半導(dǎo)體激光器講解

1、關(guān)于半導(dǎo)體激光器講解現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院21.1.光纖通信中的光源將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；有兩種：半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光激光二極管二極管（LD）； 半導(dǎo)體半導(dǎo)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(xué)習(xí)的是第二頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院32.2.半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)： 電子的量子化電子的量子化：能量是離散值

2、； 原子的能級(jí)原子的能級(jí)：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(dǎo)體價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙： 能級(jí)能級(jí)：分立的能量級(jí)； 能帶能帶：單晶中各個(gè)原子的最外層軌道相互重疊； 價(jià)帶價(jià)帶：與原子最外層軌道的價(jià)電子對(duì)應(yīng)的能帶； 導(dǎo)帶導(dǎo)帶：價(jià)帶上面的能帶； 帶隙帶隙：導(dǎo)帶底Ec與價(jià)帶頂Ev之差EgEg；（禁帶寬度禁帶寬度）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院42.2.半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）導(dǎo)體的Eg半導(dǎo)體Eg導(dǎo)體Eg=0；價(jià)帶中電子激發(fā)激發(fā)至導(dǎo)帶，留下空穴；臨近電子填補(bǔ)這個(gè)空穴，又留下另

3、一個(gè)空穴；空穴產(chǎn)生位移；(統(tǒng)稱載流子）導(dǎo)帶中電子躍遷躍遷至價(jià)帶，填補(bǔ)空穴，既復(fù)合復(fù)合；電子（-）、空穴（+）稱為載流子；激發(fā)時(shí)電子吸收吸收能量，躍遷時(shí)電子輻射輻射能量；Eg=h現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院52.2.半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）本征半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體（I I型）型）：雜質(zhì)、缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。電子半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)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(dǎo)體。（GaAs-Te）空穴半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)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(dǎo)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(xué)習(xí)的是第五頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院62.2.半導(dǎo)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(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合的界面。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院72.2.半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）擴(kuò)散擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間電荷勢(shì)壘勢(shì)壘自建電場自建電場VD D平衡平衡狀態(tài)。費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)E Ef f：描述電子能量狀態(tài)分布的假象能級(jí)， Ef f以下的能級(jí)，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(jí)，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?fù)诫s。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(yùn)動(dòng)抵消一部分勢(shì)壘（V-VD D） 破壞平衡 P區(qū)和N區(qū)的Ef f分離（準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)）。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院82.2.半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）(Ef f)N N以下的能級(jí)，電子占據(jù)的可能性大于1/2， (Ef f)P P以上的能級(jí)，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。當(dāng)正向電壓足夠大時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁

6、，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院92.2.半導(dǎo)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(gè)光子，激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷發(fā)射一個(gè)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(gè)光子（位相隨機(jī)）。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(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，外來光子會(huì)激勵(lì)電子向下躍遷到基態(tài)E1，受受激輻射激輻射一個(gè)光子（位相相同）?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10

7、-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院102.2.半導(dǎo)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(dāng)激發(fā)態(tài)的電子數(shù)大于基態(tài)中的電子數(shù)時(shí)，受激輻射超過吸收，要利用“泵浦（激勵(lì)）”方法。有源區(qū)有源區(qū)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)光具有放大作用的區(qū)域。光學(xué)諧振腔光學(xué)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(xué)習(xí)的是第十頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院112.2.半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院12

8、2.2.半導(dǎo)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(qiáng)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(xué)習(xí)的是第十二頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院132.2.半導(dǎo)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(xué)習(xí)的是第十三頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院142.2

9、.半導(dǎo)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(shí)產(chǎn)生的橫向電磁場模式。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院153.3.半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED利用半導(dǎo)體p-n結(jié)自發(fā)發(fā)光的器件。特點(diǎn)特點(diǎn)：溫度特性好，輸出線性較好，沒有模式色散，驅(qū)動(dòng)電路簡單，壽命長。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院163.3.半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED(續(xù)）面發(fā)光二極管現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院

10、武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院173.3.半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED(續(xù)）邊發(fā)光二極管現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院183.3.半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED(續(xù)）技術(shù)參數(shù)： 1.3m LED指 標(biāo)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(yīng)時(shí)間(ns)2.5可調(diào)速率(MHz)20070現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院194.4.半導(dǎo)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(xué)習(xí)的是第十九頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院204.4.半導(dǎo)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(xué)習(xí)的是第二十頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院214.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院224.4.半導(dǎo)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(xué)習(xí)的是第二十二頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信

12、息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院234.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）半導(dǎo)體激光器的特性：雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院244.4.半導(dǎo)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(gè)反射面-駐波-縱?？v模模式控制：2122n1n12d2122n1n1W21lnS現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院254.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）隱埋異質(zhì)結(jié)（BH）：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁

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

14、導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）光源與光纖的耦合：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院304.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）光耦合透鏡系統(tǒng)：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院314.4.半導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度，抵抗惡劣環(huán)境； 提高光學(xué)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(gòu)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(xué)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(qiáng)度； 符合標(biāo)準(zhǔn)，系列化，成本低，適合批量生產(chǎn)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院324.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）同軸激光器的封裝：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院334.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）插拔式同軸封裝：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院344.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）尾纖式同軸封裝：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)0

16、0-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院354.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）14針雙列直插式封裝：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院364.4.半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù)）蝶式封裝：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院375.5.分布反饋激光二極管（DFB-LD）無集總式反射機(jī)構(gòu)（F-P），由有源區(qū)波導(dǎo)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(qiáng)方向2sin=m/n特點(diǎn)

17、特點(diǎn)：單縱模特性好（邊模抑制比可達(dá)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(xué)習(xí)的是第三十七頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院385.5.分布反饋激光二極管（DFB-LD）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)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(xué)習(xí)的是第三十九頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院405.5.分布反饋激光二

18、極管（DFB-LD）超結(jié)構(gòu)光柵DBR可調(diào)諧激光二極管現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院416.6.量子阱半導(dǎo)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(dǎo)代和價(jià)帶的突變勢(shì)能阱量子阱效應(yīng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院426.6.量子阱半導(dǎo)體激光器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院436.6.量子阱半導(dǎo)體激光器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院447.7.半導(dǎo)體激光器組件現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院458.8.半導(dǎo)體激光器特性與檢測(cè)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共50頁光纖通信基礎(chǔ)00-10-10武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院武