半导体激光器讲解课件

光纤通信光源讲义武汉大学电子信息学院何对燕00-10-101武汉大学电子信息学院光纤通信光源讲义00-10-101武汉大学电子信息学院§1.光纤通信中的光源将电信号转换为光信号；有两种：半导体激光二极管（LD）；

半导体发光二极管（LED）；要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致；在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄；体积小，重量轻，使用寿命长；制造工艺简单，成本低，可靠性高；00-10-102武汉大学电子信息学院§1.光纤通信中的光源将电信号转换为光信号；00-10-1§2.半导体中光的发射和激射原理原子的能级结构：

电子的量子化：能量是离散值；原子的能级：分立的能量值；基态（稳态）：原子能量最低；

激发态：原子能量比基态高；半导体价带、导带、带隙：

能级：分立的能量级；

能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠；

价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带；

导带：价带上面的能带；

带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差Eg；（禁带宽度）00-10-103武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理原子的能级结构：00-10§2.半导体中光的发射和激射原理(续）导体的Eg半导体Eg导体Eg=0；价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生位移；(统称载流子）导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合；电子（-）、空穴（+）称为载流子；激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量；Eg=h00-10-104武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）导体的Eg半导体E§2.半导体中光的发射和激射原理(续）本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）00-10-105武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）本征半导体（I型）：§2.半导体中光的发射和激射原理(续）p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。00-10-106武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）p-n结：P型半导体§2.半导体中光的发射和激射原理(续）扩散运动→空间电荷势垒→自建电场VD→平衡状态。费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级，Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性小于1/2；Ef以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。掺杂：eVDEg为轻掺杂，eVDEg为重掺杂。在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD）→破坏平衡→P区和N区的Ef分离（准费米能级）。00-10-107武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）扩散运动→空间电荷势§2.半导体中光的发射和激射原理(续）(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，(Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。当正向电压足够大时，产生复合发光。00-10-108武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）(Ef)N以下的能级§2.半导体中光的发射和激射原理(续）普朗克定律：基态到激发态的跃迁—吸收一个光子，激发态到基态的跃迁—发射一个光子，光子的能量为h=E2-E1。吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到高能态E2；自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。00-10-109武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）普朗克定律：基态到激§2.半导体中光的发射和激射原理(续）粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的区域。光学谐振腔：自发辐射光子夹角大的逸出受激辐射光子

全同光子00-10-1010武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）粒子数反转（光放大的§2.半导体中光的发射和激射原理(续）00-10-1011武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）00-10-1011武§2.半导体中光的发射和激射原理(续）谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。阈值条件：增益必须大于损耗；相位平衡条件：光波能因干涉而得到加强以形成正反馈（驻波）；fq谐振频率，

q谐振波长，q纵模00-10-1012武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）谐振腔的三功能：光放§2.半导体中光的发射和激射原理(续）频带加宽：增益介质的增益-频率特性；

00-10-1013武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）频带加宽：增益介质的§2.半导体中光的发射和激射原理(续）横模TEMmn

：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。

00-10-1014武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）横模TEMmn：激§3.半导体发光二极管LED利用半导体p-n结自发发光的器件。特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式色散，驱动电路简单，寿命长。00-10-1015武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED利用半导体p-n结自发发光的器§3.半导体发光二极管LED(续）面发光二极管00-10-1016武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED(续）面发光二极管00-10-§3.半导体发光二极管LED(续）边发光二极管00-10-1017武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED(续）边发光二极管00-10-§3.半导体发光二极管LED(续）技术参数：1.3mLED指标参数边发光面发光最小值典型值最大值典型值发射波长(m)1.221.301.321.3出纤功率(W)4050/640半高谱宽(nm)6080<85工作电流(mA)150响应时间(ns)2.5可调速率(MHz)2007000-10-1018武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED(续）技术参数：§4.半导体激光二极管LD同质结与异质结：00-10-1019武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD同质结与异质结：00-10-10§4.半导体激光二极管LD(续）窄条双质结激光二极管：00-10-1020武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）窄条双质结激光二极管：00§4.半导体激光二极管LD(续）00-10-1021武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）00-10-1021武汉大学§4.半导体激光二极管LD(续）管芯制作工艺：InGaAsP双异质结00-10-1022武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）管芯制作工艺：InGaAs§4.半导体激光二极管LD(续）半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP00-10-1023武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）半导体激光器的特性：双异质§4.半导体激光二极管LD(续）输出光束示意图：①两异质结-驻波-垂直横模②平行有源层-驻波-水平横模③两个反射面-驻波-纵模模式控制：00-10-1024武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）输出光束示意图：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）隐埋异质结（BH）：00-10-1025武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）隐埋异质结（BH）：00-§4.半导体激光二极管LD(续）平面隐埋异质结（PBH）：00-10-1026武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）平面隐埋异质结（PBH）：§4.半导体激光二极管LD(续）双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：00-10-1027武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）双沟平面隐埋异质结（DC-§4.半导体激光二极管LD(续）脊型波导（RW）：00-10-1028武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）脊型波导（RW）：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）光源与光纤的耦合：00-10-1029武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）光源与光纤的耦合：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）光耦合透镜系统：00-10-1030武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）光耦合透镜系统：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）激光器封装的目的：⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁；⑵为器件提供合适的外引线；⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境；⑷提高光学性能；封装器件的主要要求：⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝；⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境；⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击；⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度；⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。00-10-1031武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）激光器封装的目的：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）同轴激光器的封装：00-10-1032武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）同轴激光器的封装：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）插拔式同轴封装：00-10-1033武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）插拔式同轴封装：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）尾纤式同轴封装：00-10-1034武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）尾纤式同轴封装：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）14针双列直插式封装：00-10-1035武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）14针双列直插式封装：00§4.半导体激光二极管LD(续）蝶式封装：00-10-1036武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）蝶式封装：00-10-10§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的Bragg光栅提供反射功能，原理：Bragg光栅周期，发射波长满足2=m/n(m=0,1,2,……)干涉增强方向2sin=m/n特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上）窄线宽，波长选择性好；温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/℃,调制特性好，00-10-1037武汉大学电子信息学院§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）无集总式反射机构§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）00-10-1038武汉大学电子信息学院§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）00-10-103§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）分布Bragg反射器（DBR）激光二极管00-10-1039武汉大学电子信息学院§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）分布Bragg反§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）超结构光栅DBR可调谐激光二极管00-10-1040武汉大学电子信息学院§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）超结构光栅DBR§6.量子阱半导体激光器有源层尺寸极小→有源层与两边相邻层的能带不连续→导代和价带的突变→势能阱→量子阱效应00-10-1041武汉大学电子信息学院§6.量子阱半导体激光器有源层尺寸极小→有源层与两边相邻层§6.量子阱半导体激光器00-10-1042武汉大学电子信息学院§6.量子阱半导体激光器00-10-1042武汉大学电子信§6.量子阱半导体激光器00-10-1043武汉大学电子信息学院§6.量子阱半导体激光器00-10-1043武汉大学电子信§7.半导体激光器组件00-10-1044武汉大学电子信息学院§7.半导体激光器组件00-10-1044武汉大学电子信息§8.半导体激光器特性与检测00-10-1045武汉大学电子信息学院§8.半导体激光器特性与检测00-10-1045武汉大学电§8.半导体激光器特性与检测00-10-1046武汉大学电子信息学院§8.半导体激光器特性与检测00-10-1046武汉大学电§8.半导体激光器特性与检测00-10-1047武汉大学电子信息学院§8.半导体激光器特性与检测00-10-1047武汉大学电§8.半导体激光器特性与检测00-10-1048武汉大学电子信息学院§8.半导体激光器特性与检测00-10-1048武汉大学电§8.半导体激光器特性与检测00-10-1049武汉大学电子信息学院§8.半导体激光器特性与检测00-10-1049武汉大学电§8.半导体激光器特性与检测00-10-1050武汉大学电子信息学院§8.半导体激光器特性与检测00-10-1050武汉大学电光纤通信光源讲义武汉大学电子信息学院何对燕00-10-1051武汉大学电子信息学院光纤通信光源讲义00-10-101武汉大学电子信息学院§1.光纤通信中的光源将电信号转换为光信号；有两种：半导体激光二极管（LD）；

半导体发光二极管（LED）；要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致；在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄；体积小，重量轻，使用寿命长；制造工艺简单，成本低，可靠性高；00-10-1052武汉大学电子信息学院§1.光纤通信中的光源将电信号转换为光信号；00-10-1§2.半导体中光的发射和激射原理原子的能级结构：

电子的量子化：能量是离散值；原子的能级：分立的能量值；基态（稳态）：原子能量最低；

激发态：原子能量比基态高；半导体价带、导带、带隙：

能级：分立的能量级；

能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠；

价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带；

导带：价带上面的能带；

带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差Eg；（禁带宽度）00-10-1053武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理原子的能级结构：00-10§2.半导体中光的发射和激射原理(续）导体的Eg半导体Eg导体Eg=0；价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生位移；(统称载流子）导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合；电子（-）、空穴（+）称为载流子；激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量；Eg=h00-10-1054武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）导体的Eg半导体E§2.半导体中光的发射和激射原理(续）本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）00-10-1055武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）本征半导体（I型）：§2.半导体中光的发射和激射原理(续）p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。00-10-1056武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）p-n结：P型半导体§2.半导体中光的发射和激射原理(续）扩散运动→空间电荷势垒→自建电场VD→平衡状态。费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级，Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性小于1/2；Ef以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。掺杂：eVDEg为轻掺杂，eVDEg为重掺杂。在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD）→破坏平衡→P区和N区的Ef分离（准费米能级）。00-10-1057武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）扩散运动→空间电荷势§2.半导体中光的发射和激射原理(续）(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，(Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。当正向电压足够大时，产生复合发光。00-10-1058武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）(Ef)N以下的能级§2.半导体中光的发射和激射原理(续）普朗克定律：基态到激发态的跃迁—吸收一个光子，激发态到基态的跃迁—发射一个光子，光子的能量为h=E2-E1。吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到高能态E2；自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。00-10-1059武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）普朗克定律：基态到激§2.半导体中光的发射和激射原理(续）粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的区域。光学谐振腔：自发辐射光子夹角大的逸出受激辐射光子

全同光子00-10-1060武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）粒子数反转（光放大的§2.半导体中光的发射和激射原理(续）00-10-1061武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）00-10-1011武§2.半导体中光的发射和激射原理(续）谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。阈值条件：增益必须大于损耗；相位平衡条件：光波能因干涉而得到加强以形成正反馈（驻波）；fq谐振频率，

q谐振波长，q纵模00-10-1062武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）谐振腔的三功能：光放§2.半导体中光的发射和激射原理(续）频带加宽：增益介质的增益-频率特性；

00-10-1063武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）频带加宽：增益介质的§2.半导体中光的发射和激射原理(续）横模TEMmn

：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。

00-10-1064武汉大学电子信息学院§2.半导体中光的发射和激射原理(续）横模TEMmn：激§3.半导体发光二极管LED利用半导体p-n结自发发光的器件。特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式色散，驱动电路简单，寿命长。00-10-1065武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED利用半导体p-n结自发发光的器§3.半导体发光二极管LED(续）面发光二极管00-10-1066武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED(续）面发光二极管00-10-§3.半导体发光二极管LED(续）边发光二极管00-10-1067武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED(续）边发光二极管00-10-§3.半导体发光二极管LED(续）技术参数：1.3mLED指标参数边发光面发光最小值典型值最大值典型值发射波长(m)1.221.301.321.3出纤功率(W)4050/640半高谱宽(nm)6080<85工作电流(mA)150响应时间(ns)2.5可调速率(MHz)2007000-10-1068武汉大学电子信息学院§3.半导体发光二极管LED(续）技术参数：§4.半导体激光二极管LD同质结与异质结：00-10-1069武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD同质结与异质结：00-10-10§4.半导体激光二极管LD(续）窄条双质结激光二极管：00-10-1070武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）窄条双质结激光二极管：00§4.半导体激光二极管LD(续）00-10-1071武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）00-10-1021武汉大学§4.半导体激光二极管LD(续）管芯制作工艺：InGaAsP双异质结00-10-1072武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）管芯制作工艺：InGaAs§4.半导体激光二极管LD(续）半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP00-10-1073武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）半导体激光器的特性：双异质§4.半导体激光二极管LD(续）输出光束示意图：①两异质结-驻波-垂直横模②平行有源层-驻波-水平横模③两个反射面-驻波-纵模模式控制：00-10-1074武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）输出光束示意图：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）隐埋异质结（BH）：00-10-1075武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）隐埋异质结（BH）：00-§4.半导体激光二极管LD(续）平面隐埋异质结（PBH）：00-10-1076武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）平面隐埋异质结（PBH）：§4.半导体激光二极管LD(续）双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：00-10-1077武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）双沟平面隐埋异质结（DC-§4.半导体激光二极管LD(续）脊型波导（RW）：00-10-1078武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）脊型波导（RW）：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）光源与光纤的耦合：00-10-1079武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）光源与光纤的耦合：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）光耦合透镜系统：00-10-1080武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）光耦合透镜系统：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）激光器封装的目的：⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁；⑵为器件提供合适的外引线；⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境；⑷提高光学性能；封装器件的主要要求：⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝；⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境；⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击；⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度；⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。00-10-1081武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）激光器封装的目的：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）同轴激光器的封装：00-10-1082武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）同轴激光器的封装：00-1§4.半导体激光二极管LD(续）插拔式同轴封装：00-10-1083武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）插拔式同轴封装：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）尾纤式同轴封装：00-10-1084武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）尾纤式同轴封装：00-10§4.半导体激光二极管LD(续）14针双列直插式封装：00-10-1085武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）14针双列直插式封装：00§4.半导体激光二极管LD(续）蝶式封装：00-10-1086武汉大学电子信息学院§4.半导体激光二极管LD(续）蝶式封装：00-10-10§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）无集总式反射机