半导体激光器讲解讲稿.ppt

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1、关于半导体激光器讲解第一页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院21.1.光纤通信中的光源将电信号转换为光信号；有两种：半导体半导体激光激光二极管二极管（LD）；半导体半导体发光发光二极管二极管（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；第二页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院32.2.半导体中光的发射和激射原理原子的能级结构：电子的量子化电子的量子化：能量是离散值；原子的能级原子的能级

2、：分立的能量值；基态（稳态）基态（稳态）：原子能量最低；激发态激发态：原子能量比基态高；半导体价带、导带、带隙：能级能级：分立的能量级；能带能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠；价带价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带；导带导带：价带上面的能带；带隙带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差EgEg；（禁带宽度禁带宽度）第三页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院42.2.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

3、电子跃迁跃迁至价带，填补空穴，既复合复合；电子（-）、空穴（+）称为载流子；激发时电子吸收吸收能量，跃迁时电子辐射辐射能量；Eg=h第四页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院52.2.半导体中光的发射和激射原理(续）本征半导体（本征半导体（I I型）型）：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。电子半导体（电子半导体（N N型）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（空穴半导体（P P型）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-族化合物中掺杂族元素（N型），或掺杂族

4、元素（P型）第五页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院62.2.半导体中光的发射和激射原理(续）p-np-n结结：P型半导体和N型半导体结合的界面。第六页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院72.2.半导体中光的发射和激射原理(续）扩散扩散运动空间电荷势垒势垒自建电场自建电场VD D平衡平衡状态。费米能级费米能级E Ef f：描述电子能量状态分布的假象能级，Ef f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 f以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可

5、能性小于1/2。掺杂掺杂：eVD DEg为轻掺杂，eVD DEg为重掺杂。在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef f。正电压向V漂移漂移运动抵消一部分势垒（V-VD D）破坏平衡 P区和N区的Ef f分离（准费米能级）。第七页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院82.2.半导体中光的发射和激射原理(续）(Ef f)N N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，(Ef f)P 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。第八页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院9

6、2.2.半导体中光的发射和激射原理(续）普朗克定律普朗克定律：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。吸收激发吸收激发：E1基态的电子吸收吸收光子能量，激发到高能态E2；自发辐射自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发辐射自发辐射一个光子（位相随机）。受激辐射受激辐射：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，受受激辐射激辐射一个光子（位相相同）。第九页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院102.2.半导体中光的发射和激射原理(

7、续）粒子数反转粒子数反转（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 全同光子第十页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院112.2.半导体中光的发射和激射原理(续）第十一页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院122.2.半导体中光的发射和激射原理(续）谐振腔的三功能：光放大光放大、频率选择频率选择、正反馈正反馈。阈

8、值阈值条件：增益必须大于损耗；相位平衡相位平衡条件：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)RR1ln()L21(g21itnL2cqcfqq第十二页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院132.2.半导体中光的发射和激射原理(续）频带加宽频带加宽：增益介质的增益-频率特性；第十三页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院142.2.半导体中光的发射和激射原理(续）横模横模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。第

9、十四页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院153.3.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。第十五页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院163.3.半导体发光二极管LED(续）面发光二极管第十六页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院173.3.半导体发光二极管LED(续）边发光二极管第十七页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息

10、学院武汉大学 电子信息学院183.3.半导体发光二极管LED(续）技术参数：1.3m LED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)608085工作电流(mA)150响应时间(ns)2.5可调速率(MHz)20070第十八页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院194.4.半导体激光二极管LD同质结同质结与异质结异质结：第十九页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院204.4.半导体激光二极管LD(

11、续）窄条双质结双质结激光二极管激光二极管：第二十页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院214.4.半导体激光二极管LD(续）第二十一页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院224.4.半导体激光二极管LD(续）管芯制作工艺：InGaAsP双异质结第二十二页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院234.4.半导体激光二极管LD(续）半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP第二十三页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学

12、院武汉大学 电子信息学院244.4.半导体激光二极管LD(续）输出光束示意图：两异质结-驻波-垂直横模垂直横模平行有源层-驻波-水平横模水平横模两个反射面-驻波-纵模纵模模式控制：2122n1n12d2122n1n1W21lnS第二十四页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院254.4.半导体激光二极管LD(续）隐埋异质结（BH）：第二十五页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院264.4.半导体激光二极管LD(续）平面隐埋异质结（PBH）：第二十六页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10

13、武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院274.4.半导体激光二极管LD(续）双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：第二十七页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院284.4.半导体激光二极管LD(续）脊型波导（RW）：第二十八页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院294.4.半导体激光二极管LD(续）光源与光纤的耦合：第二十九页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院304.4.半导体激光二极管LD(续）光耦合透镜系统：第三十页，讲稿共五十页哦

14、光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院314.4.半导体激光二极管LD(续）激光器封装的目的：隔绝环境，避免损害，保证清洁；为器件提供合适的外引线；提高机械强度，抵抗恶劣环境；提高光学性能；封装器件的主要要求：气密性好，保证管芯与外界隔绝；结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境；热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击；可焊性好，工艺性好，有拉力强度；符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。第三十一页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院324.4.半导体激光二极管LD(续）同轴激光器的封装：第三十二页，讲稿

15、共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院334.4.半导体激光二极管LD(续）插拔式同轴封装：第三十三页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院344.4.半导体激光二极管LD(续）尾纤式同轴封装：第三十四页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院354.4.半导体激光二极管LD(续）14针双列直插式封装：第三十五页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院364.4.半导体激光二极管LD(续）蝶式封装：第三十六

16、页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院375.5.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，第三十七页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院385.5.分布反馈激光二极管（DFB-LD）第三十八页，讲稿共

17、五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院395.5.分布反馈激光二极管（DFB-LD）分布Bragg反射器（DBR）激光二极管第三十九页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院405.5.分布反馈激光二极管（DFB-LD）超结构光栅DBR可调谐激光二极管第四十页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院416.6.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第四十一页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武

18、汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院426.6.量子阱半导体激光器第四十二页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院436.6.量子阱半导体激光器第四十三页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院447.7.半导体激光器组件第四十四页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院458.8.半导体激光器特性与检测第四十五页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院468.8.半导体激光器特性与检测第四十六页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院478.8.半导体激光器特性与检测第四十七页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院488.8.半导体激光器特性与检测第四十八页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10武汉大学 电子信息学院武汉大学 电子信息学院498.8.半导体激光器特性与检测第四十九页，讲稿共五十页哦光纤通信基础00-10-10感谢大家观看感谢大家观看第五十页，讲稿共五十页哦