来说，半导体激光器的参数涉及到光学、电学、热学等多个方面，不同的应用对其参数有不同的要求，因此在选择和设计半导体激光器时需要综合考虑这些参数。
激光二极管的主要参数与特点
激光二极管的主要参数与特点激光二极管是一种特殊的半导体激光器，其主要参数和特点决定了它在许多领域的广泛应用。
本文将从以下几个方面介绍激光二极管的主要参数和特点。
一、激光二极管的主要参数1. 波长（Wavelength）：激光二极管所发射的光的波长是其最基本的特性之一，常见的波长范围包括红光（630 nm - 680 nm）、绿光（520 nm - 530 nm）和蓝光（445 nm - 465 nm）。
不同波长的激光二极管在不同应用场景具有不同的优势。
2. 输出功率（Output Power）：激光二极管的输出功率是指其每秒钟发出的激光光束的总能量，通常以毫瓦（mW）为单位。
输出功率决定了激光二极管在不同应用中的使用范围和功效。
3. 效率（Efficiency）：激光二极管的效率表示其将电能转化为光能的能力。
它通常以百分比形式表示，是定义为输出光功率与输入电功率之比。
高效率的激光二极管可以减少能源消耗，并延长其使用寿命。
4. 波束质量（Beam Quality）：波束质量是指激光二极管输出的激光光束的空间特性，包括光束直径、散斑尺寸和模式。
波束质量的好坏影响激光光束的聚焦能力和传输质量，对于特定应用场合的要求各不相同。
二、激光二极管的特点1. 小巧便携：相比传统的气体激光器或固态激光器，激光二极管的尺寸较小，重量较轻，易于携带和安装。
这使得激光二极管在便携式设备和远程控制系统中得到广泛应用。
2. 高效能低能耗：激光二极管的效率较高，能够将电能转化为光能的比例较高，从而减少能源的消耗。
与传统激光器相比，激光二极管的能源利用率更高。
3. 快速启动和关断时间：激光二极管的启动时间较短，通常为数微秒到数毫秒，而关断时间也较快。
这使得激光二极管可用于需要快速响应的应用，如通信、医疗和测量。
4. 长寿命和稳定性：激光二极管的使用寿命通常可以达到几千到几万小时，且不需要常规的维护。
激光二极管具有较好的温度稳定性和抗振动能力，适用于各种复杂环境下的应用。
半导体激光器国家标准
半导体激光器国家标准（二）远场光强分布Far field intensity distribution在距离远远大于光源瑞利长度的接收面上得到的光强分布。
近场光强分布Near field intensity distribution在输出腔面（AR面）上的光强分布。
近场非线性Near field non-linearity热应力引起阵列或巴条中各个发光单元在垂直p-n结的方向上发生的位移，导致激光器阵列或巴条近场各个发光单元不在一条直线上，又称为"smile"效应。
偏振Polarization半导体激光器是利用光波导效应将光场限制在有源区内，使光波沿着有源区层传播，并通过腔面输出，半导体激光器的偏振特性与电场和磁场两个空间变量有关，对于横向电场（TE）偏振光，只存在（Ey，Hx，Hz）三个分量，对于横向磁场（TM）偏振光，只存在（Ex，Ez，Hy）三个分量。
半导体激光器偏振特性优劣通常用偏振度来表征，偏振度为两种偏振态的光功率差与光功率和的比值，通常以百分比表示。
热阻Thermal resistance热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，激光器产生1W 热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。
波长-温度漂移Wavelength-temperature shift半导体激光器稳定工作时，结温每升高1℃所引起的波长变化，单位是nm/K。
斜率效率Slope efficiency器额定光功率的10％和90％对应的光功率差值△P与相应工作电流的差值△I的比值称为斜率效率。
光功率-电流曲线扭折Optical power-current curve kink光功率-电流曲线上出现的非线性变化的拐点。
扭折表征了光功率与工作电流的线性关系的优劣。
光输出饱和Optical output saturation光输出饱和是指理想的线性响应光输出的跌落，表征光输出效率下降。
FBG 、DFB 、FP三类激光器的比较分析
FBG、DFB、FP三类激光器的比较分析FP:Fabry-perot法布里-珀罗，就是说LD内有法布里-珀罗谐振腔；fp是F-P 腔的，多纵模。
DFB：DistributeFeedback分布反馈式.DFBLD与FPLD的主要区别在于它没有集总反射的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的。
DFB是分布式负反馈的，单纵模。
FBG：Fiber Bragg Grating即光纤布拉格光栅。
DFB激光器性能参数DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出，此类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。
多用在1550nm波长上，速率为2.5G以上。
DFB激光器有以下性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。
-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。
阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
其典型参数见下表所示：FP激光器FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。
这类器件的特点；输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。
FP激光器有以下性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。
阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
典型参数见下表所示：FBG激光器在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
目前应用主要集中在光纤通信领域（光纤激光器、光纤滤波器）和光纤传感器领域（位移、速度、加速度、温度的测量）。
半导体激光器pl谱和增益谱的关系
半导体激光器pl谱和增益谱的关系半导体激光器pl谱和增益谱的关系半导体激光器是一种广泛应用于光通信和生物医学领域的重要光源。
在半导体激光器的研究中，PL谱和增益谱是两个重要的参数。
本文将从以下四个方面分析半导体激光器PL谱和增益谱的关系。
1.半导体激光器PL谱的含义PL谱指的是半导体材料在外部激励下的光发射谱，是评价半导体材料光致发光性能的参数之一。
PL谱包含两个方面的信息：一是载流子的复合弛豫过程，即较低的能级上的载流子受到激发后激发态的复合情况；二是光输出的颜色，即PL波长。
2.半导体激光器增益谱的含义增益谱指的是填充载流子后半导体激光器的增益谱线，是评价激光器性能的一个重要参数。
增益谱考虑的是电路中的能量传输，即激光器中激发态和基态的吸放光与相应载流子的数目之间的关系。
增益谱与激光器的材料和结构密切相关，对激光器的性能有着决定性的影响。
3.半导体激光器PL谱和增益谱的关系半导体激光器的PL谱与增益谱有着密切的关系。
从物理意义上来看，PL谱反映了载流子复合发光过程，而增益谱反映的是光放大过程。
激光器的增益谱线与材料中谷底（CB底）和导带（VB底）的态密度有关，而这些态的分布与复合速率和能带结构等因素有关。
因此，PL谱与增益谱信息有所关联。
4.半导体激光器PL谱和增益谱的应用半导体激光器的PL谱和增益谱在半导体材料和激光器工作中有着广泛的应用。
PL谱的研究可以帮助确定半导体材料的组分、能带宽度以及结构等；而增益谱可以帮助设计激光器的材料和结构。
当半导体材料集成在激光器中工作时，PL谱主要用于表征激光器材料的光致发光特性，而增益谱则用于评价激光器性能。
总结：半导体激光器的PL谱和增益谱是两个重要的参数，二者具有密切的关联。
了解PL谱和增益谱之间的关系可以帮助设计和优化半导体激光器材料和结构，进一步推动半导体激光器在光通信和生物医学领域的应用。
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。
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。
半导体激光器的主要性能
4.5.2 半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转变为光能的效率。 分别用功率效率和外微分量子效率描述。 1）功率效率
2）外微分量子效率
而其中的
定义为斜率效率：
4.5.3 半导体激光器的空间模式
分为空间模和纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某 处的光强分布（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有 横模与侧模之分（如下图所示）。纵模则是一种频谱，表示所发射的光 束功率在不同频率（波长）分量上的分布。
下面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响。
4.5.6 半导体激光器的动态特性
的电阻< 1欧），L1为引线电感（1-2nH），Cs为旁路电容（0.3-1pF）。 选择并控制Cs和L1可明显抑制类谐振现象。
4.5.7 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，使其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成了热量，引起激光器的温升。结果导致使 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、并严 重影响器件的寿命。 解决办法：
4.5.5 半导体激光器的线宽
定义：表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处 的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm左右，在阈值以上的谱线 宽度大约在2-3nm或更小。
半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很多，主要原因如下： 1）LD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q值低； 2）有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化，增加了激光输出相 位的随机起伏（或相位噪声）。
1）加风扇或者冷水循环降温； 2）使用帕尔贴半导体制冷器。 （通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现LD的温度稳定，见下图）
半导体激光器阈值电流密度
半导体激光器阈值电流密度概述半导体激光器是一种将电能转换为光能的装置，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
阈值电流密度是半导体激光器的一个重要参数，直接影响其性能和效率。
什么是阈值电流密度在半导体激光器中，阈值电流密度是指当激光器电流密度超过一定阈值时，激光器开始产生激光。
阈值电流密度通常用单位面积（A/cm²）来表示。
阈值电流密度与激光器的材料类型、结构设计、工艺制备等因素相关。
通过研究和优化阈值电流密度，可以提高激光器的效率和稳定性。
影响半导体激光器阈值电流密度的因素1. 材料类型半导体激光器的材料类型对阈值电流密度有重要影响。
常见的半导体材料有GaN、InP、GaAs、InGaAs等。
不同材料的能带结构、载流子扩散性能等差异导致了阈值电流密度的差异。
2. 结构设计半导体激光器的结构设计也会影响阈值电流密度。
例如，对于垂直腔面发射激光器（VCSEL），其结构中引入了光腔增强机制，可以降低阈值电流密度，提高激光器的效率。
3. 温度温度也是影响阈值电流密度的因素之一。
一般情况下，半导体激光器的阈值电流密度会随着温度的升高而增加，因为高温会增加载流子的损失和漏泄电流。
4. 工艺制备半导体激光器的工艺制备过程中的参数选择和优化，也会对阈值电流密度产生影响。
例如，合理控制扩散和外延过程中的温度、原料气流、掺杂浓度等参数，可以减小晶体缺陷，降低阈值电流密度。
优化阈值电流密度的方法1. 材料选择选择具有较小的阈值电流密度的材料，可以在一定程度上提高半导体激光器的性能。
目前，GaN材料被认为是半导体激光器领域的热门材料之一，因其具有优异的载流子迁移率和较小的阈值电流密度。
2. 结构优化通过调整激光器的结构设计，可以降低阈值电流密度。
例如，采用VCSEL结构可以有效降低阈值电流密度，并具有较高的效率。
3. 温度控制控制激光器的工作温度，可以在一定程度上降低阈值电流密度。
适当降低激光器的工作温度，有利于减小载流子的损失和漏泄电流。
- 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)。
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 5.261065.21.01064101031029
8=⨯=⨯⨯⨯=∆
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。
光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。
谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。
两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。
不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。
5.三种类型的QCL
按振荡腔设计的差异，QCL可以分为三大类：
图1：QC激光器的基本结构包括FP-QCL（上图）、DFB-QCL（中图）和ECqcL（下图）。
增益介质显示为灰色，波长选择机制为蓝色，镀膜面为橙色，输出光束为红色。
FP-QCL：最简单的结构是F-P（法布里-珀罗）腔激光器（FP-QCL）。
在F-P 结构中，切割面(天然理解面)为激光提供反馈，有时也使用介质膜以优化输出。
DFB-QCL：第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。
这种结构（DFB-QCL）可以输出较窄的光谱，但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。
通过最大范围的温度调谐，DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐（通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围，或者通过快速注入电流加热调谐获得2~3cm-1的范围）。
图中光栅的周期为A，称为栅距。
只有满足下式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。
式也称为分布反馈条件（一般m取1）。
EcqcL:将QC芯片和外腔结合起来，形成ECqcL。
这种结构既可以提供窄光谱输出，又可以在QC芯片整个增益带宽上（数百cm-1）提供快调谐（速度超过10ms）。
由于ECqcL结构使用低损耗元件，因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。
6.三种类型的光通信激光器
在常用的三种激光中，FP激光比DFB激光容易产生，但FP激光的光线较宽(>1nm)，波长的温度漂移也较大(0.5nm/℃)，因此不适用于高速和/或远程应用。
DFB激光的光线则相对较窄(<0.04nm)，波长对温度的漂移也较小(0.1n m/℃)，因此就比较适合高性能的通信应用。
但DFB激光也有缺陷。
首先，它工作在1500nm波段时很容易产生啁啾，因此通常需要外加调制器(在1300nm 波段此局限并不重要)；其次，它没有FP或VCSEL激光那样容易产生，而且所需的阈值电流也比VCSEL激光大。
VCSEL激光的优点是线宽较窄(0.35nm)且波长对温度漂移较小(0.06nm /℃)。
另外，VCSEL激光的阈值电流也较小(1mA)，在相同的输出功率下，它比DFB激光和FP激光的效率更高，而且不象DFB激光那样容易产生啁啾。
因而，即使速度为10Gbps的数据也可以直接采用VCSEL激光调制。
最后，比起其它激光，制造和调整准直VCSEL都比较容易，这样就能够生产低成本基于V CSEL的收发器。
这些特性看起来足以使VCSEL成为高性能通信应用的理想解决方案。
其中850nm的VCSEL已经获得大规模的应用，但是由于长波长（1310 nm、1550nm）的VCSEL具有输出功率不足以及制造工艺复杂等缺点，一直未能获得大规模应用。