半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管

半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管第1頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光源：半導(dǎo)體激光器(LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)半導(dǎo)體光源的優(yōu)點：體積小、重量輕、耗電少、易于光纖耦合發(fā)射波長適合在光纖中低損耗傳輸可以直接進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制可靠性高第2頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月一.激光原理的基礎(chǔ)知識1、光的吸收和放大1）能級和能帶2）能級的光躍遷3）光的吸收和放大2、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成晶體中載流子的統(tǒng)計分布PN結(jié)的能帶和增益區(qū)的形成第3頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光的吸收和放大（1）原子能級和晶體的能帶

電子繞核運動的能量是不連續(xù)的、分立的量子態(tài)，稱之為原子的不同能級。E1E2E3E4能量

E第4頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的能帶

晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運動的不同而分裂成若干組，每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶，稱為能帶。第5頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）能級的光躍遷：電子在原子能級間的躍遷過程中以光子形式交換能量。E2E1E2E1h=E2-E1自發(fā)發(fā)射

特點：

Rsp=rspN2=N2/sp

無外界作用，自發(fā)光躍遷；獨立、自發(fā)發(fā)射，非相干光；

典型應(yīng)用：發(fā)光二極管第6頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月E2E1E2E1h

=E2-E1受激輻射特點：

Rste=WstN2

Wst

=C3()/(8n3h3sp)＝B

()

感應(yīng)光子能量應(yīng)等于電子躍遷的能級之差，產(chǎn)生的光子與感應(yīng)光子是相干的，為全同光子；光得到放大。h

=E2-E1典型應(yīng)用：

半導(dǎo)體激光器第7頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月E2E1E2E1h

=E2-E1受激吸收特點：Rsta=WstN1；感應(yīng)光子能量應(yīng)等于電子躍遷的能級之差；消耗外來光能，產(chǎn)生電子－空穴對。典型應(yīng)用：光電二極管第8頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）光的吸收與放大設(shè)光波頻率為，光強(qiáng)為I

，經(jīng)過原子煤質(zhì)

Rste=WstN2

，發(fā)出光能:WstN2h

Rsta=WstN1

,吸收光能：WstN1h單位體積中的凈功率：（N2-N1）Wsth

第9頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月是能量密度第10頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收媒質(zhì)

熱平衡狀態(tài)放大媒質(zhì)

粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)分布，布居翻轉(zhuǎn)對應(yīng)激光放大狀態(tài)第11頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成晶體中載流子的統(tǒng)計分布：費米-狄拉克統(tǒng)計

f(E)=1/[e

(E–Ef)/kK+1]f(E)：電子的費米分布函數(shù)k:玻耳茲曼常數(shù)K：絕對溫度Ef：費米能級，它只是反映電子在各能級中分布情況的一個數(shù)學(xué)參量,位置由電子總數(shù)決定。E=Eff(E)=1/2該能級被電子占據(jù)概率等于50％E<Eff(E)>1/2該能級被電子占據(jù)概率大于50％E>Eff(E)<1/2該能級被電子占據(jù)概率小于50％第12頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體兼并型P型半導(dǎo)體兼并型N型半導(dǎo)體雙兼并型半導(dǎo)體第13頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2）PN結(jié)的能帶和增益區(qū)的形成PN結(jié)第15頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶EfvEfc兼并型P型半導(dǎo)體兼并型N型半導(dǎo)體P區(qū)N區(qū)Ef達(dá)到熱平衡時PN結(jié)的能帶圖PN結(jié)的能帶e0VD勢壘第16頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月加正向電壓(e0V

D>e0V>Eg)PN結(jié)的能帶圖對光子能量滿足：Eg<h<e0V

有光增益光增益區(qū)的形成：加正向電壓第17頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3、半導(dǎo)體激光器的激射條件有源區(qū)里實現(xiàn)足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布當(dāng)處于高能級上的電子數(shù)N2大于處于低能級上的電子數(shù)N1時，受激輻射占據(jù)主導(dǎo)地位，光被放大。N2>N1的情況是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的反常情況（外界激勵），通常稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，或布局反轉(zhuǎn)。(2)存在光學(xué)諧振機(jī)理，并在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩第18頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月M1M2光學(xué)振蕩禁帶(a)利用晶體天然解理面形成法布里-珀羅諧振(F-P)腔(b)利用有源區(qū)一側(cè)的周期性波紋結(jié)構(gòu)提供光耦合形成光振蕩(分布反饋型DFB,分布布喇格反射型DBR)第19頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月制作材料：直接帶隙的半導(dǎo)體材料

發(fā)射波長

hc/EgE第20頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月二、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、分類和主要性質(zhì)

1、F-P腔激光器

(1)F-P腔的作用—建立光振蕩振幅條件：使激光器成為閾值器件

e(th-)2L

?

R=1

th

：閾值時增益系數(shù)：諧振腔內(nèi)部工作物質(zhì)的損耗系數(shù)

L：諧振腔腔長

R：諧振腔兩鏡面反射率之積，R＝R1R2

增加增益的方法：加大注入電流

()=(N2-N1)C2g()/(8n22sp)第21頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月相位條件：使激光器的發(fā)射光譜呈模式振蕩

2L＝q2

q=1,2,3,…：光波的相移系數(shù)，

L：諧振腔腔長

波長光功率第22頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）F-P腔激光器的分類按制作激光器的材料分類:

短波長(0.85m)波段，采用GaAs/GaAlAs

長波長(1.3m～1.55m)，采用InGaAsP/InP按垂直于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類：同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)

雙異質(zhì)結(jié)的作用:帶隙差對載流子有限制作用;

折射率差對光子有限制作用

第23頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月按平行于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類

寬面LD（沒有導(dǎo)向）條形LD：臺面條形平面條形（SiO2條形，質(zhì)子轟擊條形，Zn擴(kuò)散條形等）（增益導(dǎo)向）隱埋條形（折射率導(dǎo)向）第25頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月在整個PN結(jié)面積上均有電流通過的結(jié)構(gòu)是寬面結(jié)構(gòu)；只有PN結(jié)中部與解理面垂直的條形面積上(10m左右)有電流通過的結(jié)構(gòu)是條形結(jié)構(gòu)。條形激光器主要優(yōu)點是閾值電流低，發(fā)熱少，利于散熱，可以改善光譜特性。但受條寬限制不宜作大功率輸出。第26頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月隱埋條形雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示例2第29頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月按激射光束與PN結(jié)平面的關(guān)系分類

按激射光束與PN結(jié)平面的平行或垂直關(guān)系，半導(dǎo)體激光器可分邊發(fā)射(側(cè)面出光)和面發(fā)射(正面出光)結(jié)構(gòu)(1)邊發(fā)射結(jié)構(gòu)

這是一種沿著有源區(qū)的結(jié)平面方向提取光的結(jié)構(gòu)，上面介紹的條形半導(dǎo)體激光器一般都采用這種結(jié)構(gòu)提取光。(2)面發(fā)射結(jié)構(gòu)

這是由表面發(fā)射光的結(jié)構(gòu)，它的發(fā)射結(jié)構(gòu)又分成水平腔和垂直腔結(jié)構(gòu)。

第30頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)特點:1)發(fā)射方向垂直于或傾斜于PN結(jié)平面

2)形成面發(fā)射的機(jī)理有多種情況，包括垂直腔型、水平腔型和向上彎腔型激光器。其中，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是面發(fā)射激光器中最有前途的一種激光器.第31頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月VCSEL(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)的優(yōu)點

發(fā)光效率高，例850nm，10mA電流，1.5mW功率發(fā)射圓形光束，耦合效率高閾值電流極低，工作電流也不高可通過短腔（5~10m）實現(xiàn)單縱模工作高溫度穩(wěn)定性，200Mb/s速率以下應(yīng)用，可不需要APC高工作速率（達(dá)3Gb/s以上)，高張弛振蕩頻率易集成，低價格，高產(chǎn)量第33頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2、量子阱激光器結(jié)構(gòu)特點：有源區(qū)非常薄

量子阱(QW，QuantumWell)半導(dǎo)體激光器是一種窄帶隙有源層夾在寬帶隙半導(dǎo)體材料中間或交替重疊生長，有源層厚度小至德布羅意波長量級的新型半導(dǎo)體激光二極管。性能特點：閾值電流低,輸出功率高

譜線寬度窄，頻率啁啾改善調(diào)制速率高第34頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3、DFB激光器原理：通過周期性的波紋結(jié)構(gòu)提供的光耦合來建立光振蕩，即布喇格反射原理第36頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月布拉格反射條件：

n(D+B)=mnD(1+sin)=m2nD=mm=1,2,3,…布拉格反射原理第37頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

DFB激光器的優(yōu)點

單縱模振蕩線性度好線寬窄：布拉格反射可比作多級調(diào)諧，使諧振波長的選擇性大為提高。

穩(wěn)定性好：因為光柵有助于鎖定在給定的波長上，使其溫度漂移很小。

動態(tài)譜特性好：高速調(diào)制下也保持單模振蕩，雖然動態(tài)譜寬度要比靜態(tài)譜寬展寬，但較F-P腔LD展寬小得多。第39頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月4.發(fā)展趨勢:集成化可調(diào)諧窄化發(fā)射譜線

波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長可調(diào)諧激光器的主要性能指標(biāo)有：調(diào)諧速度和波長調(diào)諧范圍。 溫度調(diào)諧激光器和電流調(diào)諧 外腔可調(diào)諧激光器 雙極DFB激光器 雙極和三極DBR激光器

第41頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Integrated

Devices第42頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月外腔激光器實現(xiàn)大調(diào)諧范圍的一種簡單方法是在LD的兩個端面之一上鍍抗反射膜，然后在其外部加上可調(diào)的光濾波器。這種結(jié)構(gòu)的LD叫外腔可調(diào)諧激光器。外部的光濾波器選擇若干縱模中的一個。通過調(diào)整光濾波器。被選中的模的波長能精確地調(diào)諧直至發(fā)生模式跳變，跳到另一縱模上。第43頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極和三級DFB/DBR激光器波長快速調(diào)諧可通過對LD有源層的載流子注入來實現(xiàn)。這是因為載流子的變化引起折射率的變化，而折射率的變化又改變激射波長。這種效應(yīng)就是前面提到的絕熱啁啾。

第45頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Tunable2-SectionDBRLaseradiscontinuoustuningcharacteristicoverarangeofabitlessthan10nm.第46頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Tunable3-SectionDBRLaser第47頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Operation(ofthe3-sectiondevice)isasfollows:

Currentintheleft-handsectionofthedeviceflowsthroughthegainmediumandherelasing(amplification)takesplace.Inthecentreandrightmostsectionstheelectronfluxwithinthecavitycausesthecavitytochangeinrefractiveindexwithinthesesections.ThechangeinRIcausesthewavelengthofthelightemittedtochangealso.Theright-handsectionhasthegratinginsideit(orratherimmediatelyadjacenttoit)andthisisusedforbroadtuning.Finetuningisaccomplishedbyvaryingthecurrentinthe“phasesection”(middlepart)ofthelasercavity.Adisadvantageofthe3-sectiondeviceisthatitrequiresrelativelycomplexelectronicsforcontrol.第48頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Sampled-GratingTunableDBRLasers第51頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Thisprincipleworksquitewellanddeviceswithatuningrangeofupto100nmhavebeenreportedintheliterature.Commercialdevices(albeitwithamorelimitedtuningrange)arecurrentlyavailable.第52頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月三.半導(dǎo)體激光器的主要特性

1.閾值特性2.效率3.溫度特性4.相對強(qiáng)度噪聲5.頻率啁啾第53頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)閾值性質(zhì)

PIIth激射區(qū)輸出功率大譜線尖銳自發(fā)為主熒光超輻射態(tài)(F-P)第54頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)電光轉(zhuǎn)換效率

功率效率P：定義為激光器輸出光功率Pex與注入激光器的電功率Pin之比。p=Pex/(VjI+I2Rs)內(nèi)量子效率i：定義為有源區(qū)里每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)與有源區(qū)里每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù)之比。

i=Rr/(Rnr+Rr)外量子效率ex：定義為激光器每秒鐘實際輸出的光子數(shù)與每秒鐘外部注入的電子－空穴對數(shù)之比。

ex=(pex/h)/(I/e0)由于h

Ege0V因此

ex

pex/IV第56頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月外微分量子效率D：對應(yīng)P－I特性中閾值以上的線性范圍的斜率。pex=Dh(I-Ith)/e0

D=[(Pex–Pth)/h]/[(I-Ith)/e0]

[Pex/h]/[(I-Ith)/e0]第57頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)溫度特性隨溫度升高：閾值電流增加

外微分量子效率下降峰值波長向長波長方向移動-0.50.51.52.53.54.55.50204060ThresholdCurrent(mA)OutputPower(mW)-40℃25℃85℃Ith=I0exp(K/K0)Ith2=Ith1exp(K2-K1)/K0)第58頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)相對強(qiáng)度噪聲任何半導(dǎo)體激光器既使注入恒定的電流，其輸出的光強(qiáng)和相位都有隨機(jī)起伏，即噪聲。

幅度的起伏用相對強(qiáng)度噪聲(RIN，RelativeIntensityNoise)來描述，它定義為相對輸出光功率的變化的功率譜密度。RIN對光反射非常敏感，對于相位或幅度噪聲敏感的系統(tǒng)，采用光隔離器阻止光后向反射是必要的。第60頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月RIN隨光反射的變化

第61頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)頻率啁啾當(dāng)對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制時，載流子密度的變化會導(dǎo)