激光二极管的特性
激光二极管的特性
激光二极管的特性
1、伏安特性
半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。
2、P—I特性
激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I曲线。
注入电流小于阈值电流Ith时，激光器的输出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输出功率随注入电流的增加而缓慢增加。
注入电流大于Ith时，输出功率P随注入电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上
是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。
判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。
3、光谱特性
激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。
腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H
足够小，将只有单横模TEM00存在。
多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。
工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱
激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输
出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作
下仍为多模。
折射率导引激光器光谱随光功率的变化
发射光谱随注入电流而变化。IIt 发射激光，光谱突然变窄。因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。
IIt 激光辐射
4、温度特性
半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为：
T/T0) Ith(T)?Aexp(式中T0是衡量阈值电流Ith对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，T0值越大，表示Ith对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。A是常数。
因Ith随温度升高而增大，因此P—I特性曲线也随温度变化。随着温度升高，在注入电流不变的情况下，输出光功率会变小。这就是为什么LD工作一段时间后输出功率会下降。
阈值—温度特性与其结构有关，一般说，异质结构比同质结的温度特性好。
温度变化还将引起激光器输出光谱的改变，出现跳模（mode hop）现象。原因：温度改变，使腔的参数（折射率，
腔长）发生较大变化，引起激发模式发生变化。在模式跳跃之前，因折射率和腔长随温度升高而有少量增加，致使波长随温度升高而缓慢增大（下图a）。如要避免跳模，必须增大模式间隔（下图b）。
对于多模增益导引半导体激光器，波长随温度的变化是由于带隙随温度变化而产生的，温度变化主要影响光增益曲线而不是腔的参数，因此变化曲线是连续的(下图c)。
半导体激光器必须加制冷器，进行温度控制。
脉冲驱动激光二极管
脉冲驱动激光二极管
脉冲驱动激光二极管 by Doug Hodgson, Kent Noonan, Bill Olsen, and Thad Orosz 介绍 相对较高的峰值功率和工作效率使得脉冲激光二极管成为固态激光器泵浦和范围测定这类应用的理想选择。脉冲激光二极管工作时通常占空比相对较低，因此平均功率较低，这样就可能达到更高的峰值功率。所以产生的热量并不很高。另一方面，连续波激光二极管要承受的热量比脉冲激光器高。这是由于在连续波工作期间，器件的热电阻使得结温度显著增加。所以连续波激光二极管一般需要很好的热沉封装和/或用热电致冷。 脉冲驱动激光二极管是测试其质量和热效率的一个强大的分析工具。本文描述了通过用电流脉冲驱动激光二极管来进行测试的方法，提出了脉冲驱动激光二极管的几点困难，并给出了克服或避免的方法。文中介绍了一个简单的实验，用ILX Lightwave LDP-3811脉冲电流源来驱动一个典型的激光二极管。这里主要表现的是脉冲驱动二极管出现的问题。最后描述了LDP-3811的典型应用。 为什么要脉冲驱动一个连续波激光二极管？ 在低占空比情况下脉冲驱动连续波激光二极管的能力在二极管评测中很有用。其应用可划分为两个广泛领域。第一个是封装前通过/失败测试；第二个是器件特性评价。这两种应用都利用了脉冲方式驱动激光二极管不会产生大量热量的优点。可在热效应最小的情况下完成测试和特性评价。 封装前测试 对于这种应用，低占空比的脉冲可用于半 导体制造工艺后的晶圆或条级测试。单点 光测量或L/I曲线(光输出vs.驱动电流)能用来“预筛选”工艺处理后的晶圆。它能将有缺陷的晶圆在花费不匪的切割和 封装操作之前就清除掉，建立制造工艺的成品率数目和性能。(注意对于这些测试相对测量比绝对精度更重要。) 特性测试 脉冲测试的第二个应用领域是对封装好的器件的特性测试。很多关于激光二极管特性的工业文档既推荐连续波测试也推荐脉冲波测试。(贝尔交流研究出版的题为“光电器件可靠性保证实践”的技术咨询文档TA-TSY-000983就是这样。)通过比较脉冲和连续波工作方式，可以评测像输出功率、波长和阈值电流这样一些与温度相关的参数。图1所示的是一个典型激光二极管的L/I曲线。 这些曲线既表示了低占空比脉冲模式，又表示了连续波工作模式。连续波曲线阈值电流的增加和斜率效率的略微减少(与脉冲曲线比较)主要是由器件热电阻引起的结温度上升造成。(脉冲L/I曲线所用的脉宽一般为100至500ns，占空比小于百分之一，因此热效应不明显。) 脉冲与连续波L/I曲线的比较也可用来检图1 典型激光二极管的脉冲及连续波L/I曲线
激光二极管的特性
激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I 曲线。 注入电流小于阈值电流I th时，激光器的输 出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输 出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入 电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性
激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作
下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化发射光谱随注入电流而变化。I
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激光二极管通讯模块生产测试系统详解 概述： 随着互联网的快速普及，Giga级带宽网络通讯的广泛应用以及ATM/Sonet，通用电话制造业等相关通讯产品的不断发展, 运用WDM(Wavelength Division Multiplexed)技术的宽带大容量的接入系统正逐渐成为业界的主流发展趋势。使用这种接入系统可以在避免重复安装新的通讯线路的基础上，大大增加现有光纤通讯线路的传输带宽。 WDM技术的应用使得将不同波长的光信号通过一路光纤进行传输成为了现实。由于该系统要求体积小，功耗低，因此激光二极管(Laser Diodes)已经成为了该系统中不可或缺的核心元件。在WDM系统中，每隔一段特定的距离，光信号被掺铒光纤放大器(EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifiers)放大。某些公司，如朗讯科技已将这一技术进一步发展成为具有一个Terabit容量的Dense and Ultra-Dense WDM 系统。 本质上讲，激光二极管(LD)就是一个在有正向电流激励的条件下的半导体发光器件。其波长从最高1550nm(红外区)到最低750nm(绿光区)，输出功率通常从几个毫瓦到几瓦不等。其工作模式可以是脉冲的(pulse)也可以是持续的(continuous wave)。激光二极管对温度变化极为敏感-----几个摄氏度的温度变化可能导致其“模式跳变”(mode hopping)或者输出光波长的阶跃。 目前，在光通讯系统中大量使用的有两种激光二极管：FP(Fabry-Perot)和DFB(Distributed Feedback)。二者的区别主要表现在输出光特性的不同。FP激光器能够产生包含有若干种离散波长的光，而DFB激光器则发出具有额定波长的光。通常在DFB激光器中有一个反射分选器(reflection gratings)用来消除除了额定波长之外的其它光波。 由于WDM技术要求具有多种不同波长的光信号同时进行传输，因此在现今所有的WDM系统中均使用DFB激光器。而FP激光器则大多用于那种一个光纤通路对应一个收发器(transceiver)的系统，如Local Area Networks(LANs), Fiber To The Curb(FTTC)和Fiber To The Home(FTTH)。 图一激光二极管通讯模块加工过程示意图
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激光二极管LIV测试仪 苏美开 （济南福来斯光电技术研究室，flsoe@https://www.wendangku.net/doc/5115643894.html,） 1.概述 激光二极管LIV测试仪是测量半导体激光器（LD）主要性能参数和特性指标的仪器。通过给受试LD提供不同的工作电流，采集不同工作条件下受试LD的各种参数信号，计算得出该LD的光电转换特性、伏安特性、光谱特性、远场/近场特性(近场特性正在开发中)和热特性。打印测试报告，保存数据。主要特点是： 1.1系统按功能模快化,采用单片机控制, 性能稳定可靠，维修使用方便； 1.2 测试功率覆盖范围宽：mW~1000W以上； 1.3 测试封装类型多：TO系列、光纤输出系列、Bar系列、管芯系列以及各种组件等等； 1.4 高质量的LD驱动电源：既可连续工作，又可脉冲工作，具有LD过流保护功能，低噪声、无浪涌和过脉冲； 1.5自动化程度高：整个测试、数据采集和数据处理、显示及打印都由系统自动完成； 1.6操作简单、测量速度快。 1.7 USB/RS232接口自选 2 功能 系统主要功能包括测量LD的光电特性（LI和LI M）、伏安特性（VI）、光谱特性（SP）、远场特性（FF）和热特性（R），具体如下： 曲线，检测、推算工作电流、输出光功率、 2.1进行LIV和LI测试，绘制LIV曲线和LI M 工作电压、阈值电流、功率效率、斜率效率、微分电阻、背光电流等参数； 2.2进行光谱测试：绘制光谱曲线，推算峰值波长、光谱谱宽； 2.3进行远场测试: 绘制远场曲线，推算水平发散角、垂直发散角； 2.4进行热阻测试； 2.5测试数据能够保存、导入，可打印标准测试报告。 2.6可测量参数见表1： 表1 可测量参数 3主要技术指标 测试仪按照功率分类应包括小功率测试仪（0-100mW）；中功率测试仪（0-10W），大功率测试仪（0-100W以上）。表2给出了不同功率类型仪器的主要技术指标。
半导体激光器特性测量
半导体激光器特性测量实验 摘要：激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。 关键字：半导体激光器偏振度阈值光谱特性 一、引言 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，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。半导体激光器发射激光必须具备三个基本条件：（1）产生足够的粒子数反转分布；（2）合适的谐振腔起反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）满足阀值条件，使光子的增益≥损耗。半导体激光器工作原理是用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，在自发辐射和受激辐射的作用下，将有某一频率的光波产生（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），在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，输出激光。 二、实验仪器 半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑、光功率指示仪等。 三、实验原理 3.1半导体激光器的基本结构 半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示，p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面其镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输连成线，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光电路。
激光二极管原理及应用
激光二极管参数与原理及应用 2011-06-19 17:10:29 来源:互联网 一、激光的产生机理 在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程， 一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射； 二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射； 三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。 自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。 产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件: P1P2exp(2G - 2A) ≥1 （P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp 为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则 Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ， 上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。 二、激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。 半导体激光二极管的基本结构如图所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里—
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ，h=6.628×10?34J ·s ，leV=1.60×10?19J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段，InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th 表示。当激励电流II th 时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I 曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。 阈值电流主要与下列影响因素有关： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。 b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。 d) 温度越高，阈值电流越大。 2）外微分量子效率 ) (th d th I I e hf P P -+=ηλ c =f
激光器测试验收报告
谷老师谈话整理——激光器验收 一、仪器基本情况及关键指标 锁模紫外激光器主要技术参数：1)波长(nm)：355；2)输出模式：TEM00（高斯光）；3)工作模式：锁模，准连续激光（由于脉冲频率很高，几乎相当于连续的）；4)重复频率(MHz)：100±1；5)平均功率(mW)：150；6)功率稳定性(over 8 hours)：< ±1% rms； 7)脉宽：﹥10ps；8)预热时间(minutes)：<10；9)光斑发散角(mrad)： <2.0；10) 光斑直径(mm)：0.9 ±15%；11) 工作温度(℃)：15～ 35；12) 偏振：水平偏振。 二、验收项目 1)波长(nm):355；4)重复频率(MHz):100±1；5)平均功率(mW)： 150；6)功率稳定性(over 8 hours) :< ±1% rms；7)脉宽: ﹥10ps； 9)光斑发散角: (mrad)：<2.0；10) 光斑直径: (mm)：0.9 ±15%；11) 工作温度(℃)：15～35；12) 偏振：水平偏振。 关键验收指标：激光器的稳定性、均匀性、持续时间，涉及到的关键指标有：脉冲宽度、重复频率、平均功率（峰值功率）、光斑发散角 注：以上指标在不同温度下测试 三、验收仪器 波长计（光谱仪）、光电探测器（将光信号转换为电信号）、示波器、功率计、光束分析仪（光斑分析仪） 四、验收方法与操作流程
1）结合光电探测器+示波器：通过示波器可观看到激光的脉冲宽度、重复频率、功率峰值大小，并观察其稳定性情况，正 常情况下各项指标误差在±2%以内； 2）功率计：测试平均功率密度； 注：结合偏振片还可测试偏振方向，改变偏振片取向看功率 计中入射功率的变化。 3）波长计或光谱仪：测试波长纯度，应满足误差不超过±1%； 4）光束分析仪或光斑分析仪：测试光斑直径大小和衍射角注：当没有上述仪器时，可以简单设计以下测试方案：即，在激光光路上的不同位置记录下光斑直径的大小，测量相应位置距离，即可计算出衍射角大小 5) 功率均匀性测试方法：光束先后经过透镜、光阑，光束经过光阑调制后进入功率计，测试不同位置功率大小。 6）BBO晶体正入射的调制方法：光束经透镜聚焦后经过光阑调制进入BBO晶体，如果BBO没有垂直放置的话，经BBO反射的激光将不能反射返回进入光阑中（聚焦透镜应该选择吸收和散射较少的，一般要求石英制作透镜）。 注意：1）355nm激光不能直接打到光电探测器上，2）观察各项测试指标在其连续工作数小时后是否保持稳定，可以每隔一小时测试一次；
半导体激光器驱动电路设计(精)
第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通,
半导体激光器pi特性测试实验
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
1392nmDFB蝶形激光器(水气检测专用)
1392nmDFB蝶形激光器（水气检测专用） 1,描述 该激光器采用量子阱结构的DFB 激光器，内置半导体制冷器，先进的激光焊接工艺实现蝶形尾纤式封装，结构紧凑，体积小，半导体制冷器高精度温度控制下，激光器功率高稳定、波长高稳定的优势，使得激光器在光纤传感器领域得到广泛应用。 产品特点主要应用 采用进口气体检测专用芯片封装波长稳定 高输出功率 气密性温控封装光纤气体检测系统 气体检测用无源器件生产检测光源 极限参数 参数符号单位参数值 激光二极管正向电流If(LD)mA120 激光二极管反向电压Vr(LD)V 2 背光探测器工作电流If(PD)mA 2 背光探测器反向电压Vr(PD)V 20 致冷器工作电流ITEC A 2.4 致冷器工作电压VTEC V 2.9 工作温度Topr ℃-20～+70 储存温度Tstg ℃-40～+85 管脚焊接温度/时间Tsld ℃/s 260/10 技术参数 参数符号单位最小值典型值最大值出纤功率P0 mw 10 阈值电流Ith mA 12 18 工作电流Iop mA 80 工作电压Vop V 1.5 2 线宽Lw Mhz 2MHZ 中心波长λ c nm 1392 波长随温度变化漂移系数Δλ/T nm 0.1 波长随电流变化漂移系数Δλ/I Nm 0.01 背光监视电流Im mA 0.1 2 背光探测器暗电流Id nA 10 边模抑制比SMSR Db 35 芯片工作温度T ℃25 热敏电阻@25℃R KΩ10
备注： 气体检测中,根据HITRAN 提供的吸收谱线数据,同一种气体通常几个吸收峰,客户应先根据自己的系统需要选择最 佳中心波长位置. 封装尺寸 引脚定义
激光二极管概述
激光二极管概述 作者：阿罗整理来源：阿罗小屋发布日期：2009-11-4 激光二极管的结构 激光二极管的结构图如图(a)所示。激光二极管的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。图(b)是激光二极管的代表符号。激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了广泛的应用。 激光二极管是一种近红外光激光管，波长在780nm左右，额定功率为 3-5mW。为了能通过电路对激光二极管输出功率进行监控，在同一半导体芯片上同时还制作了一只光敏二极管。它的外形和内部结构如图1 所示。它的管脚排列有三种类型，如图2所示。 目前小功率半导体激光二极管的工作电流均在100mA以内，使用时一定要控制流过激光二极管的电流不能太大。 另外激光是一种能量集中的光源，绝对禁止人仰用眼睛直视激光二极管发出的光轴，以免激光对眼睛造成伤害。 为了便于选用激光二极管，在表1中列出了一些可供CD机、LD 机使用的激光二极管参数。 图1 激光二极管
a)外形尺寸:b)内部封装 图2 激光二极管引脚排列的三种方法 半导体激光二极管常用参数 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器 ：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但 这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光 器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围 广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、 应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光 器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料 后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电 子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完
全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变 化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力， 其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器 (DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、 寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔 结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面 发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激 光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上
激光驱动器与激光二极管接口优化调试
激光驱动器与激光二极管接口优化调试 Maxim高频/光纤通信部 一、概述: 在激光驱动器与激光二极管的接口电路设计中,即使是对电路做了仔细、周密的考虑,也很难达到最优状态,系统调试过程中仍需对各部分电路加以调整、优化,图1是采用Maxim的2.5Gbps激光驱动器MAX3869构成的激光驱动器典型连接电路。本文以该电路为例,以激光二极管的输出通过光电(O/E)转换后显示在示波器上的波形为基础,列举了一些通用接口问题和可能的解决办法。 二、优化设计 以下列举了八个常见激光管接口问题,激光管的输入是伪随机比特流(PRBS)。 A. 眼图不清晰(图2): 图2中,在显示的眼图最下面有黑色水平线。当减少偏置电流时,波形会被压缩,波形上端下移,底端固定不变。导致这一问题的原因可能是偏置电流设置得太低,数字零电平低于激光管的门限。可以提高激光管的偏置电流,直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电平已高于激光管门限),当偏置电流增加时,眼图会变得清晰可辨。 B. 欠阻尼振荡(图3): 在波形图上有较大的过冲,示波器显示的眼图最下方有黑色水平线。减小偏置电流使数字1电平下移,但过冲幅度保持不变,甚至增大。偏置电流减小时波形底端(数字0电平)保持不变。 造成这一现象的可能原因是偏置电流设得太低。数字0电平低于激光管的门限。当激光管从低于门限电平向高电平切换时需要额外的时间,从而导致了上升边沿的延迟。开关延迟使电势积累增加,一旦克服了门限就冲过数字1电平(被称作欠阻尼振荡)。可通过提高激光管的偏置电流解决,提高激光管的偏置电流直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电流已高于激光管门限)。当数字0电平高于门限值后,过冲将显著减少。 C. 过冲(图4)： 图4所示,波形的上升沿冲过了数字1电平。当偏置电流和调制电流变化时过冲的相对幅度没有变化。没有明显的振铃。可能原因有两个:(a)上升太快,(b)用于上拉的铁氧体磁珠Q 值太高。解决的方法是:(a)插入截止频率为75%数据率的低通滤波器,减慢上升和下降沿,减小过冲。(b)降低与铁氧体磁珠并联的电阻(图1中的RP)阻值,使Q值降低。(c)调整串联阻尼电阻(图1中的RD)。 D. 欠冲(图5): 当输出电路过阻尼会造成欠冲现象,示波器显示波形的上升或下降沿在单个间隔的前半部分不能到达高或低电平。这是由置于OUT+ 和OUT-间的0.5pF 电容(用来阻尼某些振铃)引起的。 解决途径有:(a)如果可能,减小OUT+和OUT-间的电容。(b) 减小OUT+的负载电容。(c)减小串联阻尼电阻(图1中的RD)的值。 E. 振铃(图6): 振铃指的是眼图的上升或下降沿相对于正确电平出现振荡、振幅逐渐衰减的现象。可能原因是: 阻抗不匹配,电路中电感过大,电路元件产生谐振。在图6显示的图像中,振铃是由拿
量子阱半导体激光器简述
上海大学2016～2017 学年秋季学期研究生课程考试 （论文） 课程名称：半导体材料(Semiconductor Materials) 课程编号：101101911 论文题目: 量子阱及量子阱半导体激光器简述 研究生姓名: 陈卓学号: 16722180 论文评语: （选题文献综述实验方案结论合理性撰写规范性不足之处） 任课教师: 张兆春评阅日期: 课程考核成绩
量子阱及量子阱半导体激光器简述 陈卓 （上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200444） 摘要: 本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。 关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化
一、引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。[4] 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 二、量子阱的结构与特性 1、态密度、量子尺寸效应与能带 量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。超晶格结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２。
激光二极管驱动基础
Application Note AN-LD13 Rev. A Laser Diode Driver Basics April, 2013 Page 1 In the most ideal form, it is a constant current source — linear, noiseless, and accurate — that delivers exactly the current to the laser diode that it needs to operate for a particular application. The user chooses whether to keep laser diode or photodiode current constant and at what level. Then the control system drives current to the laser diode safely and at the appropriate level. The block diagram in Figure 1 shows a very basic laser diode driver (or sometimes known as a laser diode power supply). Each symbol is de? ned in Table 1. Laser diode drivers vary widely in feature set and performance. This block diagram is a representative sample, meant to familiarize the users with terminology and basic elements, not an exhaustive evaluation of what is available on the market. GND Figure 1. Block Diagram, Laser Diode Driver in Dashed Box