关于博士生专业课半导体激光器的设计理论的选课通(精)

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1 P ( E ) 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据 E Ef 和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 1 exp[ ] KT 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。
Ef
Ef
Ef
P 区
PN 结空 间电 场区
N 区
+ + + + ++
• • • • •
是 阈值增益系数； ln( 1 ) R1 R2 是谐振腔内激活物质的损耗系数； th 2L 为谐振腔长度 th 激光振荡的相位条件为： 或
L
L q

2n
L
2 nL

半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
双异质结（DH)LD的结构
E2
初态
hf12
E1
hf12
E2
终态
hf12
E1
hf12
(c)受激辐射
(a)受激吸收
能级与电子跃迁示意图
(b)自发辐射
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为 N1 和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率 分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时， 光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受 激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活 物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分 布。
光与物质相互作用的三种基本方式
• 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级， 同时释放出光子。 • 受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低 能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。 • 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃 迁到高能级。

关于博士生专业课《半导体激光器的设计理论》的选课通知
各位导师、研究生：
我部从2006年2月17日（周五）开始继续开设北京大学郭长志教授讲授的《半导体激光器的设计理论－速率方程理论部分》（3学分），请拟选此课程的研究生在2006年1月10日前将含有导师签字的选课表交到研究生部。

郭老师有丰富的教学经验，该课程自开课之日起，一直受到同学们的广泛关注和好评，请准备选此课的同学们积极踊跃报名！
上课时间：每周五上午地点：1#722
研究生部
2006年1月5日
附件：《半导体激光器的设计理论一》的课程大纲：。

可靠性
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。

摘要目前半导体激光器发展非常快。

随着技术的成熟，半导体激光器的应用也越来越广泛。

本文介绍了导体激光器产生激光的机理，即建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。

由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。

半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

关键字；受激辐射半导体激光器异质结1.半导体激光器工作原理 (1)1.1激光产生工作原理 (1)1.2半导体激光器的工作特性 (2)1.2.1阈值电流 (2)1.2.2方向性 (2)1.2.3效率 (2)1.2.4光谱特性 (2)2.双异质结半导体激光器基本结构 (3)3.半导体激光器特性 (4)3.1功率及伏安特性P-I曲线 (4)3.2温度特性 (4)3.2.1阈值电流的温度特性 (4)3.2.2中心波长 的温度特性 (5)3.3调制特性 (5)4.半导体激光器组件 (6)5.半导体激光器驱动电路 (7)6.半导体激光器的应用前景 (7)参考文献 (8)1.半导体激光器工作原理1.1激光产生工作原理半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：(1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。

将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。

当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

(2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。

4. Krishnan Rajeshwar, ‘Fundamentals of Semiconductor Electrochemistry and Photoelectrochemistry’ in ‘Encyclopedia of Electrochemistry’, 2007
该课程所属基层教学组织（教研室、系）专家小组意见：（该课程是否适合硕士、博士研究生培养的需要？是否与本科生课程重复？是否有稳定的课程组和授课教师队伍？）
1.Frederik Krebs，《Polymeric Solar Cells，Materials, Design, Manufacture》，DEStech，2010年5月
2.吴宇平，锂离子电池--应用与实践(二版)，化学工业出版社，2012，从ISBN: 9787122124210
3.Zhang, J., Zhang, L., Liu, H., Sun, A.,Liu, R-S. (eds.)，Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion,2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA，ISBN: 978-3-527-32869-7
教授
光电工程
42
光电化学
课程教学大纲：
第一章绪论
§1.1半导体材料
§1.2半导体晶体结构、晶格与原子价键
§1.3半导体中的电子状态与能带
§1.4半导体材料的生长与制备
§1.5固体中的缺陷及杂质
§1.6载流子的运动及非平衡载流子
§1.7小结
第二章介观太阳能电池
§2.1半导体光电转化原理及太阳能电池工作原理
考核方式：考试

增益曲线
损耗
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工 作模式，即在该频率上形成激光输出。
有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通 过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模 式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
v
§2.2.2 半导体激光器的结构
§2.2.2 半导体激光器的结构
绝缘介质 P-InGaAsP
P-InP N-InP N+-InP衬底 InGaAsP
图2.2.2-2 增益导引型半导体激光器
二、折射率导引型半导体激光器
通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引 入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光 器称为折射率导引型半导体激光器。
接点 SiO2 P-InP SiO2
价带 Lx
E2V
（2） 提供光的反馈 ——解理面 晶体中易于劈裂的平面称为“解理面”。凡显露在晶体外 表的晶面往往是一些解理面。
其中最简单的是法布 里——珀罗腔
注入电流
解理面
有源区
解理面
L
R1
增益介质 z=L
R2
z=0
图2.2.1-1 激光二极管的谐振腔
（3） 满足激光器的阈值条件 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振 荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入 电流称为阈值电流。 I
半导体激光器的工作原理
基本条件：
1. 有源区载流子反转分布 2. 谐振腔：使受激辐射多次 反馈，形成振荡 3. 满足阈值条件，使增益>损 耗，有足够的注入电流。
§2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件
• 激光器稳定工作的必要条件 :
（1） 粒子数反转产生增益

1980年代
出现了异质结半导体激光器， 提高了器件的效率和可靠性。
1990年代至今
随着材料和工艺的不断改进， 半导体激光器在性能和可靠性 方面得到显著提升，应用领域
不断扩大。
半导体激光技术的特点
高效率
半导体激光器的效率较高，一般可达 到30%以上，使得它在许多领域中具 有竞争优势。
波长可调谐
通过改变半导体激光器的温度或注入 电流等参数，可以实现波长的调谐， 满足不同应用需求。
激光治疗的基本原理是利用激光 的生物刺激作用，调整机体组织 的功能，促进病变组织的修复和
再生。
半导体激光治疗的理论基础
半导体激光器具有波长可调、 输出功率高、体积小、寿命长 等优点。
半导体激光的波长与组织吸收 峰相匹配，可被组织充分吸收 并转化为热能，对病变组织产 生热效应。
半导体激光治疗的理论基础是 利用激光的热效应，对病变组 织进行照射，从而达到治疗目 的。
口腔溃疡治疗
激光照射能够促进口腔黏 膜的再生和修复，加速口 腔溃疡的愈合。
牙齿美白
通过激光照射，能够减少 牙齿表面的色素沉积，使 牙齿变得更加洁白亮丽。
眼科疾病的治疗
眼底病变治疗
青光眼治疗
半导体激光能够通过光凝等手段，治 疗糖尿病视网膜病变、视网膜静脉阻 塞等眼底病变，防止视力进一步恶化 。
激光虹膜成形术和激光小梁成形术等 半导体激光手术可以开放房角、解除 瞳孔阻滞和降低眼压等作用，治疗青 光眼等眼疾。
半导体激光治疗新技术的应用
总结词
随着技术的不断发展，半导体激光治疗新技术不断涌现，为 患者提供了更加安全、有效的治疗方案。
详细描述
目前，半导体激光治疗新技术包括光动力疗法、光热疗法和 光化学疗法等。这些新技术在肿瘤治疗、皮肤疾病、眼科疾 病等领域展现出巨大的潜力，为患者带来了更好的治疗效果 。

博士班資格考核科目「半導體光電」範圍§半導體光學(佔50%)1. Basic Semiconductor conceptssemiconductor electronic equations, Doping (donars and acceptors), concept of heterostructures, strained tensor in lattice mismatch epitaxy, concepts of p-n andp-i-n diods, p-N heterojunctions, metal-semiconductor junctions, and polar heterostructures. (A: 1, A: 2.10, A: 2.11; B: 2)2. Basic quantum mechanicsSchrödinger Equations, infinite quantum well, square quantum well, the harmonic oscillator, perturbation theory. (B:3)3. Band structures in SemiconductorsThe effective mass theory, Bloch theorem and crystal momentum, k p method for simple bands, strain tensor, strain effect in band structures, Bands structures of alloys, band structures of strained semiconductor quantum well, quantum systems (A:2, A:3;B:4)4. Transport and scattering theorydefect and carrier-carrier scattering, (ionized impurity scattering, charged dislocation scattering, alloy scattering and interface roughness scattering); Lattice vibrations, phonon scattering (acoustic phonon scattering and optical phonon scattering, deformation potential scattering, intervalley scattering and intravalley scattering), velocity-electric field relations in semiconductors (Si, GaAs, GaN, etc.). (A: 4, A: 7)5. Optical properties of semiconductors:Maxwell’s equations and vector potential, interband transitions, indirect interband transitions, charge injection, radiative recombination, non-radiative recombination, quasi-fermi level, effective index method, and waveguides theory. (A: 9; B: 9)6. Excitonic effects:Excitonic states in semiconductors, optical properties with inclusion of excitonic effects, excitonic states in quantum well, excitonic absorption, excitonic broadening. (A: 10; B13)7. Modulations of optical properties:Modulation of optical properties, Electro-optic effect, polarization effects (ferroelectric and piezoelectric), and quantum confined stark effect. (A: 10; B: 13) 參考書A: Electronic and optoelectronic properties of semiconductor structures (2002) –Jasprit SinghB: Physics of Optoelectronic Devices (1996) – S. L. Chuang§光電半導體物理(佔50%)“Solid State Physics” by Ashcroft and Mermin, Chapter 1-11 and Chapter 22-28。

第八讲 半导体激光器（一）
主要内容
• 半导体激光器的工作原理 • 半导体激光器的基本结构
半导体激光器工作原理
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现 粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐 振腔的正反馈实现光放大而产生激光。
半导体激光器工作原理
• 光与物质相互作用的三种基本方式 • 粒子数反转分布 • 激光振荡和光学谐振腔
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
(a)受激吸收
(b)自发辐射
能级与电子跃迁示意图
hf12
hf12
(c)受激辐射
粒子数反转分布
和分光激别强N辐设2物比会射在质例衰，单在于减光位正N，通物1和常物过质N状质该中2且态为物低比下吸质能例N收时级1系＞物，电数N质光2子，相。强数受等若会和激，N放2高吸此＞大能收时N1，级与，光该电受受通物子激激过质数辐吸该成射收分物为的小质别激速于时为率活受，N1 物布。质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分
GaAs衬底
光辐射
金属接触
+ (a)
P GayAl1-yAs
E
(b)
能 量
空穴
N 折
(c) 射
率
P GaAs
－
N GaXAl1-XAs 电子
复合
异质势垒
＜5%
P 光
(d) 功
率
双异质结（DH)LD的工作原理示意图
双异质结（DH)LD的工作原理
双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材 料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层， 两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导 体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。 光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。

半导体异质结
• 异质结的作用：
• 异质结对载流子的限 制作用
• 异质结对光场的限制 作用
• 异质结的高注入比
异质结对光场的限制作用
半导体激光器的材料选择
1-能在所需的 波长发光
2-晶格常数与 衬底匹配
半导体激光器的工作原理
基本条件： 1有源区载流子反分
布 2谐振腔：使受激辐射
多次反馈，形成振 荡 3满足阈值条件，使增 益>损耗，有足够的 注入电流。
• 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射 率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb / ΔT 小于0.1nm /℃ 。
F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾
工作特性
5.光谱宽度 6边模抑制比 7上升/下降时间 8串联电阻 9热阻
各特性的关系
DFB-LD芯片制造
1. 一次外延生长 2. 光栅制作 3. 二次外延生长 4. 脊波导制作 5. 欧姆接触、减薄 6. 解理成条 7. 端面镀膜 8. 解理成管芯 9. TO-CAN
双异质结激光器
分别限制异质结单量子阱激光器
横模（两个方向）
• 半导体激光器通常是单横 模（基模）工作。
• 当高温工作，或电流加大 到一定程度，会激发高阶 模，导致P-I曲线出现扭折 （Kink），增加了躁声。
• 垂直横模 • 侧横模
• 垂直横模：由异质结各层 的厚度和各层之间的折射 率差决定。
DFB激光器
DFB-LD与DBR-LD
F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔
DFB-LD的增益与损耗
工作特性
1.阈值电流 Ith
影响阈值电流的因素： 1. 有源区的体积：腔长、条宽、厚度 2. 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 3. 解理面、镀膜 4. 电场和光场的限制水平 5. 随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子

河北科技大学光电子技术结课论文半导体激光器原理及在光纤通信中的应用学生姓名张青（09L0704216）杨豪杰（09L0704214）刘腾（09L0704208）学生专业电子科学与技术班级 2摘要: 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。

关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信 WDM 激光技术; 半导体激光一、半导体激光器1.什么叫激光激光的英文叫Laser lightamplification by stimulated emission ofradiation. 就是通过受激发射实现光放大。

光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。

激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。

2、半导体激光器的工作原理2.1基本条件：（1）有源区载流子反转分布（2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡（3）满足阈值条件，使增益>损耗，有足够的注入电流。

2.2工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。

理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德——杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。

远红外长波长： InP衬底
InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
半导体激光器工作原理
8
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
半导体激光器工作原理
9
半导体激光器材料生长
• 采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源 层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层 光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源 区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场 的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光 斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时 会出现扭折问题。
半导体激光器工作原理

折射率波导条形激光器（掩埋条形）
特点：不仅对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧 向扩散有限制作用，而且对光波侧向渗透也有限制作 用。
InP衬底的1310nm 、1480nm激光器属于这种结构， 需要三次外延生长。此结构的优点：条形有源区的侧 向对载流子和光场都有限制，辐射光丝稳定，能够单 膜工作，远场单峰、光斑均匀，光谱窄、阈值低、可 靠性高。
半导体激光器工作原理
7
半导体激光器的分类（材料和波长）
可见光：
GaAs衬底
InGaN/ GaAs 480~490nm 蓝绿光
InGaAlP/GaAs 630~680nm
AlGaAs/GaAs 720~760nm
近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm
半导体激光器工作原理
11
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激 光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。

DNA扩增－DNA放大（amplification)
A
基本“元件”
2n
PCR扩增原理
三个步骤：
高温变性（90 º C 以上） 低温退火（37 º ～55 º C C） 中温延伸（70 º C 左右）
PCR芯片的研究
温度循环！
集成PCR扩增芯片的结构
MEMS的分类
真空微电子器件：它是微电子技术、 MEMS技术和真空电子学发展的产物， 具有极快的开关速度、非常好的抗辐照 能力和极佳的温度特性。主要包括场发 射显示器、场发射照明器件、真空微电 子毫米波器件、真空微电子传感器等 电力电子器件：包括利用MEMS技术制 作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型 槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类 高压大电流器件
从根本上解决信息系统的微型化问题 实现许多以前无法实现的功能
今天的MEMS与40年前的集成电路类似， MEMS对未来的社会发展将会产生什么影 响目前还难以预料，但它是21世纪初一个 新的产业增长点，则是无可质疑的
研究领域
理论基础：随着MEMS尺寸的缩小，有些宏观 的物理特性发生了改变，很多原来的理论基础 都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表 面效应、微观摩擦机理等等，
MEMS技术
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠
体硅工艺
表面牺牲层工艺
表面牺牲层与 CMOS工艺集成
结构单独制造，灵活性较大 灵敏度高、寄生小、体积小 简化封装和组装，可靠性高

受激辐射 和受激 吸收的 区别与 联系 受激辐 射是受 激吸收 的逆过 程。电 子在E1和E2两个能级 之间跃 迁，吸 收的光 子能量 或辐射 的光子 能量都 要满足 波尔条 件，即 E2-E1=hυ
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数， υ为吸收或辐射的光子频率。
第7页/共54页
产生受 激辐射 和产生 受激吸 收的物 质是不 同的。 设在单 位物质 中，处 于低能 级E1和处于高 能级E2(E2>E1)的原子数分别 为N1和N2。 当系统 处于热 平衡状 态时，
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
第12页/共54页
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
在热平衡 状态下 ，能量 为E的能 级被电 子占据 的概率 为费米 分布
电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之 间的跃迁有三种基本方式：受激吸收（本征吸 收） 自发辐射 受激辐射
第2页/共54页
初态
E2
E1
E2
hυ=E2-E1
终态
E1
(a) 自发辐射 光子的特点：非相干光
第3页/共54页
初态
E2
hυ
E1
E2
终态
E1
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光