光电子技术(第二版)全套课件完整版电子教案最新板.ppt

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1、光电子技术光电子技术OPTOELECTRONICTECNOLOGY（第二版）（第二版）课程简介 ：本课程介绍光电子技术的理论和应用基础；介绍光电子系统的光源、光调制、光探测、光存储、光显示等器件原理、结构、应用技术和新的发展。进入21世记，光电子技术 发展迅速，在人类生产和生活中展现辉煌。本课程特别选择对人类社会有重大影响的信息、能源、公安国防、生物医学等领域，介绍光电子技术的重要作用；介绍发展中的纳米光电子技术，反映光电子科学与技术的发展前沿。第1章 光源 第2章 光辐射的调制 第3章 光探测器 第4章 光电成像器件 第5章 光存储器 第6章 平板显示器件 第7章 光电子技术在现代社会中的应

2、用 第8章 发展中的纳米光电子技术光电子技术光电子技术 绪论绪论光电子学光电子学 2020世纪世纪-电子学世纪电子学世纪 电子：是信息和能量的载体。电子：是信息和能量的载体。电子：是信息和能量的载体。电子：是信息和能量的载体。电子学电子学电子学电子学电子技术电子技术电子技术电子技术电子产业，特别是电子信电子产业，特别是电子信电子产业，特别是电子信电子产业，特别是电子信息产业：通信、微电子息产业：通信、微电子息产业：通信、微电子息产业：通信、微电子-大规模集成电路、计算大规模集成电路、计算大规模集成电路、计算大规模集成电路、计算机机机机。20202020世纪，电子学、电子技术取得了令人世纪，电子

3、学、电子技术取得了令人世纪，电子学、电子技术取得了令人世纪，电子学、电子技术取得了令人瞩目的成就。瞩目的成就。瞩目的成就。瞩目的成就。然而，然而，然而，然而，电子技术突破不了光的衍射极限，芯片电子技术突破不了光的衍射极限，芯片电子技术突破不了光的衍射极限，芯片电子技术突破不了光的衍射极限，芯片集成度不能再提高。集成度不能再提高。集成度不能再提高。集成度不能再提高。20202020世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示出极大的优越性。出极大的优越性。出极大的优越性。出极大的优越性。光

4、子光子电子电子 信息容量信息容量光频光频 1014 Hz微波微波 1010 Hz 响应能力响应能力10-15 S,Tb/s10-9 S,Gb/s 互连与并行能力互连与并行能力天然优势天然优势无无 存储能力存储能力三维存储，三维存储，Tb/cm3并行存取并行存取一、二维存储一、二维存储串行存取串行存取 光子可产生和携带巨大能量；可进行高强度、超光子可产生和携带巨大能量；可进行高强度、超精细的加工；激光武器；激光医疗精细的加工；激光武器；激光医疗光子：也是信息和能量的载体。光子：也是信息和能量的载体。光子携带信息：非接触、高精度地检测，光光子携带信息：非接触、高精度地检测，光信息的传输、探测、处理

5、、显示、存储信息的传输、探测、处理、显示、存储 19701970年，荷兰科学家年，荷兰科学家PoldervaartPoldervaart首次提出首次提出 “光子学光子学”。国际科技界普遍认为：国际科技界普遍认为：2121世纪将是光子学世纪：光子学世纪将是光子学世纪：光子学光子技术光子技术光子产业。光子产业。然而，目前实用的光子器件集成度还很低，以光控然而，目前实用的光子器件集成度还很低，以光控光还比较困难，而电子技术在这些方面早已成熟。光还比较困难，而电子技术在这些方面早已成熟。现阶段必须同时并用光子和电子，发挥它们各自的现阶段必须同时并用光子和电子，发挥它们各自的优点。优点。光电子学就是这样

6、一个学科，它研究光子和电子的光电子学就是这样一个学科，它研究光子和电子的相互作用，使它们优势结合，是光子学的第一个阶相互作用，使它们优势结合，是光子学的第一个阶段。段。光电子技术光电子技术 以光电子学为基础，以光电子学为基础，光子技术与电子光子技术与电子技术相互渗透、优势结合而产生。技术相互渗透、优势结合而产生。包括包括:光电子信息技术光电子信息技术:光电检测与信息处理光电检测与信息处理；光通信光通信；光传感；光光传感；光存储存储；光显示光显示 光电子能源技术：光电子能源技术：太阳能利用；高效节能光源；激光核聚变太阳能利用；高效节能光源；激光核聚变 高功率激光器；激光加工；激光生命科学高功率激

7、光器；激光加工；激光生命科学 光电子技术在现代科技、经济、军光电子技术在现代科技、经济、军事、文化、医学等各个领域发挥着极事、文化、医学等各个领域发挥着极其重要的作用。其重要的作用。以它为支撑的光电子产业是当今世界各以它为支撑的光电子产业是当今世界各国争相发展的支柱产业，是竞争激烈、发国争相发展的支柱产业，是竞争激烈、发展迅速的高科技企业的主力军。展迅速的高科技企业的主力军。光电子技术课程光电子技术课程教学目标：教学目标：通过前通过前通过前通过前6 6 6 6章课堂教学和实践环节，使学生掌握章课堂教学和实践环节，使学生掌握章课堂教学和实践环节，使学生掌握章课堂教学和实践环节，使学生掌握 光电子

8、技术的基本知识和应用技术，能够正确地光电子技术的基本知识和应用技术，能够正确地光电子技术的基本知识和应用技术，能够正确地光电子技术的基本知识和应用技术，能够正确地选择和应用光电子器件，建立合适的光电系统，选择和应用光电子器件，建立合适的光电系统，选择和应用光电子器件，建立合适的光电系统，选择和应用光电子器件，建立合适的光电系统，培养运用光电子技术解决实际问题的能力。第培养运用光电子技术解决实际问题的能力。第培养运用光电子技术解决实际问题的能力。第培养运用光电子技术解决实际问题的能力。第7 7 7 7、8 8 8 8两章旨在使学生扩充知识面，加深对光电子技术两章旨在使学生扩充知识面，加深对光电子

9、技术两章旨在使学生扩充知识面，加深对光电子技术两章旨在使学生扩充知识面，加深对光电子技术重要性的认识；了解学科发展方向，积极参与科重要性的认识；了解学科发展方向，积极参与科重要性的认识；了解学科发展方向，积极参与科重要性的认识；了解学科发展方向，积极参与科研活动，加强创新能力的培养。研活动，加强创新能力的培养。研活动，加强创新能力的培养。研活动，加强创新能力的培养。对学生学习的要求：对学生学习的要求：用心阅读教材；用心阅读教材；专心听讲，适当笔记；课后及时复习小结；专心听讲，适当笔记；课后及时复习小结；认真完成作业；认真完成作业；重视实践环节。重视实践环节。第第1 1章章 光源光源1.1 1.

10、1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源1.4 1.4 激光器激光器1.5 1.5 发光二极管发光二极管(LED)(LED)一切能产生光辐射的辐射源都称为光源一切能产生光辐射的辐射源都称为光源天然光源天然光源人造光源人造光源电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱按照发光机理，按照发光机理，光源的分类：光源的分类：需要了解各需要了解各类光源的发类光源的发光机理、重光机理、重要特性、适要特性、适用场合，以用场合，以便正确选用便正确选用光源。光源。光纤激光器发光二极管1.1 1.1 辐射度学与光度学的辐射度学与光度

11、学的 介绍描述光辐射的一套参量介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量 1.1.辐射能辐射能 单位为单位为J J（焦耳）（焦耳）2.2.辐射通量辐射通量 又称辐射功率又称辐射功率 单位为单位为W W（瓦、焦耳每秒）（瓦、焦耳每秒）3.3.辐射强度辐射强度 描述点辐射源的描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。辐射功率在不同方向上的分布。基础知识基础知识单位单位:（瓦每球面度）（瓦每球面度）4.4.辐射出射度辐射出射度 与辐射亮度与辐射亮度单位：单位：（瓦每平方米）（瓦每平方米）单位：单位：（瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米）的定义的定义 的定义的定义5.5.辐射

12、照度辐射照度 单位：单位：（瓦每平方米）（瓦每平方米）6.6.光谱辐射量光谱辐射量 辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量光谱辐射通量 与波长的关系与波长的关系其它辐射度量都有类似关系其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量1.1.光谱光视效率光谱光视效率V():V():人眼对各种光波长的人眼对各种光波长的 相对灵敏度相对灵敏度详见表详见表1.11.1 2.2.光度量光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度辐射度量量是客观物理量，是客观物理量，光度量体现了人的视觉特性。光度量体现了人

13、的视觉特性。光能光能 单位：单位：lmlms（流明（流明秒秒）光通量光通量 单位：单位：lm lm（流明）（流明）发光强度发光强度 单位：单位：cdcd（坎德拉）（坎德拉）发光强度发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：时，时，即：即：1W=683 lm 1W=683 lm 此时，此时，V(V(）=1=1 V(V(）1 1W 1 1W 683 lm683 lm 时，时，可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：1W=683 V(1W=683 V(）lmlm，定义：定义：Km=683 lmKm=683 lm/W

14、/W有关系式：有关系式：光出射度光出射度 与光亮度与光亮度 单位：单位：lmlm/m/m2 2单位：单位：cd/mcd/m2 2实用单位：实用单位：sb(sb(熙提熙提)1sb=1sb=10104 4cd/mcd/m2 2 光照度光照度 单位：单位：lxlx（勒克斯）（勒克斯）1 lx=1 lm/m1 lx=1 lm/m2 2普适关系式：普适关系式：三、光源的辐射效率与发光效率三、光源的辐射效率与发光效率辐射效率辐射效率发光效率发光效率 单位：单位：lm/Wlm/W1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源一、理想的热辐射光源一、理想的热辐射光源 (，T)=1 T)=1 绝对黑体绝对黑体在热平衡条件

15、下在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源生辐射的光源辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱普朗克公式普朗克公式维恩位移维恩位移定律定律斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定玻尔兹曼定律律随着温度随着温度T的升高，的升高，峰值波长峰值波长 向短波方向移动，向短波方向移动，总出射度总出射度 迅速增加迅速增加。绝对黑体的温度决定了它的绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布辐射光谱分布灰体：灰体：(，T)T)1 1的热辐射光源，的热辐射光源，具有与具有与绝对黑体绝对黑体类似的辐射规律。类似的辐射规律。色温；相关色温色温；相关色

16、温1.1.太阳与黑体辐射器太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布太阳的光谱分布非常接近于非常接近于绝对黑体绝对黑体黑体辐射器：黑体辐射器：科学制作的小科学制作的小孔空腔结构，孔空腔结构，可以很好地实可以很好地实现绝对黑体的现绝对黑体的辐射功能。辐射功能。常用作标准光常用作标准光源，最高工作源，最高工作温度是温度是3000K3000K。2.2.白炽灯与卤钨灯白炽灯与卤钨灯 灰体灰体 钨丝做灯丝钨丝做灯丝玻璃泡壳玻璃泡壳;色温约色温约2800K,2800K,辐射光谱约辐射光谱约0.40.43 3m m。可见光占可见光占6 612%12%，用于照明；，用于照明；加红外

17、滤光片可作为近红外光源。加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）（如溴化硼）;形成卤钨循环。形成卤钨循环。色温色温3200K3200K以上以上,辐射光谱为辐射光谱为0.250.253.5m3.5m。发光效率可达发光效率可达30lm/W(30lm/W(为白炽灯的为白炽灯的2 23 3倍倍)，作仪器白光源作仪器白光源.卤钨灯卤钨灯 白炽灯白炽灯1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源发光机理：发光机理：气体放电。气体放电。泡壳：用玻璃或石英等材料制造；泡壳：用玻璃或石英等材料制造；电极：阴极、阳极或不区分（交流灯

18、）电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、金属化合物蒸气、惰性气体金属化合物蒸气、惰性气体基基本本结结构构气体放电光源的特点：气体放电光源的特点：发光效率高发光效率高,节能。节能。电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。寿命长，比白炽灯长寿命长，比白炽灯长2 21010倍。倍。辐射光谱可以选择，只要选用适当辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。的发光材料。一、汞灯一、汞灯 泡壳内充汞蒸泡壳内充汞蒸气气1.1.低压汞灯低压汞灯 作作253.7nm253.7nm紫外光源；紫外光源；作荧光灯（作荧光灯（日光灯）。日光灯

19、）。2.2.高压汞灯高压汞灯 可见辐射加强，呈带状可见辐射加强，呈带状 光谱，可作光谱，可作高效照明光源。高效照明光源。3.3.球形超高压汞灯球形超高压汞灯 很好的蓝绿光点光源。很好的蓝绿光点光源。二、钠灯二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。与金属钠滴。低压钠灯：低压钠灯：发出波长发出波长589nm589nm、589.6nm 589.6nm 两条谱线的单色光源。两条谱线的单色光源。高压钠灯：高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金属卤化物灯三、金属卤化物灯 泡壳内充的是泡壳内充的是 金属卤化物气体。金属卤化物气体。通过

20、通过金属金属 卤化物循环，卤化物循环，提供足够的提供足够的 金属原子气体。金属原子气体。铊灯（碘化铊）：铊灯（碘化铊）：绿光，峰值绿光，峰值535nm535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温色温6000K6000K。钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：近白色光源近白色光源,色温色温5500K5500K。四、氙灯四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体泡壳内充的是是惰性气体氙。氙。色温色温6000K6000K，亮度高，被称为，亮度高，被称为“小太阳小太阳”，寿命长。，寿命长。长弧氙灯长弧氙灯:短弧氙灯短弧氙灯:脉冲氙灯脉冲氙灯:日光色点光源日光

21、色点光源大范围照明大范围照明光源光源脉冲脉冲时间极短（时间极短（nSnSpS)pS)，光很强，光很强,用于用于光泵、光信号源、光泵、光信号源、照相制版、高速摄影照相制版、高速摄影五、氘灯五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气泡壳内充有高纯度的氘气灯灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（常用作连续紫外光源（185185400nm400nm）。）。1.4 1.4 激光器激光器1.4.1 1.4.1 激光器概述激光器概述 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。崭新的

22、阶段。激激光光器器的的基基本本结结构构 激激光光形形成成机机理理电泵浦或光泵浦；电泵浦或光泵浦；造成工作物质中粒子数反转分布造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；自发辐射引发受激辐射；谐振腔对辐射光波选频放大。谐振腔对辐射光波选频放大。激激光光的的优优越越性性高亮度、高方向性、高单色性高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性和高度的时间空间相干性 已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。激光将对激光将对2121世纪的科技腾飞和产业世纪的科技腾飞和产业革命产生深远

23、的影响！革命产生深远的影响！1.1.气体激光器气体激光器工工作作物物质质是是气气体体或或金金属属蒸蒸气气，通通过过气气体体放电实现粒子数反转。放电实现粒子数反转。工工作作物物质质（气气体体）均均匀匀性性好好，输输出出光光束束的质量相当高。的质量相当高。2.2.固体激光器固体激光器工工作作物物质质是是掺掺杂杂的的晶晶体体或光学玻璃，光泵浦。或光学玻璃，光泵浦。有有脉脉冲冲输输出出激激光光器器和和连连续输出激光器。续输出激光器。主主要要优优点点：能能量量大大、峰峰值值功功率率高高、结结构构紧紧凑凑、坚固可靠和使用方便。坚固可靠和使用方便。3.3.染料激光器染料激光器工作物质是有机染料溶液，光泵浦。

24、工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输输出出激激光光波波长长可可以以在在很很宽宽范范围围内内调调谐谐，有有极极好好的的光束质量。光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MWMW。4.4.半导体激光器（半导体激光器（LDLD）工工作作物物质质是是半半导导体体材材料料形形成成的的P-NP-N结。结。与结平面垂直的晶体解与结平面垂直的晶体解理面构成理面构成F-PF-P谐振腔。谐振腔。对对P-NP-N结正向注入电流或结正向注入电流或光泵浦光泵浦，可激发激光。可激发激光。体积小，重量轻，易调

25、制，功耗低；体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（波长覆盖面广（0.330.334444m m）；）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。主主要要优优点点5.5.光纤激光器光纤激光器工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。系统中都有重要作用。1.4.2 1.4.2 固体激光器固体激光器介绍几种代表性的介绍几

26、种代表性的固体激光器固体激光器YAG激光器激光器基质晶体基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，热物理性能优良，使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。输出波长输出波长1064nm，加倍频技术可输出，加倍频技术可输出532nm。已经实现了已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。工、激光医疗、科学研究之中。输出波长输出波长2.94m,用于激光医疗。用于激光医疗。输出波长输出波长2.1m,2.1m,用于激光医疗用于激光医疗 ,空间光通信。空间光通信。可调谐的固体激光器可调谐的固体激光器 输出激光有宽的

27、调谐范围（输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm700-1000nm，峰值，峰值波长波长800nm800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。），应用广泛，并实现飞秒脉冲。可调谐范围可调谐范围700-800nm700-800nm。采用调。采用调Q Q技术，输出技术，输出755nm755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。脉冲激光，在激光医疗中很重要。激光二极管（激光二极管（LDLD）泵浦的固体激光器）泵浦的固体激光器LDLD泵浦泵浦:实现高效率的能量转换实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。有端面泵浦和侧面泵浦。获得百瓦级高功率激光输出。获得百瓦级高功率激光输出。下图是纵向、双端面泵浦下

28、图是纵向、双端面泵浦一个横向、侧面泵浦的激光器一个横向、侧面泵浦的激光器市场上高功率的市场上高功率的LDLD泵浦固体激光器都是泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W6000W以上。以上。非线性频率转换得到短波长固体激光器非线性频率转换得到短波长固体激光器 固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换进行波长转换,可得到短波长固体激光器。可得到短波长固体激光器。LDLD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的合，以期制造出结构简单

29、小巧、价格便宜的可调谐激光器。可调谐激光器。研研究究趋趋势势用LD泵浦 晶体得到1064nm激光，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到532nm绿激光。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。1.4.3 1.4.3 半导体激光器半导体激光器一、半导体材料的能带一、半导体材料的能带晶体中电子晶体中电子的共有化运动的共有化运动晶体中的能带晶体中的能带关于价带关于价带导带导带禁带禁带导电载流子：导电载流子：电子、空穴电子、空穴I I型、型、N N型、型、P P型半导体型半导体关于施主能级关于施主能级受主能级受主能级费米统计分布费米统计分布式中，式中，Ef为

30、费米能级，是电子占据率大于或小于为费米能级，是电子占据率大于或小于0.50.5的能级分界线。的能级分界线。二、二、PNPN结的能带结的能带PNPN结空间电荷区与自建电场的形成结空间电荷区与自建电场的形成PNPN结的能带弯曲结的能带弯曲重掺杂重掺杂P P型、型、N N型型半导体的能带半导体的能带热平衡时热平衡时PNPN结结的能带弯曲的能带弯曲 加上正向电压后，加上正向电压后，PNPN结势垒降低结势垒降低PNPN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由有一个费米能级。自建电场的方向由N N区区指向指向P P区，区，P P区、区、N N区的

31、电子能级差为：区的电子能级差为：PNPN结加上正向电压时，热平衡被破坏，结加上正向电压时，热平衡被破坏，PNPN结区结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。势垒降低，实现了粒子数反转分布。电子、空穴复合发光，引发受激辐射。电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。经谐振腔选频，可形成激光输出。PNPN结就是光辐射的有源区。结就是光辐射的有源区。三、实用中代表性的三、实用中代表性的LDLD的结构的结构阈值电流阈值电流I Ithth注入电流注入电流I II Ith th,才能形成激光。才能形成激光。器件结构要着力于降低器件结构要着力于降低I Ith th。同质结同质结 单异质结（

32、单异质结（SHSH）双异质结（双异质结（DHDH）、条形异质结条形异质结LD:LD:增益导引条形增益导引条形DHLD DHLD 掩埋条形掩埋条形DHLDDHLD 量子阱（量子阱（QWQW）LDLD单量子阱（单量子阱（SQWSQW）多量子阱（多量子阱（MQWMQW）超晶格结构超晶格结构 MQWMQW结构的结构的优越性优越性：阈值电流很低阈值电流很低 改善频率啁啾改善频率啁啾调制速率高调制速率高 温度特性好温度特性好 MQWMQW的的能带能带分布反馈激光器分布反馈激光器 谐振腔是谐振腔是波纹光栅波纹光栅结构结构 分布反馈分布反馈基于基于布拉格衍射布拉格衍射原理原理 DFB DFB 激光器激光器DB

33、R DBR 激光器激光器 每一个栅距每一个栅距 相当于一个微相当于一个微F-PF-P腔腔,易形成单易形成单 纵模振荡。波纹光栅相当于许多微纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-PF-P腔多级腔多级 调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。在高速调制时仍然保持单纵模特性。在高速调制时仍然保持单纵模特性。温度特性好。温度特性好。波纹光栅波纹光栅分布反馈分布反馈的优点的优点MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能优越，广泛应用于性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。高速光纤通信系统中。四、四、LDLD的工作特性的工作特性I II Ith th 形成激光输出形

34、成激光输出,光功率急剧上升，光功率急剧上升，P-IP-I曲线的线性好。曲线的线性好。斜率效率。斜率效率。I II Ith th 自发辐射阶段，自发辐射阶段，光功率较小光功率较小。LDLD是对温度很敏感的器件，温度升高，是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。光功率和峰值波长。1.P-I1.P-I特性特性2.光谱特性光谱特性I II IththI II Ithth单纵模单纵模LDLD是矩形光波导是矩形光波导:厚度为厚度为d d，条形宽度为，条形宽度为W W。出光发散角：出光发散角：约约30304040约约6 68 83

35、.3.调制特性调制特性具有直接调制的能力具有直接调制的能力 调制电流调制电流 模拟调制模拟调制数字调制数字调制LDLD芯片芯片的调制的调制频率达频率达 10GH10GHZ Z 量级。量级。五、五、LDLD的应用及新的发展的应用及新的发展 LDLD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，寿命长，有大功率、高集成度器件。寿命长，有大功率、高集成度器件。已成为最重要的激光器之一。已成为最重要的激光器之一。光通信光通信 光盘存储、光显示光盘存储、光显示 激光印刷、信息处理、办公自动化设备激光印刷、信息处理、办公自动化设备 激光加工、激光医疗激光加工、激光医疗 各

36、种半导体激光器需求量极大，各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。是光电子产业的重要支柱。LDLD的发展日新月异的发展日新月异 l垂直腔表面发射垂直腔表面发射LDLD（VCSELVCSEL）利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。有源区是多有源区是多量子阱结构，量子阱结构，腔长只有几腔长只有几个微米。动个微米。动态单纵模特态单纵模特性好，阈值性好，阈值电流可小于电流可小于1 1A A。l微腔微腔LDLD如应变量子阱（如应变量子阱（SL-QWSL-QW）结构，调制频率）结构，调制频率已达已达30GHZ30GHZ以上。以上。l高速宽带高速宽带LD

37、LD 普通普通LDLD的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，其中只有一个或几个模式形成激光（其中只有一个或几个模式形成激光（:10:10-4-41010-5-5）。因）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。而带来能量损失、速度限制和噪声。微腔微腔LDLD的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（压缩（11），阈值大大降低，获得超高速响应（大于），阈值大大降低，获得超高速响应（大于100Gb/s100Gb/s）。甚至可实现无阈值激光器。）。甚至可实现无阈值激光器。微腔微腔LDLD及其二维面阵是一种

38、高效、高密度光及其二维面阵是一种高效、高密度光源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。激光器的重要变革激光器的重要变革l可调谐可调谐LDLD用于用于DWDMDWDM光交换技术光交换技术实现实现5-7nm5-7nm范围范围连续连续调谐调谐实现实现100nm100nm范围范围波长波长调谐调谐l短波长短波长LDLD 光存储、光显示的需要。光存储、光显示的需要。红光、绿光、蓝光、紫光红光、绿光、蓝光、紫光LDLD用有机材料（聚合物）作用有机材料（聚合物）作LDLD的有源层，的有源层，易得到短波长易得到短波长LDLD，是目前的研究热点。，是目前的研究热点。l大功率

39、大功率LDLD作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗激光加工、激光医疗光源光源产生大功率产生大功率LDLD的途径：的途径：提高单个提高单个LDLD的输出功率；的输出功率；发展列阵发展列阵LD:LD:一维一维LDLD列阵列阵;二维二维LDLD列阵列阵;激光棒激光棒 （脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。（脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。l高性能高性能LDLD组件组件适于适于10Gb/s10Gb/s以上速率的以上速率的EAM/LDEAM/LD波长可选择的光电集成回路（波长可选择的光电集成回路（OEICOEIC）

40、1.531.531.61m1.61m范围的多波长光源范围的多波长光源EAMEAM：电吸收光调制器。：电吸收光调制器。EAMEAM与与LDLD集成，集成，实现光调制，实现光调制，-3dB-3dB带宽为带宽为14GH14GHZ Z。含有含有EAMEAM、半导体光放大器（、半导体光放大器（SOASOA）、合波器）、合波器(MMI(MMI）、）、微列阵微列阵DFBDFB激光器，波长选择范围达激光器，波长选择范围达45nm45nm。4040个个DFBDFB-LDLD波长等间隔、光强大小一致、波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个每个集成一个EAMEAM，适用于，适用于DWDMDWDM全光网络。全光网络。

41、1.4.4 1.4.4 光纤激光器光纤激光器一、光纤、光波导一、光纤、光波导光纤光纤光导纤维，光传光导纤维，光传输的通路，纤芯折射率输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全内大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。反射在纤芯中传输。纤芯中掺入稀土离子纤芯中掺入稀土离子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,有源光纤有源光纤,光泵浦，激光器的工作物质。光泵浦，激光器的工作物质。当光纤中光强超过上限，当光纤中光强超过上限，产生非线性光学效应。产生非线性光学效应。光波导光波导在光电集成回路中、各种光器件模块里，在光电集成回路中、各种光器件模块里，必有光信号的通路，即光波导。必有光信号的通路，即

42、光波导。光波导类似于光纤的光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包周围材料（衬底和包层）。波导截面是几层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。术制得各种光波导。Y Y分叉光波导分叉光波导光波导可构成光分路器、光波导可构成光分路器、耦合器、干涉器、阵列耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量波导光栅等大量光无源器件。光无源器件。向光波导中掺杂，或向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应造成非线性光学效应时，又可制备出多种时，又可制备出多种光有源器件。光有源器件。二、光纤激光器的基本结构二、光纤激光器的基本结构激光工作物质的基质是光纤，主要包括

43、稀土掺杂激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源三部分组成。三部分组成。1.1.增益介质增益介质 光纤基质材料：光纤基质材料：硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂 元素而选择；元素而选择；光纤长度：光纤长度：典型值在典型值在0.50.55m5m之间。之间。光增益由掺杂离子决定：光增益由掺杂离子决定：掺掺NdNd3+3+光纤激光器，可在光纤激光器，可在1060nm1060nm等等3 3个波长获得激光。个波长获

44、得激光。掺掺 ErEr3+3+光纤激光器光纤激光器，输出输出1550nm1550nm激光，光纤通信波长。激光，光纤通信波长。掺掺TmTm3+3+光纤激光器，光纤激光器，可输出可输出143514351500nm1500nm波长激光，光纤波长激光，光纤通信波长。还可输出通信波长。还可输出170017002100nm2100nm波长、波长、810nm810nm波长激光，用于生物医学、光纤传感。波长激光，用于生物医学、光纤传感。掺掺PrPr3+3+光纤激光器，光纤激光器，可输出可输出129012901315nm1315nm波长激光，光纤波长激光，光纤通信波长。通信波长。2.2.谐振腔谐振腔有多种结构：

45、有多种结构：F-PF-P腔腔 将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。环形腔环形腔 光栅谐振腔光栅谐振腔 在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（FBGFBG）而构成而构成。掺掺ErEr3+3+光纤光栅激光器光纤光栅激光器3.3.包层光泵浦包层光泵浦常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。率小。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。内包层直径在百内包层直径在百mm左右，是泵浦光的导管，有左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（大的数值

46、孔径（NANA），可以接收更多的泵浦光。），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。内包层截面设计成多种形状：内包层截面设计成多种形状：矩形和矩形和D D字形截面内包层具有字形截面内包层具有95%95%的耦合效率的耦合效率,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。三、光纤激光器的优点三、光纤激光器的优点 能量转换效率高，光能量转换效率高，光光转换效率达光转换效率达80%80%以上。以上。光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚

47、高亮光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮 度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。光纤激光器波长范围可在光纤激光器波长范围可在3803803900nm3900nm，可以多波长，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。转和超短脉冲输出。光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。凑，小巧灵活。耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达耐高

48、振动、高冲击；工作寿命长，可达1010万小时。万小时。四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器放大器1 1掺掺ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纤激光器是光纤通信波段光纤激光器是光纤通信波段128012801620nm1620nm光源；光源；2.2.光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光加以放大、增强。加以放大、增强。它使光通信线路上传统的光它使光通信线路上传统的光电电光型中继器光型中继器变革为全光型中继器，

49、变革为全光型中继器，是光纤通信发展史上重要是光纤通信发展史上重要的里程碑。的里程碑。掺掺ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纤放大器和拉曼光纤放大光纤放大器和拉曼光纤放大器对于光纤通信系统非常重要。器对于光纤通信系统非常重要。3 3光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传输光纤耦合。输光纤耦合。4 4光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。

50、5 5光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信的理想光源。的理想光源。五、高功率光纤激光器五、高功率光纤激光器光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：1.1.石英光纤中掺石英光纤中掺YbYb3+3+YbYb3+3+具有很宽的吸收带（具有很宽的吸收带（8008001064nm1064nm）与荧光）与荧光带（带（9709701200nm1200n