講座之二LD參數(shù)

1、第一部分 半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)介第二部分 半導(dǎo)體激光器基本工藝第三部分 半導(dǎo)體激光器光電參數(shù)第四部分 半導(dǎo)體激光器可靠性半導(dǎo)體激光二極管8/9/202213、激光器參數(shù)種類3.1 電學(xué)參數(shù) 閾值電流-Ith 正向電流-IF 正向電壓VF 反向電壓VBR半導(dǎo)體激光二極管 8/9/20222 微分串聯(lián)電阻Rs 監(jiān)視電流Im MPD暗電流-ID 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202233.2 光學(xué)參數(shù) 輸出功率-Po 峰值波長-p 光譜半寬 邊模抑制比SMSR(僅對(duì)DFB LD) 光束半角 消光比EXT半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202243.3 熱學(xué)參數(shù) LD熱阻： RT LD 特征溫度：T0 發(fā)射波長與溫度

2、的關(guān)系參數(shù)： (nm/)半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202253.3 其它參數(shù) 跟蹤誤差-TE 相對(duì)強(qiáng)度噪聲-RIN 上升/下降時(shí)間tr/tf 載止頻率-fc半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202264. 參數(shù)說明4.1 Ith閾值電流定義：在正向電流注入下，LD開始振蕩(開始發(fā) 出激光)時(shí)所需要的電流 測(cè)量Ith的方法有三：雙斜率法兩條直線延長線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)電流軸的電流遠(yuǎn)埸法用變象管熒屏觀察光譜法從發(fā)射的光譜圖上確定Ith半導(dǎo)體激光二極管 8/9/20227典型P-I/V-I/I-Im曲線達(dá)到閾值時(shí)的必要條件式中： i 腔體內(nèi)部損耗系數(shù) L： LD腔長 R1R2： LD端面反射系數(shù)半導(dǎo)體激光二極管 8

3、/9/202284.2 IF-工作電流定義：在規(guī)定激光器的輸出功率下所對(duì)應(yīng)電 流軸的電流值(IF=Ith+I)半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202294.3 VF/Vop-正向?qū)妷?正向工作電壓定義： 在正向驅(qū)動(dòng)電流IF=1mA時(shí)所對(duì)應(yīng)X軸交點(diǎn)處的值即 為VF 在正向驅(qū)動(dòng)電流IF=Ith+20mA時(shí)所對(duì)應(yīng)X軸交點(diǎn)處的 值即為Vop半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202210VF/VOP:正向?qū)妷?正向工作電壓半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022114.4 VBR/IR-反向擊穿電壓/反向電流定義： 在規(guī)定的反向電流下所對(duì)應(yīng)于U軸(x軸)的反 向電壓值就是VBR 在規(guī)定的反向電壓下所對(duì)應(yīng)于I軸(y軸

4、)的電 流就是反向電流IR(A)半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202212VBR:反向擊穿電壓半導(dǎo)體激光二極管 VBR8/9/2022134.6 RS微分串聯(lián)電阻(單位：)半導(dǎo)體激光二極管 VII-VP-II-Im8/9/202214公式表達(dá)式為： 從式中可以看出：要想降低Rs，就必須減小V 要想減小V，就必須提高表面濃 度和增加表面接觸面積以及提高 表面附著力半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022154.7 Im:監(jiān)視電流(單位：A)通過MPD檢測(cè)到的LD在規(guī)定(Ith+20mA)的光輸出功率下，在給定的MPD反向電壓(Vb=5V)時(shí)所檢測(cè)到的LD背向輸出光功率的光電流值作用：在模塊應(yīng)用中執(zhí)行自動(dòng)功

5、率控制（APC）取值：m=300800A半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022164.8 Id:MPD暗電流(單位為nA) 它是指MPD無光照時(shí)，在規(guī)定的反向電壓(Vb=5V)下所產(chǎn)生的熱電流為暗電流。 暗電流與溫度呈線性增加，與足夠大的反向偏壓無關(guān)(即： Vb VBR情況)。半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022174.9 Po：光輸出功率(單位：mW)定義：當(dāng)LD正向偏置時(shí)，在規(guī)定的工作電流（Ith+20mA）下所探測(cè)到的輸出光功率值半導(dǎo)體激光二極管 P-IIth=6.9mAPo=5.6mW8/9/2022184.10 Pth：閾值光輸出功率(單位mW)定義：閾值以下自發(fā)輻射的光輸出功率定義為閾值

6、光輸出功率半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022194.11 d：外微分量子效率(單位：mW/mA)定義：閾值以上P-I曲線線性段dI/dP之比，它是衡量器件把注入的電子-空穴對(duì)轉(zhuǎn)換成向外發(fā)射光子(輸出功率)的效率。用公式可表示為：式中：受激受激發(fā)射的內(nèi)量子效率 i腔體內(nèi)部損耗 L 器件腔長 R器件端面反射半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022204.11 d：外微分量子效率(單位：mW/mA)i 為內(nèi)微分量子效率; i 為腔體損耗; L為激光器腔長; R為腔體端面反射率; 為光限制因子; A、B為增益系數(shù); d為有源層厚度。 從式(3)可以看出, 要降低Jth 就要減小d和增大, 以及增大L。但是,

7、 我們從圖5中可以看出, 要想增大則需要增大d。因而, 要同時(shí)減小和增大是不可能的。同樣, 增加L可以降低Jth , 但是從式(4)可知, 增加L不會(huì)使D 降低, 因此對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇就需要兼顧Jth 和d, 我們?nèi)=1.01.5, L=400500m。半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202221d：外微分量子效率半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022224.12 p / c/ mean/ ：峰值波長/中心波長/平 均波長/光譜半寬 定義：在LD規(guī)定的光輸出功率下，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波 長被定義為峰值發(fā)射波長在發(fā)射光譜中，連接-3dB最大幅度值線段的中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長定義為 中心波長在

8、發(fā)射光譜中，將幅度大于峰值2%的所有光譜模式的加權(quán)平均值定義為 平均波長在LD規(guī)定的光輸出功率下，主模中心波長的最大峰值功率下降-3dB時(shí)的 最大全寬定義為光譜半寬。 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202223注： 對(duì)于F-P LD，ITUT957建議的最大均方根（RMS）定義為光譜寬度 對(duì)于DFBLD，ITUT957建議的最大-20dB 寬度為光譜寬度 但是，通常我們是3dB時(shí)候來確定光譜寬度注：ITU-T-國際電信聯(lián)合會(huì)半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202224F-P腔光譜曲線圖半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202225DFB光譜曲線圖半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202226:LD波長半導(dǎo)體激光二極管

9、式中：h普朗克常數(shù)： 6.626x10-34e 電子電荷：1.6x10-19c 光速：3105 Km/sEg半導(dǎo)體材料帶隙能量(該參數(shù)與摻雜有關(guān)，如1310nm LD ，In=0.26mg) p=850nm情況， Eg=1.46eV p=1310nm情況，Eg=0.95eV p=1550nm情況，Eg=0.8eV8/9/202227c:中心波長1：為第一個(gè)峰值波長 Ei：為第i個(gè)峰值的能量半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202228:平均波長定義：是指所有光譜模式的加權(quán)平均值，把幅射度 大于峰值2%的模式均計(jì)入n： 為第n個(gè)波長 Pn： 為第n個(gè)波長的功率半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202229：光譜

10、半寬(Full Width at Half Maximum-FWHM ) n: 材料介質(zhì)折射率 從式中可以看出與LD腔長有關(guān) 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202230Sigma ：光譜半寬(單位：nm) 對(duì)于FP LD類產(chǎn)品來說，ITU-T-957建議用最大均方根(RMS)寬度定義為光譜寬度。 i為第i個(gè)峰值的波長 Pi為第i個(gè)峰值的功率 Po為所有峰值的功率 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202231:光束半寬 :空間光束平行于LD PN結(jié)結(jié)平面方向最大強(qiáng)度下降3dB時(shí)所對(duì) 應(yīng)的全寬度定義為平行發(fā)散角 ：空間光束垂直于LD P-N結(jié)結(jié)平面方向最大強(qiáng)度下降3dB時(shí)所對(duì) 應(yīng)的全寬度定義為垂直發(fā)散角用公

11、式表示為：從式中可知：空間光束半寬度與有源層d和有源層寬W有關(guān)，d與W赿大， 和就赿小半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202232:光束空間遠(yuǎn)埸結(jié)構(gòu)示意圖 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022334.15 SMSR：邊模抑制比(單位：dB) (僅對(duì)于DFB LD而言)定義：是指在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功 率和規(guī)定的調(diào)制(或CW)時(shí)最高光譜強(qiáng)度 與次高光譜強(qiáng)度之比根據(jù)ITU-T-G957要求 SMSR30dB半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202234SMSR 曲線說明半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022354.13 熱學(xué)參數(shù)4.13.1 LD熱阻：RT(單位： / W)RT 定義為加在器件單位電功率所引起

12、的結(jié)溫升 半導(dǎo)體激光二極管 式中: Tj 結(jié)區(qū)溫度; THS 熱沉溫度; Pi 注入電功率; IF 正向注入電流; VF 正向結(jié)壓降。8/9/202236 從上式可知, 只要測(cè)量出結(jié)溫升Tj 和正向注入電流IF 以及正向結(jié)壓降VF 值, 就可計(jì)算出RT值對(duì)結(jié)溫升Tj 的測(cè)量, 一般有兩種方法: 1) 正向壓降法 正向壓降法, 是根據(jù)已知的結(jié)電壓隨結(jié)溫溫度變化的關(guān)系,測(cè)量出結(jié)電壓的變化來計(jì)算結(jié)溫升。這種方法簡(jiǎn)單易行, 但測(cè)量結(jié)果誤差較大。 2) 光譜漂移法 光譜漂移法, 是根據(jù)已知的螢光峰值波長隨結(jié)溫變化的關(guān)系, 通過測(cè)量峰值波長的變化來計(jì)算結(jié)溫升。這種方法的測(cè)量系統(tǒng)較復(fù)雜, 但好處在于重復(fù)好,

13、 數(shù)據(jù)可靠。 這種測(cè)量方法, 是在大電流下進(jìn)行的, 可以忽略在小電流下的泄漏電流所引起的誤差。 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022374.13.3 波長與溫度的關(guān)系：/T(單位：nm/) 峰值波長隨溫度的改變p / T： 對(duì)F-P-LD，當(dāng)激光器的溫度升高時(shí)，有源區(qū)的帶隙將變窄，同時(shí)波導(dǎo)層的有效折射率發(fā)生改變，峰值波長將向長波長方向移動(dòng)。約為0.40.5nm/ 。 對(duì)DFB-LD，激射波長主要由光柵周期和等效折射率決定，溫度升高時(shí)光柵周期變化很小，所以p / T小于0.1nm / 。 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022384.14 其它參數(shù)4.14.1 Er：跟蹤誤差(單位：dB) 定義：是指

14、在兩種不同環(huán)境溫度下LD的光輸出功率的比值，它 是衡量器件(組件)的工作穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一。要求Er1.5dB Tc LD管殼溫度 Po LD輸出功率 Im MPD監(jiān)視電流 半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022394.14.2 LD啁啾(對(duì)于CATV系統(tǒng)用DFB-LD而言)解釋：當(dāng)調(diào)制速率高達(dá)數(shù)Gbit/s的條件下，輻射波長在 調(diào)制脈沖的上升沿時(shí)向短波方向漂移；而在脈沖 下降沿時(shí)向長波方向漂移，這種現(xiàn)象就稱為“啁啾” 效應(yīng)。通常情況用二階失真-CSO表示 CSO60dBc缺點(diǎn)：惡化光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量 限制通信的中繼距離 引起線寬展寬半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022404.16 EXT：消

15、光比定義：規(guī)定光輸出功率Po與閾值電流Ith處的輻射光 功率Pth之比要求EXT9dB半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022414.17 tr/tf：上升/下降時(shí)間定義： 激光器在調(diào)制狀態(tài)時(shí)相對(duì)脈沖波形幅度從10% 上升到90%時(shí)所需的的工作時(shí)間為上升時(shí)間tr 從90%下降到10%時(shí)所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf半導(dǎo)體激光二極管 8/9/202242tr/tf：上升/下降時(shí)間半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022434.18 RIN:相對(duì)強(qiáng)度噪聲(僅對(duì)CATV用LD而言)定義：每赫茲帶寬激光光強(qiáng)波動(dòng)的均方根值與平均光功率之比 (對(duì)于CATV傳輸而言，要求RIN-150dB/Hz) 式中：P光強(qiáng)度波動(dòng)功率 P平均光強(qiáng)度功率半導(dǎo)體激光二極管 8/9/2022444.19 fc: 載止頻率定義：截止頻率就是調(diào)制包絡(luò)線下降3dB所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)