半導體激光器講解

1、關于半導體激光器講解現(xiàn)在學習的是第一頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院21.1.光纖通信中的光源將電信號轉(zhuǎn)換為光信號；有兩種：半導體半導體激光激光二極管二極管（LD）； 半導體半導體發(fā)光發(fā)光二極管二極管（LED）；要求：發(fā)射波長與光纖低損耗和低色散波長一致； 在室穩(wěn)下連續(xù)工作，低功耗，譜線窄； 體積小，重量輕，使用壽命長； 制造工藝簡單，成本低，可靠性高；現(xiàn)在學習的是第二頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院32.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理原子的能級結(jié)構： 電子的量子化電子的量子化：能量是離散值

2、； 原子的能級原子的能級：分立的能量值； 基態(tài)（穩(wěn)態(tài)）基態(tài)（穩(wěn)態(tài)）：原子能量最低； 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)：原子能量比基態(tài)高；半導體價帶、導帶、帶隙： 能級能級：分立的能量級； 能帶能帶：單晶中各個原子的最外層軌道相互重疊； 價帶價帶：與原子最外層軌道的價電子對應的能帶； 導帶導帶：價帶上面的能帶； 帶隙帶隙：導帶底Ec與價帶頂Ev之差EgEg；（禁帶寬度禁帶寬度）現(xiàn)在學習的是第三頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院42.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）導體的Eg半導體Eg導體Eg=0；價帶中電子激發(fā)激發(fā)至導帶，留下空穴；臨近電子填補這個空穴，又留下另

3、一個空穴；空穴產(chǎn)生位移；(統(tǒng)稱載流子）導帶中電子躍遷躍遷至價帶，填補空穴，既復合復合；電子（-）、空穴（+）稱為載流子；激發(fā)時電子吸收吸收能量，躍遷時電子輻射輻射能量；Eg=h現(xiàn)在學習的是第四頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院52.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）本征半導體（本征半導體（I I型）型）：雜質(zhì)、缺陷極少的純凈、完整的半導體。電子半導體（電子半導體（N N型）型）：通過摻雜使電子數(shù)目大大地多于空穴數(shù)目的半導體。（GaAs-Te）空穴半導體（空穴半導體（P P型）型）：通過摻雜使空穴數(shù)目大大地多于電子數(shù)目的半導體。（GaAs-Zn

4、）在純凈的-族化合物中摻雜族元素（N型），或摻雜族元素（P型）現(xiàn)在學習的是第五頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院62.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）p-np-n結(jié)結(jié)：P型半導體和N型半導體結(jié)合的界面。現(xiàn)在學習的是第六頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院72.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）擴散擴散運動空間電荷勢壘勢壘自建電場自建電場VD D平衡平衡狀態(tài)。費米能級費米能級E Ef f：描述電子能量狀態(tài)分布的假象能級， Ef f以下的能級，電子占據(jù)的可能性大于1/2，空穴占據(jù)的可能性小于1/

5、2； Ef f以上的能級，空穴占據(jù)的可能性大于1/2，電子占據(jù)的可能性小于1/2。摻雜摻雜：eVD DEg為輕摻雜， eVD DEg為重摻雜。在平衡狀態(tài)下，P區(qū)和N區(qū)有統(tǒng)一的Ef f。正電壓向V漂移漂移運動抵消一部分勢壘（V-VD D） 破壞平衡 P區(qū)和N區(qū)的Ef f分離（準費米能級）?，F(xiàn)在學習的是第七頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院82.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）(Ef f)N N以下的能級，電子占據(jù)的可能性大于1/2， (Ef f)P P以上的能級，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。當正向電壓足夠大時，產(chǎn)生復合發(fā)光。現(xiàn)在學習的是第八頁

6、，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院92.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）普朗克定律普朗克定律：基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷吸收一個光子，激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷發(fā)射一個光子，光子的能量為h=E2-E1。吸收激發(fā)吸收激發(fā)：E1基態(tài)的電子吸收吸收光子能量，激發(fā)到高能態(tài)E2；自發(fā)輻射自發(fā)輻射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)返回基態(tài)E1，自發(fā)輻射自發(fā)輻射一個光子（位相隨機）。受激輻射受激輻射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，向下進入亞穩(wěn)態(tài)，外來光子會激勵電子向下躍遷到基態(tài)E1，受受激輻射激輻射一個光子（位相相同）。現(xiàn)在學習的是第九頁，共50頁光纖通信基礎00-10

7、-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院102.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（光放大的必要條件）：僅當激發(fā)態(tài)的電子數(shù)大于基態(tài)中的電子數(shù)時，受激輻射超過吸收，要利用“泵浦（激勵）”方法。有源區(qū)有源區(qū)：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對光具有放大作用的區(qū)域。光學諧振腔光學諧振腔： 自發(fā)輻射光子 夾角大的逸出 受激輻射光子 全同光子現(xiàn)在學習的是第十頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院112.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）現(xiàn)在學習的是第十一頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院12

8、2.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）諧振腔的三功能：光放大光放大、頻率選擇頻率選擇、正反饋正反饋。閾值閾值條件：增益必須大于損耗；相位平衡相位平衡條件：光波能因干涉而得到加強以形成正反饋（駐波）； fq 諧振頻率， q 諧振波長， q 縱模)RR1ln()L21(g21itnL2cqcfqq現(xiàn)在學習的是第十二頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院132.2.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）頻帶加寬頻帶加寬：增益介質(zhì)的增益-頻率特性； 現(xiàn)在學習的是第十三頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院142.2

9、.半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）橫模橫模TEMmn ：激光振蕩垂直于腔軸方向，平面波偏離軸向傳播時產(chǎn)生的橫向電磁場模式。 現(xiàn)在學習的是第十四頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院153.3.半導體發(fā)光二極管LED利用半導體p-n結(jié)自發(fā)發(fā)光的器件。特點特點：溫度特性好，輸出線性較好，沒有模式色散，驅(qū)動電路簡單，壽命長?，F(xiàn)在學習的是第十五頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院163.3.半導體發(fā)光二極管LED(續(xù)）面發(fā)光二極管現(xiàn)在學習的是第十六頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院

10、武漢大學 電子信息學院173.3.半導體發(fā)光二極管LED(續(xù)）邊發(fā)光二極管現(xiàn)在學習的是第十七頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院183.3.半導體發(fā)光二極管LED(續(xù)）技術參數(shù)： 1.3m LED指 標參 數(shù)邊發(fā)光面發(fā)光最小值典型值最大值典型值發(fā)射波長(m)1.221.301.321.3出纖功率(W)4050/640半高譜寬(nm)608085工作電流(mA)150響應時間(ns)2.5可調(diào)速率(MHz)20070現(xiàn)在學習的是第十八頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院194.4.半導體激光二極管LD

11、同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)：現(xiàn)在學習的是第十九頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院204.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）窄條雙質(zhì)結(jié)雙質(zhì)結(jié)激光二極管激光二極管：現(xiàn)在學習的是第二十頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院214.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）現(xiàn)在學習的是第二十一頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院224.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）管芯制作工藝：InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)現(xiàn)在學習的是第二十二頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信

12、息學院武漢大學 電子信息學院234.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）半導體激光器的特性：雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP現(xiàn)在學習的是第二十三頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院244.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）輸出光束示意圖：兩異質(zhì)結(jié)-駐波-垂直橫模垂直橫模平行有源層-駐波-水平橫模水平橫模兩個反射面-駐波-縱?？v模模式控制：2122n1n12d2122n1n1W21lnS現(xiàn)在學習的是第二十四頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院254.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）隱埋異質(zhì)結(jié)（BH）：現(xiàn)在學習的是第二十五頁

13、，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院264.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）平面隱埋異質(zhì)結(jié)（PBH）：現(xiàn)在學習的是第二十六頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院274.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）雙溝平面隱埋異質(zhì)結(jié)（DC-BH）：現(xiàn)在學習的是第二十七頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院284.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）脊型波導（RW）：現(xiàn)在學習的是第二十八頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院294.4.半

14、導體激光二極管LD(續(xù)）光源與光纖的耦合：現(xiàn)在學習的是第二十九頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院304.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）光耦合透鏡系統(tǒng)：現(xiàn)在學習的是第三十頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院314.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）激光器封裝的目的： 隔絕環(huán)境，避免損害，保證清潔； 為器件提供合適的外引線； 提高機械強度，抵抗惡劣環(huán)境； 提高光學性能；封裝器件的主要要求： 氣密性好，保證管芯與外界隔絕； 結(jié)構牢固可靠，部件位置穩(wěn)定，經(jīng)受住各種環(huán)境； 熱性能好，化學性能穩(wěn)定，抗溫度循環(huán)沖擊

15、； 可焊性好，工藝性好，有拉力強度； 符合標準，系列化，成本低，適合批量生產(chǎn)?，F(xiàn)在學習的是第三十一頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院324.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）同軸激光器的封裝：現(xiàn)在學習的是第三十二頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院334.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）插拔式同軸封裝：現(xiàn)在學習的是第三十三頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院344.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）尾纖式同軸封裝：現(xiàn)在學習的是第三十四頁，共50頁光纖通信基礎0

16、0-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院354.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）14針雙列直插式封裝：現(xiàn)在學習的是第三十五頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院364.4.半導體激光二極管LD(續(xù)）蝶式封裝：現(xiàn)在學習的是第三十六頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院375.5.分布反饋激光二極管（DFB-LD）無集總式反射機構（F-P），由有源區(qū)波導上的Bragg光柵提供反射功能，原理原理：Bragg光柵周期，發(fā)射波長滿足2=m/n (m=0,1,2,) 干涉增強方向2sin=m/n特點

17、特點：單縱模特性好（邊模抑制比可達35dB以上） 窄線寬，波長選擇性好； 溫度特性好，波長溫度飄移為0.09nm/, 調(diào)制特性好，現(xiàn)在學習的是第三十七頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院385.5.分布反饋激光二極管（DFB-LD）現(xiàn)在學習的是第三十八頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院395.5.分布反饋激光二極管（DFB-LD）分布Bragg反射器（DBR）激光二極管現(xiàn)在學習的是第三十九頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院405.5.分布反饋激光二

18、極管（DFB-LD）超結(jié)構光柵DBR可調(diào)諧激光二極管現(xiàn)在學習的是第四十頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院416.6.量子阱半導體激光器有源層尺寸極小有源層與兩邊相鄰層的能帶不連續(xù)導代和價帶的突變勢能阱量子阱效應現(xiàn)在學習的是第四十一頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院426.6.量子阱半導體激光器現(xiàn)在學習的是第四十二頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院436.6.量子阱半導體激光器現(xiàn)在學習的是第四十三頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院447.7.半導體激光器組件現(xiàn)在學習的是第四十四頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武漢大學 電子信息學院458.8.半導體激光器特性與檢測現(xiàn)在學習的是第四十五頁，共50頁光纖通信基礎00-10-10武漢大學 電子信息學院武