1、2022-5-301第一部分第一部分 半导体激光器简介半导体激光器简介第二部分第二部分 半导体激光器基本工艺半导体激光器基本工艺第三部分第三部分 半导体激光器光电参数半导体激光器光电参数第四部分第四部分 半导体激光器可靠性半导体激光器可靠性半导体激光二极管半导体激光二极管2022-5-3023 3、激光器参数种类、激光器参数种类3.1 3.1 电学参数电学参数n 阈值电流阈值电流-I-Iththn 正向电流正向电流-I-IF Fn 正向电压正向电压V VF Fn 反向电压反向电压V VBRBR半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-303n 微分串联电阻微分串联电阻R Rs sn 监视
2、电流监视电流I Im mn MPD MPD暗电流暗电流-I-ID D 半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3043.2 3.2 光学参数光学参数n 输出功率输出功率-P-Po on 峰值波长峰值波长-p pn 光谱半宽光谱半宽n 边模抑制比边模抑制比SMSR(SMSR(仅对仅对DFB LD)DFB LD)n 光束半角光束半角n 消光比消光比EXTEXT半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3053.3 3.3 热学参数热学参数n LDLD热阻：热阻： R RT Tn LD LD 特征温度：特征温度：T T0 0n 发射波长与温度的关系参数：发射波长与温度的关系参数： (n
3、m/)(nm/)半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3063.3 3.3 其它参数其它参数n 跟踪误差跟踪误差-TE-TEn 相对强度噪声相对强度噪声-RIN-RINn 上升上升/ /下降时间下降时间t tr r/t/tf fn 载止频率载止频率-fc-fc半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3074. 4. 参数说明参数说明4.1 I4.1 Ithth阈值电流阈值电流定义：在正向电流注入下，定义：在正向电流注入下，LDLD开始振荡开始振荡( (开始发开始发 出激光出激光) )时所需要的电流时所需要的电流 测量测量I Ithth的方法有三：的方法有三：n双斜率法双斜率法
4、两条直线延长线交点所对应电流轴的电流两条直线延长线交点所对应电流轴的电流n远埸法远埸法用变象管荧屏观察用变象管荧屏观察n光谱法光谱法从发射的光谱图上确定从发射的光谱图上确定IthIth半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-308典型典型P-I/V-I/I-ImP-I/V-I/I-Im曲线曲线达到阈值时的必要条件达到阈值时的必要条件式中：式中： i 腔体内部损耗系数腔体内部损耗系数 L： LD腔长腔长 R1R2： LD端面反射系数端面反射系数半导体激光二极管半导体激光二极管 21ithRR1L21gln 2022-5-3094.2 I4.2 IF F-工作电流工作电流定义：定义：在规定
5、激光器的输出功率下所对应电在规定激光器的输出功率下所对应电 流轴的电流值流轴的电流值(I(IF F= =I Ithth+I+I) )半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30104.3 V4.3 VF F/ /V Vopop-正向导通电压正向导通电压/ /正向工作电压正向工作电压定义：定义：n 在正向驱动电流在正向驱动电流I IF F=1mA=1mA时所对应时所对应X X轴交点处的值即轴交点处的值即 为为V VF Fn 在正向驱动电流在正向驱动电流I IF F=I=Ithth+20mA+20mA时所对应时所对应X X轴交点处的轴交点处的 值即为值即为V Vopop半导体激光二极管半导
6、体激光二极管 2022-5-3011V VF F/ /V VOPOP: :正向导通电压正向导通电压/ /正向工作电压正向工作电压半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30124.4 V4.4 VBRBR/I/IR R-反向击穿电压反向击穿电压/ /反向电流反向电流定义：定义：n 在规定的反向电流下所对应于在规定的反向电流下所对应于U U轴轴(x(x轴轴) )的反的反 向电压值就是向电压值就是V VBRBRn 在规定的反向电压下所对应于在规定的反向电压下所对应于I I轴轴(y(y轴轴) )的电的电 流就是反向电流流就是反向电流I IR R(A)(A)半导体激光二极管半导体激光二极管 2
7、022-5-3013V VBRBR: :反向击穿电压反向击穿电压半导体激光二极管半导体激光二极管 VBR2022-5-30144.6 R4.6 RS S微分串联电阻微分串联电阻( (单位：单位：)半导体激光二极管半导体激光二极管 VII-VP-II-Im2022-5-3015公式表达式为：公式表达式为： 从式中可以看出：要想降低从式中可以看出：要想降低RsRs，就必须减小，就必须减小VV 要想减小要想减小VV，就必须提高表面浓，就必须提高表面浓 度和增加表面接触面积以及提高度和增加表面接触面积以及提高 表面附着力表面附着力半导体激光二极管半导体激光二极管 IVRs2022-5-30164.7
8、I4.7 Im m: :监视电流监视电流( (单位：单位：A)A)通过通过MPDMPD检测到的检测到的LDLD在规定在规定(I(Ithth+20mA)+20mA)的光输出功率下，在给定的的光输出功率下，在给定的MPDMPD反向电压反向电压(V(Vb b=5V)=5V)时所检测到的时所检测到的LDLD背向输出光功率的光电流值背向输出光功率的光电流值作用：在模块应用中执行自动功率控制（作用：在模块应用中执行自动功率控制（APCAPC）取值：取值：m m=300=300800A800A半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30174.8 I4.8 Id d:MPD:MPD暗电流暗电流( (
9、单位为单位为nAnA) ) 它是指它是指MPDMPD无光照时，在规定的反向电压无光照时，在规定的反向电压(V(Vb b=5V)=5V)下所产生的热电流下所产生的热电流为暗电流为暗电流。 暗电流与温度呈线性增加，与足够大的反暗电流与温度呈线性增加，与足够大的反向偏压无关向偏压无关( (即：即： V Vb b V VBRBR情况情况) )。半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30184.9 P4.9 Po o：光输出功率：光输出功率( (单位：单位：mWmW) )定义：当定义：当LDLD正向偏置时，在规定的工作电流正向偏置时，在规定的工作电流（I Ithth+20mA+20mA）下所探
10、测到的输出光功率值下所探测到的输出光功率值半导体激光二极管半导体激光二极管 P-IIth=6.9mAPo=5.6mW2022-5-30194.10 P4.10 Pthth：阈值光输出功率：阈值光输出功率( (单位单位mWmW) )定义：阈值以下自发辐射的光输出功率定义为阈值定义：阈值以下自发辐射的光输出功率定义为阈值光输出功率光输出功率半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30204.11 4.11 d d：外微分量子效率：外微分量子效率( (单位：单位：mW/mAmW/mA) )定义：阈值以上定义：阈值以上P-IP-I曲线线性段曲线线性段d dI/I/d dP P之比，它是衡量器件
11、把注入的电之比，它是衡量器件把注入的电子子- -空穴对转换成向外发射光子空穴对转换成向外发射光子( (输出功率输出功率) )的效率。的效率。用公式可表示为：用公式可表示为：式中：式中：受激受激受激发射的内量子效率受激发射的内量子效率 i i腔体内部损耗腔体内部损耗 L L 器件腔长器件腔长 R R器件端面反射器件端面反射半导体激光二极管半导体激光二极管 VIPRLiD1ln1受激2022-5-30214.11 4.11 d d：外微分量子效率：外微分量子效率( (单位：单位：mW/mAmW/mA) )i 为内微分量子效率为内微分量子效率; i 为腔体损耗为腔体损耗; L为激光器腔长为激光器腔长
12、; R为腔体端面反为腔体端面反射率射率; 为光限制因子为光限制因子; A、B为增益系数为增益系数; d为有源层厚度。为有源层厚度。 从式从式(3)可以看出可以看出, 要降低要降低Jth 就要减小就要减小d和增大和增大, 以及增大以及增大L。但是。但是, 我们从图我们从图5中可以看出中可以看出, 要想增大要想增大则需要增大则需要增大d。因而。因而, 要同时减要同时减小和增大小和增大是不可能的。同样是不可能的。同样, 增加增加L可以降低可以降低Jth , 但是从式但是从式(4)可可知知, 增加增加L不会使不会使D 降低降低, 因此对结构参数的选择就需要兼顾因此对结构参数的选择就需要兼顾Jth 和和
13、d, 我们取我们取d=1.01.5, L=400500m。半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3022d d：外微分量子效率：外微分量子效率半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30234.12 p / c/ 4.12 p / c/ meanmean/ / ：峰值波长：峰值波长/ /中心波长中心波长/ /平平 均波长均波长/ /光谱半宽光谱半宽 定义：定义：n在在LDLD规定的光输出功率下，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波规定的光输出功率下，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波 长被长被定义为峰值发射波长定义为峰值发射波长n在发射光谱中，连接在发射光谱中，连接-3dB
14、-3dB最大幅度值线段的中心点所对应的波长最大幅度值线段的中心点所对应的波长定义为定义为 中心波长中心波长n在发射光谱中，将幅度大于峰值在发射光谱中，将幅度大于峰值2%2%的所有光谱模式的加权平均值的所有光谱模式的加权平均值定义为定义为 平均波长平均波长n在在LDLD规定的光输出功率下，主模中心波长的最大峰值功率下降规定的光输出功率下，主模中心波长的最大峰值功率下降-3dB-3dB时的时的 最大全宽最大全宽定义为光谱半宽定义为光谱半宽。 半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3024注：注： n 对于对于F-P LDF-P LD，ITUITUT T957957建议的最大均方根建议的最
15、大均方根（RMSRMS）定义为光谱宽度）定义为光谱宽度n 对于对于DFBDFBLDLD，ITUITUT T957957建议的最大建议的最大-20dB-20dB 宽度为光谱宽度宽度为光谱宽度 但是，通常我们是但是，通常我们是3dB3dB时候来确定光谱宽度时候来确定光谱宽度注：注：ITU-T-ITU-T-国际电信联合会国际电信联合会半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3025nF-PF-P腔光谱曲线图腔光谱曲线图半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3026nDFBDFB光谱曲线图光谱曲线图半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3027n:LD:LD波长波长半导体激
16、光二极管半导体激光二极管 式中：式中：h普朗克常数：普朗克常数： 6.626x10-34e 电子电荷：电子电荷：1.6x10-19c 光速：光速：3105 Km/sEg半导体材料带隙能量半导体材料带隙能量(该参数与掺杂有关，如该参数与掺杂有关，如1310nm LD ，In=0.26mg) p=850nm情况，情况， Eg=1.46eV p=1310nm情况，情况，Eg=0.95eV p=1550nm情况，情况，Eg=0.8eVeVEeEhcmgg24. 1)(2022-5-3028nc:c:中心波长中心波长11：为第一个峰值波长：为第一个峰值波长 EiEi：为第：为第i i个峰值的能量个峰值的
17、能量半导体激光二极管半导体激光二极管 nimiEiEc11nimiPiE2022-5-3029n: :平均波长平均波长定义：是指所有光谱模式的加权平均值，把幅射度定义：是指所有光谱模式的加权平均值，把幅射度 大于峰值大于峰值2%2%的模式均计入的模式均计入n n： 为第为第n n个波长个波长 P Pn n： 为第为第n n个波长的功率个波长的功率半导体激光二极管半导体激光二极管 PnPnn 2022-5-3030n：光谱半宽：光谱半宽( (Full Width at Half Maximum-FWHMFull Width at Half Maximum-FWHM ) ) n: n: 材料介质折
18、射率材料介质折射率 从式中可以看出从式中可以看出与与LDLD腔长有关腔长有关 半导体激光二极管半导体激光二极管 Ln212 2022-5-3031nSigma Sigma ：光谱半宽：光谱半宽( (单位：单位：nm)nm) 对于对于FP LDFP LD类产品来说，类产品来说，ITU-T-957ITU-T-957建议用最大均方根建议用最大均方根(RMS)(RMS)宽度定义为光谱宽度。宽度定义为光谱宽度。 i i为第为第i i个峰值的波长个峰值的波长 P Pi i为第为第i i个峰值的功率个峰值的功率 P Po o为所有峰值的功率为所有峰值的功率 半导体激光二极管半导体激光二极管 niioiPPs
19、igma12)(2022-5-3032n:光束半宽光束半宽 : :空间光束平行于空间光束平行于LD PNLD PN结结平面方向最大强度下降结结平面方向最大强度下降3dB3dB时所对时所对 应的全宽度定义为平行发散角应的全宽度定义为平行发散角 ：空间光束垂直于：空间光束垂直于LD P-NLD P-N结结平面方向最大强度下降结结平面方向最大强度下降3dB3dB时所对时所对 应的全宽度定义为垂直发散角应的全宽度定义为垂直发散角用公式表示为：用公式表示为：从式中可知：空间光束半宽度与有源层从式中可知：空间光束半宽度与有源层d d和有源层宽和有源层宽W W有关，有关，d d与与W W赿大，赿大， 和和就
20、赿小就赿小半导体激光二极管半导体激光二极管 Warc2 sin. darc2 sin.2022-5-3033n:光束空间远埸结构示意图光束空间远埸结构示意图 半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3034n4.15 SMSR4.15 SMSR：边模抑制比：边模抑制比( (单位：单位：dB)dB) ( (仅对于仅对于DFB LDDFB LD而言而言) )定义：是指在发射光谱中，在规定的输出光功定义：是指在发射光谱中，在规定的输出光功 率和规定的调制率和规定的调制( (或或CW)CW)时最高光谱强度时最高光谱强度 与次高光谱强度之比与次高光谱强度之比根据根据ITU-T-G957ITU-T
21、-G957要求要求 SMSR30dBSMSR30dB半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3035SMSR SMSR 曲线说明曲线说明半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30364.13 4.13 热学参数热学参数4.13.1 LD4.13.1 LD热阻：热阻：R RT T( (单位：单位： / W) / W)nRT 定义为加在器件单位电功率所引起的结温升定义为加在器件单位电功率所引起的结温升 半导体激光二极管半导体激光二极管 式中: Tj 结区温度; THS 热沉温度; Pi 注入电功率; IF 正向注入电流; VF 正向结压降。FFHSjjTVITTPiTR2022-
22、5-3037 从上式可知从上式可知, 只要测量出结温升只要测量出结温升Tj 和正向注入电流和正向注入电流IF 以及正向结压降以及正向结压降VF 值值, 就可计算出就可计算出RT值值对结温升对结温升Tj 的测量的测量, 一般有两种方法一般有两种方法: 1) 正向压降法正向压降法 正向压降法正向压降法, 是根据已知的结电压随结温温度变化的关系是根据已知的结电压随结温温度变化的关系,测量出结电测量出结电压的变化来计算结温升。这种方法简单易行压的变化来计算结温升。这种方法简单易行, 但测量结果误差较大。但测量结果误差较大。 2) 光谱漂移法光谱漂移法 光谱漂移法光谱漂移法, 是根据已知的萤光峰值波长随
23、结温变化的关系是根据已知的萤光峰值波长随结温变化的关系, 通过测量通过测量峰值波长的变化来计算结温升。这种方法的测量系统较复杂峰值波长的变化来计算结温升。这种方法的测量系统较复杂, 但好处在于重但好处在于重复好复好, 数据可靠。数据可靠。 这种测量方法这种测量方法, 是在大电流下进行的是在大电流下进行的, 可以忽略在小电流下的泄漏电流可以忽略在小电流下的泄漏电流所引起的误差。所引起的误差。 半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30384.13.3 4.13.3 波长与温度的关系：波长与温度的关系：/T(/T(单位：单位：nm/)nm/) 峰值波长随温度的改变峰值波长随温度的改变p
24、/ T： 对对F-P-LD，当激光器的温度升高时，有源区的带隙将变窄，同时波导层的，当激光器的温度升高时，有源区的带隙将变窄，同时波导层的有效折射率发生改变，峰值波长将向长波长方向移动。约为有效折射率发生改变，峰值波长将向长波长方向移动。约为0.40.5nm/ 。 对对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射率决定，温度升高时光，激射波长主要由光栅周期和等效折射率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以栅周期变化很小，所以p / T小于小于0.1nm / 。 半导体激光二极管半导体激光二极管 nm T25-8525p85p/)()()( 2022-5-30394.14 4.14 其它参数其
25、它参数4.14.1 Er4.14.1 Er：跟踪误差：跟踪误差( (单位：单位：dB)dB) 定义：是指在两种不同环境温度下定义：是指在两种不同环境温度下LDLD的光输出功率的比值，它的光输出功率的比值，它 是衡量器件是衡量器件( (组件组件) )的工作稳定性的重要参数之一。的工作稳定性的重要参数之一。要求要求Er1.5dBEr1.5dB T Tc c LD LD管壳温度管壳温度 P Po o LD LD输出功率输出功率 I Im m MPD MPD监视电流监视电流 半导体激光二极管半导体激光二极管 )()(log25PTcP10Eroo )()()()()()(log25ITcI25I25P
26、TcP25P10Ermmmooo2022-5-30404.14.2 LD4.14.2 LD啁啾啁啾( (对于对于CATVCATV系统用系统用DFB-LDDFB-LD而言而言) )解释：当调制速率高达数解释：当调制速率高达数Gbit/sGbit/s的条件下，辐射波长在的条件下，辐射波长在 调制脉冲的上升沿时向短波方向漂移；而在脉冲调制脉冲的上升沿时向短波方向漂移；而在脉冲 下降沿时向长波方向漂移，这种现象就称为下降沿时向长波方向漂移，这种现象就称为“啁啁啾啾” 效应。效应。通常情况用二阶失真通常情况用二阶失真-CSO-CSO表示表示 CSO60dBcCSO60dBc缺点：恶化光纤通信系统的传输质
27、量缺点：恶化光纤通信系统的传输质量 限制通信的中继距离限制通信的中继距离 引起线宽展宽引起线宽展宽半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30414.16 EXT4.16 EXT：消光比：消光比定义：规定光输出功率定义：规定光输出功率P Po o与阈值电流与阈值电流I Ithth处的辐射光处的辐射光 功率功率P Pthth之比之比要求要求EXT9dBEXT9dB半导体激光二极管半导体激光二极管 )(logdBPPo10EXTth 2022-5-30424.17 t4.17 tr r/t/tf f：上升：上升/ /下降时间下降时间定义：定义：n 激光器在调制状态时相对脉冲波形幅度从激光器
28、在调制状态时相对脉冲波形幅度从10%10% 上升到上升到90%90%时所需的的工作时间为上升时间时所需的的工作时间为上升时间trtrn 从从90%90%下降到下降到10%10%时所需的时间为下降时间时所需的时间为下降时间t tf f半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3043t tr r/t/tf f：上升：上升/ /下降时间下降时间半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30444.18 RIN:4.18 RIN:相对强度噪声相对强度噪声( (仅对仅对CATVCATV用用LDLD而言而言) )定义：定义：每赫兹带宽激光光强波动的均方根值与平均光功率之比每赫兹带宽激光光强波
29、动的均方根值与平均光功率之比 (对于对于CATV传输而言，要求传输而言，要求RIN-150dB/Hz) 式中：式中：PP光强度波动功率光强度波动功率 P P平均光强度功率平均光强度功率半导体激光二极管半导体激光二极管 HzdBPPRIN22/ 2022-5-30454.19 fc4.19 fc: : 载止频率载止频率定义：截止频率就是调制包络线下降定义：截止频率就是调制包络线下降3dB3dB所对所对应的点的频率。应的点的频率。半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-30465 LD5 LD的调制方式的调制方式 调制信号调制信号 信号强弱信号强弱半导体激光二极管半导体激光二极管 2022
30、-5-3047强度调制强度调制( (或调制深度或调制深度) ) LDLD输出光功率的调制深度是指最大调制光功率和最输出光功率的调制深度是指最大调制光功率和最小调制光功率之差值。小调制光功率之差值。 通常它被表示为光功率的百分数。通常它被表示为光功率的百分数。 它是通过眼图而获得的参数之一。它是通过眼图而获得的参数之一。 偏置电流是在偏置电流是在IthIth之上。之上。 驱动电流置于能产生驱动电流置于能产生50%50%是最大额定输出功率。是最大额定输出功率。注：强度调制和频率调制会导致谱线的动态展宽注：强度调制和频率调制会导致谱线的动态展宽半导体激光二极管半导体激光二极管 2022-5-3048LDLD的调制特性的调制特性半导体激光二极管半导体激光二极管
