5.4 振荡器的频率稳定度
?产生等幅持续的振荡满足起振、平衡和稳定三个条件
波形。
?振荡器的瞬时当受到外界或振荡器内部不稳定因素干扰
相位（或频率）会在平衡点附近随机变化。
频率稳定度
f与标称频率0f偏离的程度。
用于衡量实际振荡频率osc
频率稳定度是振荡器最为重要的性能指标之一。现代电子技术的飞速发展对振荡器的频率稳定度提出了越来越高的要求。通信系统的频率不稳定，就会因漏失信号而无法通信，如调频广播发射机的频率不稳，调频接收机就不能准确接收，如调频广播发射机的频率准确、稳定，则接收机在不需要调谐的情况下能够实现自动收听和转播；在数字电路中，时钟不稳会引起时序关系的混乱；测量仪器的频率不稳定会引起较大的测量误差；军事保密通信及空间技术对频率稳定度提出了更为严格的要求。例如，要实现与火星通信，频率的相对误差不能大于11
10-数量级。倘若给距离地球5600万千米卫星定位，要求频率的相对误差不能大于12
10-数量级。
1 频率准确度和频率稳定度
评价振荡频率的主要指标是频率准确度和频率稳定度。
频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度，分为绝对频率准确度和相对频率准确度。
绝对频率准确度是实际工作频率
osc f 与标称频率0f 的偏差
0osc f f f ?=- （5.4.1） 相对频率准确度是频率偏差f ?与标称频率之比
000
osc f f f f f -?= （5.4.2） 频率稳定度是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。最常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度，以δ表示
0max 0osc f f f δ-=
时间间隔 （5.4.3） 其中0max osc f f -是某一间隔内的最大频率偏移。如某振荡器标称频率为5MHz ，在一天所测的频率中，与标称值偏离最大的一个频率点为4.99995MHz ，则该振荡器的频率稳定度为
605max
60(4.99995 5)10110/510osc f f day
f δ--?-===??day day 在频率准确度与频率稳定度两个指标中，频率稳定度更为重要。因为只有频率稳定，才能谈得上频率准确。频率不稳，准确度也就失去了意义。下面主要讨论频率稳定度。
频率稳定度按时间间隔分为
5.4 振荡器的频率稳定度 ?产生等幅持续的振荡满足起振、平衡和稳定三个条件 波形。 ?振荡器的瞬时当受到外界或振荡器内部不稳定因素干扰 相位（或频率）会在平衡点附近随机变化。 频率稳定度 f与标称频率0f偏离的程度。 用于衡量实际振荡频率osc 频率稳定度是振荡器最为重要的性能指标之一。现代电子技术的飞速发展对振荡器的频率稳定度提出了越来越高的要求。通信系统的频率不稳定，就会因漏失信号而无法通信，如调频广播发射机的频率不稳，调频接收机就不能准确接收，如调频广播发射机的频率准确、稳定，则接收机在不需要调谐的情况下能够实现自动收听和转播；在数字电路中，时钟不稳会引起时序关系的混乱；测量仪器的频率不稳定会引起较大的测量误差；军事保密通信及空间技术对频率稳定度提出了更为严格的要求。例如，要实现与火星通信，频率的相对误差不能大于11 10-数量级。倘若给距离地球5600万千米卫星定位，要求频率的相对误差不能大于12 10-数量级。 1 频率准确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和频率稳定度。 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度，分为绝对频率准确度和相对频率准确度。
绝对频率准确度是实际工作频率 osc f 与标称频率0f 的偏差 0osc f f f ?=- （5.4.1） 相对频率准确度是频率偏差f ?与标称频率之比 000osc f f f f f -?= （5.4.2） 频率稳定度是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。最常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度，以δ表示 0max 0osc f f f δ-= 时间间隔 （5.4.3） 其中0max osc f f -是某一间隔内的最大频率偏移。如某振荡器标称频率为5MHz ，在一天所测的频率中，与标称值偏离最大的一个频率点为4.99995MHz ，则该振荡器的频率稳定度为 605max 60(4.99995 5)10110/510osc f f day f δ--?-===??day day 在频率准确度与频率稳定度两个指标中，频率稳定度更为重要。因为只有频率稳定，才能谈得上频率准确。频率不稳，准确度也就失去了意义。下面主要讨论频率稳定度。 频率稳定度按时间间隔分为
Bernd K?hler，Thomas Brand，Matthias Haag，Jens Biesenbach DILAS公司 1. 引言 高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar 条典型的光谱带宽大约是3～6nm，而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。 通常，掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦，标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里，随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。 另一方面，光纤激光器的迅速发展，也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如，泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统，特别是980nm泵浦区尤为重要，因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。 另一个新的泵浦波长是在888nm泵浦Nd：YVO4，与808nm泵浦相比，888nm泵浦的优势在于该波长处于各向同性吸收区，即在所有偏振方向上具有相同的吸收系数，并且量子亏损小。[1] 对于光谱线宽要求最高的应用之一是碱金属蒸汽激光器（如铷或铯）的光泵浦，这类应用需要的线宽大约为10GHz。对于这些应用，要实现有效泵浦，控制半导体激光器泵浦源的光谱。[2] 由多个半导体激光器bar条构成的高功率半导体激光器系统的另一缺点在于相对较差的光束质量和亮度B，公式（1）是B的定义。半导体激光器光束的亮度由激光功率P以及慢轴和快轴方向上的光束参数乘积（BPP）a所确定。[3] 普通大面积半导体激光器bar条的输出光束是由对于光束尺寸和发散角高度非对称的参数来表征的。快轴方向上的光束质量约为1mm?mrad，接近衍射极限；然而，标准10mm 大面积半导体激光器bar条慢轴方向上的光束质量在400～500mm?mrad之间，远远超过了衍射极限。 最近几年中，通过增加每个发射体的输出功率和减小慢轴发散角，半导体激光器bar 条的亮度已经得到了显著提高。这些进展带来了发射体数量减少、发射体间距增加的新型半导体激光器设计。这些迷你bar条比传统的10mm大面积半导体激光器bar条更具优势。[4]
以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定3 满文庆33 杨世琪 钟旭滨 孙番典 (华南师范大学物理系,广州,510631) 摘要:研究以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定系统,在精密控制半导体激光器的工作温度和工作电流的基础上,利用85Rb 的D 2线的一次微分信号对LD 的频率进行锁定。锁定后LD 的频率最大变化为10MHz/3h ,平均取样时间10s ,用Allan 方差估算LD 频率稳定度为10-9。 关键词:半导体激光器 锁频 稳定度 Frequency of LD locked to the atomic spectrum line M an Wenqi ng ,Y ang S hiqi ,Zhong X ubi n ,S un Fandian (Department of Physics ,S outh China Nornal University ,Guangzhou ,510631) Abstract :This psper described a laser diode frequence stabilization system composed of a precisely temperature control system and a operating current control system of the laser https://www.doczj.com/doc/7d10118123.html,ing the first defferential signal of the resonance line ,the operating frequence of the laser diode can be locked to D 2line of 85 Rb.The measurement results show that the frequence stability evaluated by Allan variance is 10-9 order for 10seconds sampling time. K ey w ords :semiconductor laser frequency 2locking stability 引 言 从1962年第一台半导体激光器(LD )诞生以来,半导体激光器有了很大的发展,由于具有频率可调谐,能快速调制,易工作在单模以及体积小,价格便宜,可在室温工作等优点,半导体激光器广泛地应用在光纤通信,数据存储,高分辨率光谱学,等离子体的诊断以及激光测量,激光定位等许多领域。近年来,对LD 的研究及应用方面都有了很大的发展,高稳定度的LD 广泛地使用在光纤通信频分复用系统中;利用微波调制的LD 已直接观察到铷原子基态超精细能级间的相干共振[1];利用脉冲调制的LD 可观察到塞曼能级的相干共振,高稳定度的LD 还可作为全光学化的原子频标用的激光源[2]。 但是,许多很重要的应用都要求半导体激光器的频率比较稳定。比如在光纤通信的频分 复用技术中[3],频率漂移会引起“串扰” (Crosstalk )和增加系统的误码率。另外,在激光准直系统中,频率漂移将会带来大的误差。在光信息处理方面,也要求LD 的频率比较稳定,所以LD 的稳频是一个很有意义且很有应用价值的课题,国内外都开展了这方面的研究[4～6]。 可以通过控制工作温度和注入电流的稳定性来实现LD 一定程度的频率稳定。但要获得更高的稳定度,则要在此基础上,进一步采用LD 的锁定稳频技术[8],即采用一个外部参考(基准)频率,使激光器的频率锁定在这个基准频率上。比较有趣的是,几乎所有的半导体激光器都能找到一个合适的原子或者分子的吸收谱线作为参考频率来实现锁频。 3广东省高教厅科研基金资助。 33现在广州师范学院物理系任教。 第22卷 第1期 1998年2月激 光 技 术LASER TECHNOLO GY Vol.22,No.1February ,1998
题目编号:14578 知识点:17正弦波振荡器题型:单项选择题难度:中 振荡器之所以能获得单一频率的正弦波输出电压，是依靠了振荡器中的 ( )。 A. 选频环节 B.正反馈环节 C. 基本放大电路环节 【答案】A ====================================================================== 题目编号:14579 知识点:17正弦波振荡器题型:单项选择题难度:中 自激正弦振荡器是用来产生一定频率和幅度的正弦信号的装置，此装置之所以能输出信号是因为（）。 A. 有外加输入信号 B. 满足了自激振荡条件 C. 先施加输入信号激励振荡起来，然后去掉输入信号 【答案】B ====================================================================== 题目编号:14580 知识点:17正弦波振荡器题型:单项选择题难度:中 一个振荡器要能够产生正弦波振荡，电路的组成必须包含（ )。 A. 放大电路，负反馈电路 B. 负反馈电路、选频电路 C. 放大电路、正反馈电路、选频电路 【答案】C ====================================================================== 题目编号:14581 知识点:17正弦波振荡器题型:单项选择题难度:中 振荡电路的幅度特性和反馈特性如图所示，通常振荡幅度应稳定在（）。 A. O 点 B. A 点 C. B 点 D.C 点 U om fm 【答案】C ====================================================================== 题目编号:14582 知识点:17正弦波振荡器题型:单项选择题难度:中 反馈放大器的方框图如图所示，当= 0 时，要使放大器维持等幅振荡，其幅度条件是（）。 A. 反馈电压要大于所需的输入电压 B.反馈电压要等于所需的输入电压 C. 反馈电压要小于所需的输入电压
山西大学 物理电子工程学院实验论文 半导体激光器稳频系统的动态特性研究 学院：物理电子工程学院 专业：光信息科学与技术 导师：王彦华 姓名：杜小娇任思宇 学号：2013274002 20132740
半导体激光器稳频系统的动态特性研究 摘要：本实验在现代社会中自动控制系统技术的启发下，考虑到目前激光技术的发展前景广阔，应用也比较广泛，决定将用类似的方法研究激光器稳频系统的动态特性。在闭环系统中通过不同干扰信号的扰动，观察整个系统的响应，最终得到传递函数，进而分析出该系统的幅频和相频特性。关键字：激光器稳频系统干扰信号传递函数幅频特性相频特性 （一）引言 提高激光器系统稳定性在激光技术、超精密加工、测量设备量子信息等诸多科技前沿领域有着举足轻重的地位。影响激光系统稳定性的因素有很多，例如激光器、气压、震动等。如果激光器系统的稳定性提高到十几个小时乃至更高，那么对于恶劣环境的干扰就可以得以消除，更有利于实验的进行。对于激光器稳定性的研究更显得尤为重要，在激光器输出功率稳定性[1-2]的系统中，都实现了激光器输出功率的长期稳定性。在山西大学[3-6]也有很多实验需要建立在稳定系统来进一步发展。二阶闭环系统稳定的研究过程中针对信号及信号处理[7-8]已经有了较为成熟的一系列体系。因此，结合自动控制理论研究激光器系统及其动态响应，以实验结果为依据，对特定环境下激光器的结构设计的优化以及环路的参数的确定和调试，进行数学建模，从而提供更科学的处理方案，并给出一些的针对性的建议是非常重要的研究工作。 （二）实验原理 2.1半导体激光器（ECDL） 激光器的种类很多，分类的依据也有很多。其中根据其增益介质的不同可分为气体激光器、固体激光器、光纤激光器、染料激光器以及半导体激光器。半导体激光器因其结构紧凑、操作简单、便于集成、价格低廉、功耗低、工作波长范围大等优点而被广泛应用于冷原子物理、量子操控等前沿研究和高分辨率光谱，高精度测量很多技术领域。因此实验中将对半导体激光器稳定性进行了研究与分析。 我们在实验中为了更好控制半导体中发光二极管发出的光经谐振腔不断放大后发射出激光的不同模式，采用了光栅反馈式选模。光栅对激光有色散的作用，进而不同波长的波可以清楚辨别，通过调节光栅的角度，进而可以实现不同频率的激光反馈回激光器中。
一、振荡器频率稳定和幅度稳定 1、相位的稳定性 外界因素的变化会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2nπ。相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复φT=2nπ所应具有的条件。 相位稳定条件满足相位稳定条件的φ(ω)特性曲线如图所示。T上式表示φ(ω)在ω0附近具有负斜率变化，其绝对值愈大，相位愈稳定。T在LC并联谐振回路中，振荡环路φ(ω)=φ(ω)+φ(ω)，即φ(ω)由两部分组成，其中,TTFAφ(ω)是反馈网络相移，与频率近似无关；φ(ω)是放大器相移，主要取决于并联谐振回路AF的相频特性φ(ω) Z 并联振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且Ｑ越大，φ(ω)随ω增加而下降的斜率就越大，振荡器的频率稳定度也就越高。Z2、频率的稳定 （1）影响振荡器振荡频率变化的原因：温度、湿度、电源电压、负载的变化以及机械振动、元LCQr）、、、都有可能引起决定振荡频率的回路元件参数件器的老化、周围磁场等外部因素，（、e φ的变化）的变化，从而使振荡频率发生变化，后者是引起管子的参数和相位（主要回路相位频率不稳定的内因。． （2）稳频措施为一是减少外界因素的变化。例如，将振荡器或回路元件置于恒温槽内来减小温度的变化，采用密封工艺来减小湿度的变化，采用高稳定的稳压电源来减小电源电压的变化，采用减振装置来减小机械振动，采用屏蔽罩来减小周围磁场的影响，在振荡器与负载之间插入f 高且性能稳定可靠的振荡管，跟随器来减小负载变化等。二是合理选择元器件。例如，选择Tβ较高），而且由于极间电容小，相移小，使振荡频率更接不但有利于起振（因在振荡频率上QL（如在近回路的固有谐振频率，有利于提高频率稳定度；选择温度系数小、值高的回路电感CLC在温度改变时变化很小，振，一方面使高频瓷骨架上用烧渗银法制成的电感）和电容和Q值高，其频率稳定度也高；采用贴片元器件，可减小分荡频率的变化也很小，另一方面由于L一般具有正温度系数，若选用适当负温度系布参数的影响，有利于振荡频率的稳定。此外，数的电容（如陶瓷电容器）进行温度补偿，就可以使温度改变时振荡频率的变化大大减小。为了防止元器件老化带来的振荡频率变化，在组装电路前应对元器件进行老化处理。三是合理设计振荡电路。例如，减小管子与回路之间的耦合，如采用部分接入法，可有效减小管子参数和Q值下降很少，起到稳定振荡频率的作分布参数对回路的影响，使回路电感和电容变化小，且用；适当增加回路总电容，可减小管子的输入、输出电容在总电容中的比重，从而提高回路总电容的稳定性，则频率的稳定度也提高了；采用稳定静态工作点的偏置电路，可减小振荡管参数和工作状态的变化，也可使振荡频率的变化减小。 3、幅度的稳定 幅度稳定度：在规定的条件下，输出信号幅度的相对变化量。如振荡器输出电压标称值为UO，实际输出电压与标称值之差为ΔU，则振幅稳定度为ΔU/UO。 实现方法： 内稳幅：利用放大器工作于非线性区来实现的方法，与晶体管的静态初始工作状态、自给偏压效应以及起振时AF的大小有关。静态时工作电流越小，起振时AF越大，自给偏压效应越灵敏，
半导体激光器的近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布；而远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。远场分布是近场分布的富氏（Fourie r）变换。半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。前者描述围绕输出光束轴线某处光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率在不同频率（或者波长）分量上的分布。两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。横向都是由双异质结构成的折射率波导结构来限制光场；而在侧向，则可由折射率导引结构或增益导引结构，大功率半导体激光器大多采用增益波导结构。因此半导体激光器的空间模式又有横模和侧模之分。如图5-1表示了这两种空间模式。 图1 半导体激光器的横模与侧模 由于有源层厚度都很小（约为0.15μm），根据平板波导原理，在横向LD都能保证单横模输出；而在侧向，由于其宽度相对较大，因而可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模（或称基模）工作，则输出为理想的TE00模，此时光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的发散角最小，亮度最高，能实现与单模光纤的高效率耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到很小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若LD工作在多侧模下，则其发光面上的光场（即近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝,而其远场分布则相当复杂。 对于发光尺寸为1×50μm 的半导体激光器，沿1μm方向称为快轴方向，沿50μm方向称为慢轴方向。在快轴方向光束横截面内光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。半导体激光器的发散角是光束的基本参数，其定义为远场平面上光强为峰值一半处的两点相对于发光点的夹角
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：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：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
半导体激光器常用参数的测定 一 实验目的：掌握半导体激光器常用的电学参数及其测试方法 一 实验基本原理 1、 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 12E E h -=ν 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小时随能级E 的增加而指数减小，即N ∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 ]/)(ex p[/1212kT E E N N --∝ 式中k 为波耳兹曼常量，T 为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV ，第一激发态能量为E2=-3.4eV ，在20℃时，kT≈0.025eV，则 0)400ex p(/12≈-∝N N 可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 2、 受激辐射和光的放大 由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L 和自旋角动量s ，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln ＝nh ，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。 量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l （角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频
半导体激光器工作原理 半导体激光器工作原理是：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：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb （锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 1.波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 2.阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。 3.工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，此
器件基础知识（振荡器） 2.8 振荡器 （1）石英晶体谐振器为晶体振荡器的核心元件，由石英片、电极、支架及其他辅助装置 组成，它是利用石英晶体的压电效应原理制成的电、机械振荡系统，由于石英晶体在物理和化学性能上都是较稳定的材料，因而其谐振频率必然稳定，晶体具有品质因数高，弹性振动损耗小的特点以及采用不同切割方式和几何形状可获得良好频率温度特性的优点，它被广泛应用于各类普通振荡器，压控振荡器，温度补偿晶体振荡器以及恒温晶体振荡器等。 （2）晶体振荡器是一种把直流电能转变成交流电能的装置，有时也称为信号发生器，它由直流电源、晶体管或电子管及振荡系统三个主要部分组成。使用了以晶体为核心的振荡电路，由于使用了具有高Q值的晶体，因此振荡器稳定性比较好，主要用于时钟信号产生电路和时钟标准。按用途和特点可分为普通晶体振荡器、电压控制晶体振荡器、温补晶体振荡器和温度控制晶体振荡器；按晶体振荡模式分，基频晶体振荡器、泛音晶体可分为振荡器；按采用分频、倍频技术可分为倍频晶体振荡器、分频晶体振荡器；如果按特定的技术要求也可以分为高稳定晶体振荡器、低噪声晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐低温晶体振荡器、 耐辐射晶体振荡器等等。 2.8.2 石英晶体谐振器结构特点
（一）振荡器的频率稳定与Q值关系 频率稳定度一般用频率的相对变化量?f/f0来表示，f0为振荡频率，?f为频率偏移。谐振回路的Q值愈高，频率稳定度愈高。但一般的LC振荡器，其Q值只可达到几百，振荡器频率稳定度大约为10-2~10-3；如果用石英晶体谐振器取代LC振荡器中的L、C元件所组成的振荡器，其Q 值低十万高达百万，晶体振荡器频率稳定度在10-4~10-11量级，因此在要求高频率稳定度的场合，都采用石英晶体振荡器。 （二）石英晶体材料的基本特性 （1）各向异性 石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是SiO2，两端呈角锥形，中间是一个六面体。从一块晶体上按一定的方位角度切下的薄片称为晶片（可以是正方形，矩形或圆形等），然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，如图1所示，一般用金属外壳密封，也有用玻璃封装的。 图1 石英晶体的一种结构 （2）压电效应 石英晶片所以能做振荡器是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变压振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的幅度是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片做固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械
振荡器是一种不需要外加输入信号就能够自激输出交变信号的电子装置，起到把直流电源能量转变为交流输出能量的作用。根据振荡器输出信号波形的不同，可以将振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器，其中非正弦振荡器一般为多谐振荡器，它产生的信号可以是方波或三角波等。按照振荡器的原理，可以将振荡器分为反馈振荡器和负阻振荡器。本章设计是一个正弦负阻型振荡器。 振荡器设计与放大器设计很类似。对于放大器设计来说，S11和S22都小于1，可以用圆图来设计M1和M2；而对于振荡器设计来说，为了产生振荡，S11 和S22均大于1。从而可以利用同样的晶体管、同样的直流偏置电路和同样的一组S参数用于振荡器设计，对于负载来说，并不知道是被接到振荡器，还是被接到放大器，如图13-1所示。 1．主要技术指标 射频/微波振荡器的主要技术指标是频率和功率。 1）工作频率振荡器的输出信号基本上是一个正弦信号。要做到振荡频率绝对准确是不可能的，频率越高，误差越大。影响频率的因素很多，如环境温度、内部噪声、元件老化、机械振动、电源纹波等。实际设计中，针对指标侧重点，应采取相应的补偿措施。调试中，也要有经验和技巧，才能达到预期的频率指标。关于频率经常会遇到下列概念。 （1）频率精度：频率精度有绝对精度（Hz）和相对精度（ppm）两种表示方式。相对精度是最大频偏和中心频率的比值。绝对精度是在给定环境条件下的最大频偏。 （2）频率温漂：随着温度的变化，物质材料的热胀冷缩引起的尺寸变化会导致振荡器的频率偏移，这种频偏是不可避免的，只能采取恰当的方法降低。常用的方法有温度补偿(数字或模拟微调)、恒温措施等，用MHz/℃或ppm/℃描述。（3）年老化率：随着时间的推移，振荡器的输出频率也会偏移，用ppm/年描述。（4）电源牵引：电源的纹波或上电瞬间会影响振荡器的频率精度，也可看做电源的频率调谐，用Hz/V表示。在振荡器内部可以通过增加稳压电路和滤波电容来改善这一指标。 （5）负载牵引：在振荡器与负载紧耦合的情况下，振荡频率会受到负载的影响。使负载与振荡器匹配，增加隔离器或隔离放大器，减小负载的牵引作用。 （6）振动牵引：振荡器内谐振腔或晶振等频率敏感元件随机械振动的形变，会影响振荡器的输出频率。振动敏感性与元件的安装和固定有关，用Hz/g表示。（7）相位噪声：相位噪声是近代振荡器和微波频率合成器的关键指标。它是输出信号时域抖动的频域等效。相位噪声、调频噪声和抖动是同一问题的不同表达
半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—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位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏
半导体激光器调研报告 班级：电科 姓名：XXX 学号：20120xxx
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 仪器简介： 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.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。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P 型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 工作原理： 根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。 一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。 半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。 半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： （1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数； （2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；
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 light amplification by stimulated emission of radiation. 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。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激 光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激 光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即 粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分
振荡电路的用途和振荡条件 不需要外加信号就能自动地把直流电能转换成具有一定振幅和一定频率的交流信号的电路就称为振荡电路或振荡器。这种现象也叫做自激振荡。或者说，能够产生交流信号 的电路就叫做振荡电路。 一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率f 0 能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压u f 和输入电压U i 要相等，这是振幅平衡条件。二是u f 和u i 必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 振荡器按振荡频率的高低可分成超低频（20 赫以下）、低频（20 赫～200 千赫）、高频（200 千赫～30 兆赫）和超高频（10 兆赫～350 兆赫）等几种。按振荡 波形可分成正弦波振荡和非正弦波振荡两类。 正弦波振荡器按照选频网络所用的元件可以分成LC 振荡器、RC 振荡器和石英晶体振荡器三种。石英晶体振荡器有很高的频率稳定度，只在要求很高的场合使用。在一般家用电器中，大量使用着各种L C 振荡器和RC 振荡器。 LC 振荡器 LC 振荡器的选频网络是LC 谐振电路。它们的振荡频率都比较高，常见电路有3 种。 （1 ）变压器反馈LC 振荡电路 图1 （a ）是变压器反馈LC 振荡电路。晶体管VT 是共发射极放大器。变压器T 的初级是起选频作用的LC 谐振电路，变压器T 的次级向放大器输入提供正反馈信号。接通电源时，LC 回路中出现微弱的瞬变电流，但是只有频率和回路谐振频率f 0 相同的电流才能在回路两端产生较高的电压，这个电压通过变压器初次级L1 、L2 的耦合又送回到晶体管V 的基极。从图1 （b ）看到，只要接法没有错误，这个反馈信号电压是和输入信号电压相位相同的，也就是说，它是正反馈。因此电路的振荡迅速加强并最后稳 定下来。
半导体激光器 1．P-I 特性及阈值电流 P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。 典型的激光器P-I曲线 由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。 ?当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。 ?随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光， 称为“超辐射”状态。
? 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光 谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。 2．激光器线宽 半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？ 线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。该参数与激光本身的波长由关系。 例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位： GHz v 5.261065.21.01064101031029 8=?=???=? 3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或 CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。
边模抑制比示意图 4.振荡腔 HR AR 谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。 光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。 5.三种类型的QCL 按振荡腔设计的差异，QCL可以分为三大类：