半導(dǎo)體激光器ppt課件

1、半導(dǎo)體激光器簡介 劉正君 2010年4月24日,目錄 半導(dǎo)體激光器分類 半導(dǎo)體發(fā)光機理 半導(dǎo)體的分類 半導(dǎo)體激光器的原理和結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器性質(zhì) 幾種典型半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器應(yīng)用及舉例,半導(dǎo)體激光器分類 半導(dǎo)體激光器的種類很多，下圖進行了簡單示意。半導(dǎo)體激光器可以根據(jù)有源層材料、發(fā)射波長、器件結(jié)構(gòu)、輸出功率和應(yīng)用領(lǐng)域等不同方式進行劃分，分類方式靈活，相互交錯,半導(dǎo)體激光器不同種類示意圖,固體由原子組成，原子具有量子化的能級。由于化學(xué)環(huán)境及物理的原因，原子的能級要發(fā)生變化 每個原子核外電子的能級疊合成彼此相差很小的一組能帶：原子內(nèi)層能級被電子填滿，由它們形成的能帶也被電子占滿，稱為滿帶(價

2、帶)；外層能級未被電子填滿，它們形成的能帶亦未被填滿，稱為導(dǎo)帶。兩者間的能量距離g，稱為禁帶。 下圖簡略表示出半導(dǎo)體、絕緣體、及金屬的能帶，這里僅畫出了導(dǎo)帶和滿帶。從能帶角度看，半導(dǎo)體和絕緣體的差別僅在于兩者的禁帶不同，前者較窄，后者很寬，而金屬的 g =0,固體的能帶理論,一、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)光機理 物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的圖象： 半導(dǎo)體固體能帶結(jié)構(gòu) (由多個原子的能級組成,1）半導(dǎo)體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子在外場作用下運動而參與導(dǎo)電,3）金屬導(dǎo)體沒有禁帶，可顯示很強的導(dǎo)電性,2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性很差,滿帶,導(dǎo)帶,滿帶,導(dǎo)帶,滿帶,導(dǎo)帶,1）半

3、導(dǎo)體,禁帶,禁帶,2） 絕緣體,3）金屬,1）本征半導(dǎo)體 純凈的半導(dǎo)體，如硅、鍺等。 半導(dǎo)體禁帶寬度窄、在外場的作用下, 導(dǎo)帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。（本征導(dǎo)電性。見下圖,外 場,滿帶,導(dǎo)帶,半導(dǎo)體的分類,硅的晶格結(jié)構(gòu),硅的晶格結(jié)構(gòu) (平面圖,本征半導(dǎo)體材料 Si,電子和空穴是成對出現(xiàn)的,Si電子受到激勵躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對出現(xiàn),此時外加電場，發(fā)生電子/空穴移動導(dǎo)電,2）雜質(zhì)半導(dǎo)體,當(dāng)四價的元素中 摻入少量五價元素時形成n 型半導(dǎo)體。如：硅中摻入雜質(zhì)磷后，磷原子在硅中形成局部能級位于導(dǎo)帶底附近（稱為施主能級）。 一般溫度下，雜質(zhì)的價電子很容易 被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電電

4、子，使導(dǎo)帶中的電子濃度大大增加。 n 型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主,n 型半導(dǎo)體,外場,滿帶,導(dǎo)帶,施主能級,n 型半導(dǎo)體,As+4,As+5,非本征半導(dǎo)體材料：n型,摻入第V族元素(如磷P, 砷As, 銻Sb)后，某些電子受到很弱的束 縛，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。 這個電離過程稱為雜質(zhì)電離,施主雜質(zhì),P 型半導(dǎo)體,四價的元素中摻入 少量三價元素時形成 P 型半導(dǎo)體，如：在硅中摻入三價的雜質(zhì)硼，雜質(zhì)原子的局部能級位于價帶頂附近（稱為受主能級）。 一般溫度下，滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質(zhì)能級上，滿帶中留下的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。P

5、型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主,外場,滿帶,導(dǎo)帶,受主能級,P 型半導(dǎo)體,附：幾個3、4、5價的元素,非本征半導(dǎo)體材料：p型,摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量 DEA Eg 就可以產(chǎn)生自由空穴,B,受主雜質(zhì),P-N結(jié),正向連接時，P中的空穴和N中的電子都易于通過P-N 結(jié)， 形成P N的正向宏觀電流,2）作用： PN結(jié)具有單向?qū)щ娮饔?是制造整流器和集成電路的基本結(jié)構(gòu),結(jié)果：交界處出現(xiàn)正、負(fù)電偶層，阻擋繼續(xù)擴散達到平衡，形成P-N結(jié),P型材料中的空穴將向N型材料擴散；N型材料中的電子將向P型材料擴散,正向連接,反向連接,反向連接時，P中的空穴和N中的電子都難以通過P

6、-N 結(jié)。故 P-N結(jié)具有單向?qū)щ姷男阅?1）形成：P與N密切接觸,自發(fā)輻射與受激輻射： 導(dǎo)帶的電子不穩(wěn)定，向價帶躍遷與空穴復(fù)合而放出光子光輻射。如果躍遷是自發(fā)的，則光子具有隨機的方向、相位及偏振態(tài)，稱為自發(fā)輻射； 如果受到入射光子的激勵，輻射的光子與入射光子有相同的方向、相位及偏振態(tài)，稱為受激輻射,半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)光與吸收,光作用下的躍遷和輻射,E2 - E1 = hv,E1,E2,a) 受激躍遷,hv,E1,E2,b) 自發(fā)輻射：非相干光,hv,E1,E2,c) 受激輻射：相干光,hv,hv,hv,LD的原理和結(jié)構(gòu),激光，英文LASER是Light Amplification by Sti

7、mulated Emission of Radiation (受激輻射的光放大)的縮寫。激光器產(chǎn)生激光的條 件是： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 產(chǎn)生大量的受激輻射 光反饋 光放大 (增益 損耗) 相位條件 波長選擇,粒子的正常玻爾茲曼分布,要得到激光，必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射占優(yōu)勢，為保證實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須有,1）激勵能源（泵浦）電、光、氣體放電、化學(xué)、核能等,2）工作物質(zhì)（激活物質(zhì)），實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),諧振腔,腔內(nèi)受激發(fā)射的光子，沿軸來回反射、強度增大，凡傳播方向偏離軸方向的逸出而淘汰,反射鏡鍍有多層膜，適當(dāng)選擇其厚度，使所需波長得到“相長干涉” 后，反射加強，光強度得到放大,精心設(shè)計腔長，使所需頻率的

8、波形成駐波(兩端為波)， 形成穩(wěn)定的振蕩得到加強,兩端裝有布儒斯特窗，得到所需的偏振態(tài),諧振腔的作用：產(chǎn)生與維持光的振蕩加強；使激光有極好的方向性、單色性。即對光放大實行 選擇、控制、增強 的作用,光學(xué)諧振腔：法布里珀羅 (F-P) 諧振腔,1. 將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔 (F-P腔,2. 光的產(chǎn)生及方向選擇 1) 少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子 2) 偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大 3) 軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子,3. 通過來回反射，特定波長的光最終得到放大，并被輸出,法布里珀羅 (F-P) 諧振腔,半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu) LD的通用結(jié)構(gòu) 如圖所示，一個典型的半

9、導(dǎo)體激光器應(yīng)當(dāng)由下面幾部分組成： 有源區(qū)（又稱為增益區(qū)） 有源區(qū)是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、有光增益的區(qū)域。有源區(qū)通常由一個或多個垂直方向的PN結(jié)構(gòu)成。 光反饋裝置 在光學(xué)諧振腔內(nèi)提供必要的正反饋以促進激光振蕩。 頻率選擇元件 用來選擇由光反饋裝置決定的所有縱模中的一個模式。 光束的方向選擇元件 光反饋裝置可以選擇激光器光束的方向。 光波導(dǎo) 用于對所產(chǎn)生的光波在器件內(nèi)部進行引導(dǎo),簡單的半導(dǎo)體激光器由帶隙能量較高的P型和N型半導(dǎo)體材料和一層很薄的有源層構(gòu)成。在PN結(jié)加上正向偏置電壓后，電子從N區(qū)向P區(qū)流動，空穴從P區(qū)向N區(qū)流動，在作用區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。當(dāng)注入電流較小時，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴

10、數(shù)目較少，此時只能自發(fā)輻射（熒光），光向四面八方傳播；當(dāng)注入電流大到一定程度時，便向外輸出激光,半導(dǎo)體激光器的工作原理,半導(dǎo)體激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件： (1)增益條件：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實現(xiàn)，將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子

11、與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。 (2)要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對F-P腔(法布里一玻羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P一n結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F一P腔,3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及激光從腔面輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閾值條件。

12、當(dāng)激光器達到閾值，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。可見在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程,半導(dǎo)體激光器的性質(zhì) 1、伏安特性 伏安特性描述的是半導(dǎo)體激光器的純電學(xué)性質(zhì)，通常用V-I曲線表示。V-I曲線的變化反映了激光器結(jié)特性的優(yōu)劣。與伏安特性相關(guān)聯(lián)的一個參數(shù)是LD的串聯(lián)電阻。對V-I曲線進行一次微商即可確定工作電流（I）處的串聯(lián)電阻（dV/dI）。對LD而言總是希望存在較小的串聯(lián)電阻,典型的V-I曲線和相應(yīng)的dV/dI曲線,2、P-I特性 P-I 特性揭示了激光器輸出光功率與注入電流之間的變化規(guī)律，因此是激光器最重要的特性之一,典

13、型的激光器P-I曲線,由P-I曲線可知，半導(dǎo)體激光器是閾值型器件，隨注入電流的不同而經(jīng)歷了幾個典型階段。 當(dāng)注入電流較小時，有源區(qū)里不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位，半導(dǎo)體激光器發(fā)射普通的熒光，光譜很寬，其工作狀態(tài)類似于一般的發(fā)光二極管。 隨著注入電流的加大，有源區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射開始占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流仍小于閾值電流時，諧振腔里的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nèi)建立起一定模式的振蕩，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的僅僅是較強的熒光，稱為“超輻射”狀態(tài)。 只有當(dāng)注入電流達到閾值以后，才能發(fā)射譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄并出現(xiàn)單峰（或多峰）。 P-I 特性曲線決定了一系列半導(dǎo)體

14、激光器參數(shù)與特性,半導(dǎo)體激光器的工作特性 1閾值電流。當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個因素： （1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。 （2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。 （3）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。 （4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室

15、溫下工作,2方向性。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達20-30；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10左右（見下圖,3效率 量子效率 每秒發(fā)射的光子數(shù)每秒到達結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù) 77K時，GaAs激光器量子效率達7080；300K時，降到30左右。 功率效率1輻射的光功率加在激光器上的電功率 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的1最高10，只有在低溫下才能達到3040。 4光譜特性。由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K

16、時為840nm；300K時為902nm,半導(dǎo)體激光器的模式特性 LD的模式特性首先取決于光腔的三個線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵，它的頻率才會出現(xiàn)在輸出光中。在實際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對系統(tǒng)性能影響較大的兩個參量。 LD工作在基橫模時，相干性最好，因此要求LD在設(shè)計和結(jié)構(gòu)上保證基橫模工作。根據(jù)基橫模的條件通過對光載流子的橫向以及垂直向限制、減小有源區(qū)寬度和厚度等措施可以實現(xiàn)LD的基橫模工作,半導(dǎo)體激光器的空間模式 可以將半導(dǎo)體激光器的模式分為空間模和縱模(軸模)。前者描述圍繞輸出光束軸線某處的光強分

17、布，或者是空間幾何位置上的光強(或光功率)的分布，也稱遠(yuǎn)場分布；后者則表示是一種頻譜，它反映所發(fā)射的光束其功率在不同頻率(或波長)分量上的分布。二者都可能是單?；蛘叨嗄?。 邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有非圓對稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且，在垂直于異質(zhì)結(jié)平面方向(稱橫向)和平行于結(jié)平面方向(稱側(cè)向)有不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光場限制情況，因此半導(dǎo)體激光器的空間模式又有橫模與側(cè)模之分。圖3.3.1表示了這兩種空間模式,由于有源層厚度很薄(約為0.15m)，都能保證在單橫模工作；而在側(cè)向，則其寬度相對較寬，因而視其寬度可能出現(xiàn)多側(cè)模。如果在這兩個方向都能以單模(或稱基模)工作，則為理想的TEM00模，此時出現(xiàn)光強峰值在光束中

18、心且呈“單瓣”。這種光束的光束發(fā)散角最小、亮度最高，能與光纖有效地耦合，也能通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到較小的斑點，這對激光器的應(yīng)用是非常有利的。相反，若有源區(qū)寬度較寬，則發(fā)光面上的光場(稱近場)在側(cè)向表現(xiàn)出多光絲，好似一些并行的發(fā)光絲，在遠(yuǎn)場的側(cè)向則有對應(yīng)的光強分布，如圖3.3.2所示。這種多側(cè)模的出現(xiàn)以及它的不穩(wěn)定性，易使激光器的P-I特性曲線發(fā)生“扭折”(kink)，使P-I線性變壞，這對信號的模擬調(diào)制不利；同時多側(cè)模也影響與光纖高效率的耦合，側(cè)模的不穩(wěn)定性也影響光纖功率的穩(wěn)定性；不能將這種多側(cè)模的激光束聚焦成小的光斑。 由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對稱，其遠(yuǎn)場呈橢圓狀，其長、短軸分別

19、對應(yīng)于橫向與側(cè)向。在許多應(yīng)用中需用光學(xué)系統(tǒng)對這種非圓對稱的遠(yuǎn)場光斑進行圓形處理,激光器縱模的概念 激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜是導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬；只有當(dāng)激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場強，這個場強使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。 在眾多的縱模中，只有那些頻率落在增益介質(zhì)的增益曲線范圍內(nèi)，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。在縱

20、向，光波以駐波形式振蕩。相鄰縱模的頻率間隔為,激光器的多模（a）及單模（b）輸出譜,2)縱模的性質(zhì) 縱模數(shù)隨注入電流而變：隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個模式開始占優(yōu)勢，直到出現(xiàn)單個窄線寬的光譜為止。峰值波長隨溫度變化：半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長隨結(jié)區(qū)溫度而變化。當(dāng)結(jié)溫升高時，半導(dǎo)體材料的禁區(qū)帶寬變窄，因而使激光器發(fā)射光譜的峰值波長移向長波長。動態(tài)譜線展寬：對激光器進行直接強度調(diào)制會使發(fā)射譜線增寬，振蕩模數(shù)增加。這是因為對激光器進行脈沖調(diào)制時，注入電流不斷變化，使有源區(qū)里載流子濃度隨之變化，進而導(dǎo)致折射率隨之變化，激光器的諧振頻率發(fā)生漂移，動態(tài)譜線展寬。調(diào)制速率越高

21、，調(diào)制電流越大，譜線展寬的越多。動態(tài)譜線展寬對高速光纖通信非常不利，各種動態(tài)單模激光器已得到迅速發(fā)展，如DFB LD及DBR LD,激光器在不同注入電流下的發(fā)射光譜與輸出功率,半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長隨結(jié)區(qū)溫度而變化。當(dāng)結(jié)溫升高時，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度變窄，因而使激光器發(fā)射光譜的峰值波長移向長波長,3)動態(tài)單模半導(dǎo)體激光器 實現(xiàn)LD單縱模工作的方法：采用短腔結(jié)構(gòu)，增大相鄰縱模間隔,使增益譜線范圍內(nèi)只有一個譜線存在，短腔制造困難，LD輸出功率低。 采用波長選擇反饋，使不同的縱模有不同的損耗，包括：分布反饋結(jié)構(gòu)和耦合腔結(jié)構(gòu)。單縱模LD的性能通常由邊模抑制比（MSR）來表征，定義為MSR=Pmm/Ps

22、m。Pmm為主模功率； Psm為最大邊模功率。一個較好的單縱模LD，MSR應(yīng)大于30dB。 (4)線寬 線寬是LD輸出光譜的另一個重要參量。窄的線寬有利于減小光纖的色散。LD輸出的影響線寬源于兩個因素：一是激光腔內(nèi)自發(fā)輻射引起的光場相位脈動；二是載流子濃度脈動引起的折射率變化，使光腔諧振頻率發(fā)生變化,單縱模LD,沿著諧振腔前后的軸線方向，形成的駐波。條件為： L=m(/2n) M:模的級次；n: 折射率；:波長。 性能評價：邊模抑制比(MSR): MSR=Pmm/Psm Pmm主模的功率， Psm最大邊模的功率,單縱模LD的設(shè)計原則：基于縱模的損耗差，即損耗小的模先達到閾值條件而成為振蕩主模,

23、橫模,每個縱模都存在多個橫模：基模亮度高、光斑小 1) 與諧振腔軸有微小夾角的光束經(jīng)多次反射仍滿足閾值條件 2) 工作物質(zhì)的色散、散射效應(yīng)及腔內(nèi)光束的衍射效應(yīng)等等 抑制橫模的數(shù)量 - 增加輸出光的亮度、減小發(fā)散角,半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì) 半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)直接影響到調(diào)制光信號的質(zhì)量，研究激光器瞬態(tài)性質(zhì)的出發(fā)點是耦合速率方程。激光器在調(diào)制時的主要瞬態(tài)現(xiàn)象和效應(yīng)有： （1）對激光器進行直接調(diào)制時，激光輸出與注入電脈沖之間存在電光延遲時間。 （2）激光器在瞬態(tài)過程中存在張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振蕩。是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來的固有特性。張弛振蕩頻率與注入

24、電流有關(guān)。 （3）由于在瞬態(tài)過程中激光器有電光延遲現(xiàn)象，而在電脈沖過后，載流子有一定的存儲時間，導(dǎo)致高速數(shù)字調(diào)制時激光輸出出現(xiàn)碼型效應(yīng),4）由于激光器對溫度很靈敏及注入電流的熱效應(yīng)，在比特速率不是很高時，輸出光會出現(xiàn)結(jié)發(fā)熱效應(yīng),5）某些激光器在某些注入電流下還會出現(xiàn)自脈動現(xiàn)象。 自脈動：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。 張弛振蕩和自脈動的結(jié)合：激光器激射以后，先出現(xiàn)一個張弛振蕩的過程，隨后則開始持續(xù)自脈動,調(diào)制,外調(diào)制：使用調(diào)制器(如MZM)對輸出的光信號進行調(diào)制,激光器的調(diào)制技術(shù),內(nèi)調(diào)制：信息流直接控制激光器的驅(qū)動電流 ( 40GHz,內(nèi)調(diào)制基本依據(jù)：P-I曲線,例：OTIP的

25、超短脈沖光源U2T TMLL 1550 閾值電流在40 mA左右,LD的調(diào)制是通過改變其 驅(qū)動電流的辦法實現(xiàn)的,若在每次脈沖調(diào)制之后都完全停止發(fā)光，會產(chǎn)生碼型效應(yīng)。因 為在電脈沖開始作用時，激光器需要一個時延來獲得足以克服 光損耗的增益。這個時延由自發(fā)載流子壽命決定,內(nèi)調(diào)制速率限制：電光時延,解決辦法是在LD上持續(xù)加一個IBias = Ith，但會降低消光比,激光場的張弛振蕩頻率為,直接調(diào)制頻率需小于張弛振蕩頻率。否則，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生張弛振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真,當(dāng)電流脈沖突然加到LD上時，其光輸出呈現(xiàn)圖示的動態(tài)響應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生光子間相互作用的量子力學(xué)過程,內(nèi)調(diào)制速率限制：張弛

26、振蕩,解決的辦法是在LD上持續(xù)加一個IBias,LD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器,溫度升高： - 閾值電流呈指數(shù)增長 - 輸出功率則明顯下降，當(dāng)達到一定溫度時LD不激射,LD的溫度特性,溫控對LD的正常使用至關(guān)重要,LD的溫控設(shè)備,F-P腔半導(dǎo)體激光器 F-P腔激光器是指采用法布里-珀羅諧振腔作為光反饋裝置的半導(dǎo)體激光器的統(tǒng)稱。它的基本原理如圖,F-P腔激光器一般沿垂直PN結(jié)方向構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié)，有源區(qū)薄層夾在P-型和N-型限制層中間。工作電流通過電極注入有源區(qū)，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和電子空穴對的復(fù)合發(fā)光。有源區(qū)還同時起到光波導(dǎo)作用，利用兩端晶體的天然解理面作為反射鏡，構(gòu)成矩形介質(zhì)波導(dǎo)諧振腔，并在

27、腔內(nèi)產(chǎn)生自激振蕩。F-P腔激光器通常以邊發(fā)射方式由諧振腔的一端輸出激光光束,量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱激光器（QW LD）是指有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器,a）SQW （b）MQW （c）應(yīng)變MQW 量子阱方案的能帶示意圖,結(jié)構(gòu)特點：兩種不同成分的半導(dǎo)體材料在一個維度上以薄層的形式交替排列而形成的周期結(jié)構(gòu)，從而將窄帶隙的很薄的有源層夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間，形成勢能阱 。量子阱激光器的有源區(qū)非常薄，普通F-P腔激光器的有源區(qū)厚度為100200nm，而量子阱激光器的有源區(qū)只有110nm。當(dāng)有源區(qū)的厚度小于電子的德布羅意波的波長時，電子在該方向的運動受到限制，態(tài)密度呈類階梯形分布，從而形成

28、超晶格結(jié)構(gòu)。 特性：閾值電流很低，而激光器的輸出功率卻相當(dāng)高；譜線寬度窄，頻率啁啾改善；調(diào)制速率高,量子阱半導(dǎo)體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應(yīng)用，同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的優(yōu)點，導(dǎo)致了固體激光器的不斷更新,垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL,1990年：閾值電流低(100 mA) ，輸出功率大，激光純度高； 發(fā)光面大、易于耦合； 體積小、易于集成，可應(yīng)用于WDM多波長系統(tǒng)中,分布反饋式 (DFB) 激光器,內(nèi)置布拉格光柵FBG： 只有符合反射條件的 光會得到強烈反射經(jīng) 歷放大過程,輸出的波長為,m是縱模的階數(shù),分布反饋激光

29、器DFB 基本工作原理：波紋光柵是由于材料折射率的周期性變化而形成，它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點，在一定的條件下，所有的反射光同相相加，形成某方向光的主極強。 特性：單縱模振蕩；譜線窄，波長穩(wěn)定性好；動態(tài)譜線好；線性度好。 分布反饋激光器DFB是隨著集成光學(xué)的發(fā)展而出現(xiàn)的，具有動態(tài)單模特性和良好的線性。DFB激光器結(jié)構(gòu)上的特點是：激光振蕩不是由反射鏡面來提供，而是由折射率周期性變化的波紋結(jié)構(gòu)（波紋光柵）來提供，即在有源區(qū)的一側(cè)生長波紋光柵,DFB激光器照片,分布布拉格反射 (DFR) 激光器,DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端 - DBR激光器的特點和工作特性與DFB激光器類似，但

30、其閾值 電流要比DFB激光器的閾值電流高,半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用 一、在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用：）光纖通信。光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實用化的光源。）光盤存取。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤存儲器，其最大優(yōu)點是存儲信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤的存儲密度。）光譜分析。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等。）光信息處理。半導(dǎo)體激光器已用于光信息處理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，二維列陣是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，可用于光計算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 ）激光微細(xì)加工。借助于Q開關(guān)產(chǎn)生的高能量超短光脈沖，對集成電路進行切割、打孔等。）激光

31、報警器。半導(dǎo)體法庭光報警器的用途甚廣，包括防盜竊案報警、水位報警、車距報警等。）激光機打印機。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機，采用藍、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。）激光條碼掃描器。激光條碼掃描器已廣泛用于商品的銷售以及圖書和檔案的管理。）抽運固體激光器。這是高功率半導(dǎo)體激光器的一個重要應(yīng)用，采用它來取代原來的氙燈，可以構(gòu)成全固態(tài)激光系統(tǒng)。）高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機可以投放市場，它利用紅、藍、綠三色激光，估計其耗電量比現(xiàn)有的電視機低20,激光電視是利用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生紅、綠、藍三種波長的連續(xù)激光作為彩色激光電視的光源，通過電視信

32、號控制三基色激光掃描圖像。 一個激光器總是發(fā)射確定波長和顏色的光線，可以通過在激光器前面安裝專門的晶體或光導(dǎo)生成紅綠藍顏色，然后在這些材料內(nèi)通過所謂的聚焦將激光轉(zhuǎn)化成期望的顏色。放映時，將紅綠藍數(shù)據(jù)送到激光單元內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)器上，視頻數(shù)據(jù)通過調(diào)幅轉(zhuǎn)換成光學(xué)信息，帶有紅綠藍光線的三分射線組合成單一的激光射線，而包含所有圖像信息的激光束再通過光纜送到放映頭，最后投射到銀幕上。 激光電視合成圖像的原理與電視機相似。激光束從上到下、從左到右進行“掃射”。水平偏轉(zhuǎn)（行掃描）通過放映頭中的一個多面旋轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)，垂直偏轉(zhuǎn)（幀掃描）通過一個傾斜鏡實現(xiàn)。 激光電視與傳統(tǒng)電視相比具有如下特點： (1) 激光電視清晰

33、度高、屏幕尺寸靈活。由于不存在聚焦問題，鮮艷的圖像可以投射到各種材料表面，甚至是彎曲的表面，仍然可以清晰成像。 (2) 激光電視可以發(fā)展成為特超大屏幕電視、電影和投影一體化多功能產(chǎn)品。它較等離子體和液晶電視機工藝簡單，亮度比大屏幕液晶電視機亮，且不受視角的方向性影響。 (3) 激光是100單色光，紅、綠、藍三色激光可利用數(shù)字信號分別調(diào)制，因為色譜純凈，所以彩色效果非常理想?，F(xiàn)有的電視技術(shù)其實只能顯示出肉眼可見色彩中的30%, 而激光電視則能讓你看到可見色彩中的70%。激光晶體管的室溫壽命一般可達10萬小時，經(jīng)高溫老化試驗推算出的室溫壽命可達百萬小時，因此它是一種長壽命高可靠性的產(chǎn)品。 (4)

34、激光電視是利用激光束投射成象, 所以在大屏幕高亮度情況下，投射出的大功率激光束如直接照射到觀看者的眼睛，其安全性就不容忽視。所以在目前封閉式光路的背投激光電視是主要方向。 (5) 用于桌面的正投式激光電視由于顯示的屏幕尺寸小, 所以激光功率很小, 觀看安全。在將電源和無線接收單元外置的情況下, 主機可以制成象香煙盒大小的尺寸，國外已有相應(yīng)產(chǎn)品出現(xiàn),二、在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用：）激光手術(shù)治療。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項技術(shù)。）激光動力學(xué)治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過半導(dǎo)

35、體激光照射使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無損害。）生命科學(xué)研究。使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以捕捉活細(xì)胞或染色體并移至任意位置，已經(jīng)用于促進細(xì)胞合成、細(xì)胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù),脈沖激光的透切原理: 脈沖激光的透切原理，可以是光致發(fā)熱作用，也可以是由于光致電場及光致壓強作用?，F(xiàn)在使用的Q開關(guān)Nd：YAG激光，可以對眼內(nèi)的無色素組織施行光切術(shù)。Nd：YAG激光是波長為1064nm的近紅外光，對于半透明的無色素組織，約有50%的吸收率，因而對眼底組織作用很小。臨床上主要是用來對膜性的白內(nèi)障等無色素組織進行透切。它是利用調(diào)Q方式，使激光脈沖寬度窄至毫微米級，從而

36、達到高強度低能量的目的，主要利用其壓強作用和強電場的擊穿作用進行光切。由于持續(xù)時間極短，熱馳豫時間幾乎為零，所以切口處幾乎無熱損傷。至于Nd:YAG激光倍頻后得到的Fd-Nd:YAG激光，由于其波長532nm與A+激光中的綠光（514.5nm）接近，所以其透切原理也是利用光致發(fā)熱作用,1. 光學(xué)計算機斷層術(shù)即光學(xué)CT（optical computed tomography,激光斷層攝影,1）X射線CT圍繞人體旋轉(zhuǎn)小型X射線源，由檢測器陣列測定X射線透射量后進行數(shù)字化，再對這些數(shù)據(jù)以特定的算法（CT算法）利用計算機求解后構(gòu)成斷層像（tomography）。如下圖所示，光從A點入射到生物體內(nèi)，在點B上觀察透射光，此時透