半导体激光器讲解
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光纤通信光源 讲 义
武汉大学 电子信息学院 何对燕
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§1.光纤通信中的光源
将电信号转换为光信号； 有两种：半导体激光二极管（LD）； 半导体发光二极管（LED）； 要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致； 在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄； 体积小，重量轻，使用寿命长； 制造工艺简单，成本低，可靠性高；
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2
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§2.半导体中光的发射和激射原理
原子的能级结构： 电子的量子化：能量是离散值； 原子的能级：分立的能量值； 基态（稳态）：原子能量最低； 激发态：原子能量比基态高； 半导体价带、导带、带隙： 能级：分立的能量级； 能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠； 价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带； 导带：价带上面的能带； 带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差Eg；（禁带宽度）
§8.半导体激光器特性与检测
00-10-10
50
00-10-10 10
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
00-10-10
11
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。 阈值条件：增益必须大于损耗；
1 1 g t i ( ) ln( ) 2L R 1R 2
00-10-10
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§4.半导体激光二极管LD(续）
隐埋异质结（BH）：
00-10-10
25
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
平面隐埋异质结（PBH）：
00-10-10
26
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波 偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
00-10-10
14
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§3.半导体发光二极管LED
利用半导体p-n结自发发光的器件。 特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式 色散，驱动电路简单，寿命长。
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§6.量子阱半导体激光器
00-10-10
43
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§7.半导体激光器组件
00-10-10
44
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§8.半导体激光器特性与检测
00-10-10
45
光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量；
Eg=h
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光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、 完整的半导体。 电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大 大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）
空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大 大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）
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光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
00-10-10
38
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
分布Bragg反射器（DBR）激光二极管
00-10-10
39
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：
00-10-10
27
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
脊型波导（RW）：
00-10-10
28
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
光源与光纤的耦合：
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29
Baidu Nhomakorabea
光纤通信基础
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在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N 型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）
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5
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。
00-10-10
6
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
武汉大学 电子信息学院
§4.半导体激光二极管LD(续）
00-10-10
21
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
管芯制作工艺：InGaAsP双异质结
00-10-10
22
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
同轴激光器的封装：
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32
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
插拔式同轴封装：
00-10-10
33
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
§4.半导体激光二极管LD(续）
光耦合透镜系统：
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30
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
激光器封装的目的： ⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁； ⑵为器件提供合适的外引线； ⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境； ⑷提高光学性能； 封装器件的主要要求： ⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝； ⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境； ⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击； ⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度； ⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。
扩散运动→空间电荷势垒→自建电场VD→平衡状态。
费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级， Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占 据的可能性小于1/2； Ef以上的能级，空穴占据的 可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。 掺杂：eVDEg为轻掺杂， eVDEg为重掺杂。 在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。 正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD） →破坏平衡→ P区和N区的Ef分离（准费米能级）。
相位平衡条件：光波能因干涉而得到加强以形成 正反馈（驻波）； c fq 谐振频率， c fq q q q 谐振波长， 2nL q 纵模
00-10-10 12
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
频带加宽：增益介质的增益-频率特性；
00-10-10
13
无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的 Bragg光栅提供反射功能， 原理：Bragg光栅周期，发射波长满足 2=m/n (m=0,1,2,……) 干涉增强方向 2sin=m/n 特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上） 窄线宽，波长选择性好； 温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/℃, 调制特性好，
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光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
导体的Eg半导体Eg导体Eg=0；
价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子 填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生 位移；(统称载流子） 导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合；
电子（-）、空穴（+）称为载流子；
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15
光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED(续）
面发光二极管
00-10-10
16
光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED(续）
边发光二极管
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17
光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED(续）
技术参数： 1.3m LED 指标 边发光 参数 最小值 典型值 最大值 1.30 1.32 发射波长(m) 1.22 40 50/6 出纤功率(W) 60 80 半高谱宽(nm) 150 工作电流(mA) 2.5 响应时间(ns)
00-10-10
23
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
输出光束示意图：
①两异质结-驻波-垂直横模 ②平行有源层-驻波-水平横模 ③两个反射面-驻波-纵模
模式控制：
d 2 1 1 2 2 n2 n1
1 1 2 2 n 2 n1
24
2W S ln 1
普朗克定律：基态到激发态的跃迁—吸收一个光 子，激发态到基态的跃迁—发射一个光子，光子 的能量为h=E2-E1。 吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到 高能态E2； 自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发 返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。
受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下 进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基 态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。
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光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。
当正向电压足够大时，产生复合发光。
00-10-10
8
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
00-10-10 9
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态 的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过 吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。 有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的 区域。
光学谐振腔： 自发辐射光子 夹角大的逸出 受激辐射光子 全同光子
尾纤式同轴封装：
00-10-10
34
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
14针双列直插式封装：
00-10-10
35
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
蝶式封装：
00-10-10
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光纤通信基础
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
00-10-10
46
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§8.半导体激光器特性与检测
00-10-10
47
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§8.半导体激光器特性与检测
00-10-10
48
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§8.半导体激光器特性与检测
00-10-10
49
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
超结构光栅DBR可调谐激光二极管
00-10-10
40
光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§6.量子阱半导体激光器
有源层尺寸极小→有源层与两边相邻层的能带不 连续→导代和价带的突变→势能阱→量子阱效应
00-10-10
41
光纤通信基础
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§6.量子阱半导体激光器
00-10-10
42
可调速率(MHz)
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面发光 典型值 1.3 40 <85
200
70
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD
同质结与异质结：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
窄条双质结激光二极管：
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光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院 何对燕
光纤通信基础
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§1.光纤通信中的光源
将电信号转换为光信号； 有两种：半导体激光二极管（LD）； 半导体发光二极管（LED）； 要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致； 在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄； 体积小，重量轻，使用寿命长； 制造工艺简单，成本低，可靠性高；
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光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理
原子的能级结构： 电子的量子化：能量是离散值； 原子的能级：分立的能量值； 基态（稳态）：原子能量最低； 激发态：原子能量比基态高； 半导体价带、导带、带隙： 能级：分立的能量级； 能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠； 价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带； 导带：价带上面的能带； 带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差Eg；（禁带宽度）
§8.半导体激光器特性与检测
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50
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光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
00-10-10
11
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。 阈值条件：增益必须大于损耗；
1 1 g t i ( ) ln( ) 2L R 1R 2
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
隐埋异质结（BH）：
00-10-10
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
平面隐埋异质结（PBH）：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波 偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
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光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED
利用半导体p-n结自发发光的器件。 特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式 色散，驱动电路简单，寿命长。
光纤通信基础
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§6.量子阱半导体激光器
00-10-10
43
光纤通信基础
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§7.半导体激光器组件
00-10-10
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光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
00-10-10
45
光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量；
Eg=h
00-10-10 4
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、 完整的半导体。 电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大 大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）
空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大 大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）
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光纤通信基础
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
00-10-10
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光纤通信基础
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
分布Bragg反射器（DBR）激光二极管
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光纤通信基础
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：
00-10-10
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
脊型波导（RW）：
00-10-10
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
光源与光纤的耦合：
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Baidu Nhomakorabea
光纤通信基础
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在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N 型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）
00-10-10
5
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。
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6
光纤通信基础
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
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§4.半导体激光二极管LD(续）
00-10-10
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
管芯制作工艺：InGaAsP双异质结
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP
00-10-10 31
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
同轴激光器的封装：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
插拔式同轴封装：
00-10-10
33
光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
§4.半导体激光二极管LD(续）
光耦合透镜系统：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
激光器封装的目的： ⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁； ⑵为器件提供合适的外引线； ⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境； ⑷提高光学性能； 封装器件的主要要求： ⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝； ⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境； ⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击； ⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度； ⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。
扩散运动→空间电荷势垒→自建电场VD→平衡状态。
费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级， Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占 据的可能性小于1/2； Ef以上的能级，空穴占据的 可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。 掺杂：eVDEg为轻掺杂， eVDEg为重掺杂。 在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。 正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD） →破坏平衡→ P区和N区的Ef分离（准费米能级）。
相位平衡条件：光波能因干涉而得到加强以形成 正反馈（驻波）； c fq 谐振频率， c fq q q q 谐振波长， 2nL q 纵模
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
频带加宽：增益介质的增益-频率特性；
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无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的 Bragg光栅提供反射功能， 原理：Bragg光栅周期，发射波长满足 2=m/n (m=0,1,2,……) 干涉增强方向 2sin=m/n 特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上） 窄线宽，波长选择性好； 温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/℃, 调制特性好，
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导体的Eg半导体Eg导体Eg=0；
价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子 填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生 位移；(统称载流子） 导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合；
电子（-）、空穴（+）称为载流子；
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光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED(续）
面发光二极管
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光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED(续）
边发光二极管
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光纤通信基础
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§3.半导体发光二极管LED(续）
技术参数： 1.3m LED 指标 边发光 参数 最小值 典型值 最大值 1.30 1.32 发射波长(m) 1.22 40 50/6 出纤功率(W) 60 80 半高谱宽(nm) 150 工作电流(mA) 2.5 响应时间(ns)
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
输出光束示意图：
①两异质结-驻波-垂直横模 ②平行有源层-驻波-水平横模 ③两个反射面-驻波-纵模
模式控制：
d 2 1 1 2 2 n2 n1
1 1 2 2 n 2 n1
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2W S ln 1
普朗克定律：基态到激发态的跃迁—吸收一个光 子，激发态到基态的跃迁—发射一个光子，光子 的能量为h=E2-E1。 吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到 高能态E2； 自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发 返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。
受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下 进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基 态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。
当正向电压足够大时，产生复合发光。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态 的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过 吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。 有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的 区域。
光学谐振腔： 自发辐射光子 夹角大的逸出 受激辐射光子 全同光子
尾纤式同轴封装：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
14针双列直插式封装：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
蝶式封装：
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光纤通信基础
武汉大学 电子信息学院
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
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光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
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光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
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光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
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光纤通信基础
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超结构光栅DBR可调谐激光二极管
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§6.量子阱半导体激光器
有源层尺寸极小→有源层与两边相邻层的能带不 连续→导代和价带的突变→势能阱→量子阱效应
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光纤通信基础
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§6.量子阱半导体激光器
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可调速率(MHz)
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面发光 典型值 1.3 40 <85
200
70
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD
同质结与异质结：
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光纤通信基础
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§4.半导体激光二极管LD(续）
窄条双质结激光二极管：
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光纤通信基础