3讲座之二--LD参数.ppt

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1、2019/6/1,1,第一部分 半导体激光器简介 第二部分 半导体激光器基本工艺 第三部分 半导体激光器光电参数 第四部分 半导体激光器可靠性,半导体激光二极管,2019/6/1,2,3、激光器参数种类 3.1 电学参数 阈值电流-Ith 正向电流-IF 正向电压VF 反向电压VBR,半导体激光二极管,2019/6/1,3,微分串联电阻Rs 监视电流Im MPD暗电流-ID,半导体激光二极管,2019/6/1,4,3.2 光学参数 输出功率-Po 峰值波长-p 光谱半宽 边模抑制比SMSR(仅对DFB LD) 光束半角 消光比EXT,半导体激光二极管,2019/6/1,5,3.3 热学参数 L

2、D热阻： RT LD 特征温度：T0 发射波长与温度的关系参数： (nm/),半导体激光二极管,2019/6/1,6,3.3 其它参数 跟踪误差-TE 相对强度噪声-RIN 上升/下降时间tr/tf 载止频率-fc,半导体激光二极管,2019/6/1,7,4. 参数说明 4.1 Ith阈值电流 定义：在正向电流注入下，LD开始振荡(开始发 出激光)时所需要的电流 测量Ith的方法有三： 双斜率法两条直线延长线交点所对应电流轴的电流 远埸法用变象管荧屏观察 光谱法从发射的光谱图上确定Ith,半导体激光二极管,2019/6/1,8,典型P-I/V-I/I-Im曲线 达到阈值时的必要条件 式中： i

3、 腔体内部损耗系数 L： LD腔长 R1R2： LD端面反射系数,半导体激光二极管,2019/6/1,9,4.2 IF-工作电流 定义：在规定激光器的输出功率下所对应电 流轴的电流值(IF=Ith+I),半导体激光二极管,2019/6/1,10,4.3 VF/Vop-正向导通电压/正向工作电压 定义： 在正向驱动电流IF=1mA时所对应X轴交点处的值即 为VF 在正向驱动电流IF=Ith+20mA时所对应X轴交点处的 值即为Vop,半导体激光二极管,2019/6/1,11,VF/VOP:正向导通电压/正向工作电压,半导体激光二极管,2019/6/1,12,4.4 VBR/IR-反向击穿电压/反

4、向电流 定义： 在规定的反向电流下所对应于U轴(x轴)的反 向电压值就是VBR 在规定的反向电压下所对应于I轴(y轴)的电 流就是反向电流IR(A),半导体激光二极管,2019/6/1,13,VBR:反向击穿电压,半导体激光二极管,VBR,2019/6/1,14,4.6 RS微分串联电阻(单位：),半导体激光二极管,V,I,I-V,P-I,I-Im,2019/6/1,15,公式表达式为： 从式中可以看出：要想降低Rs，就必须减小V 要想减小V，就必须提高表面浓 度和增加表面接触面积以及提高 表面附着力,半导体激光二极管,2019/6/1,16,4.7 Im:监视电流(单位：A) 通过MPD检测

5、到的LD在规定(Ith+20mA)的光输出功率下，在给定的MPD反向电压(Vb=5V)时所检测到的LD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（APC） 取值：m=300800A,半导体激光二极管,2019/6/1,17,4.8 Id:MPD暗电流(单位为nA) 它是指MPD无光照时，在规定的反向电压(Vb=5V)下所产生的热电流为暗电流。 暗电流与温度呈线性增加，与足够大的反向偏压无关(即： Vb VBR情况)。,半导体激光二极管,2019/6/1,18,4.9 Po：光输出功率(单位：mW) 定义：当LD正向偏置时，在规定的工作电流（Ith+20mA）下所探测到的输出光

6、功率值,半导体激光二极管,P-I,Ith=6.9mA Po=5.6mW,2019/6/1,19,4.10 Pth：阈值光输出功率(单位mW) 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,半导体激光二极管,2019/6/1,20,4.11 d：外微分量子效率(单位：mW/mA) 定义：阈值以上P-I曲线线性段dI/dP之比，它是衡量器件把注入的电子-空穴对转换成向外发射光子(输出功率)的效率。 用公式可表示为： 式中：受激受激发射的内量子效率 i腔体内部损耗 L 器件腔长 R器件端面反射,半导体激光二极管,2019/6/1,21,4.11 d：外微分量子效率(单位：mW/mA) i

7、为内微分量子效率; i 为腔体损耗; L为激光器腔长; R为腔体端面反射率; 为光限制因子; A、B为增益系数; d为有源层厚度。 从式(3)可以看出, 要降低Jth 就要减小d和增大, 以及增大L。但是, 我们从图5中可以看出, 要想增大则需要增大d。因而, 要同时减小和增大是不可能的。同样, 增加L可以降低Jth , 但是从式(4)可知, 增加L不会使D 降低, 因此对结构参数的选择就需要兼顾Jth 和d, 我们取d=1.01.5, L=400500m。,半导体激光二极管,2019/6/1,22,d：外微分量子效率,半导体激光二极管,2019/6/1,23,4.12 p / c/ mean

8、/ ：峰值波长/中心波长/平 均波长/光谱半宽 定义： 在LD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 长被定义为峰值发射波长 在发射光谱中，连接-3dB最大幅度值线段的中心点所对应的波长定义为 中心波长 在发射光谱中，将幅度大于峰值2%的所有光谱模式的加权平均值定义为 平均波长 在LD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时的 最大全宽定义为光谱半宽。,半导体激光二极管,2019/6/1,24,注： 对于F-P LD，ITUT957建议的最大均方根（RMS）定义为光谱宽度 对于DFB LD，ITUT957建议的最大-20dB 宽度为光谱宽度 但是，通常我们

9、是3dB时候来确定光谱宽度 注：ITU-T-国际电信联合会,半导体激光二极管,2019/6/1,25,F-P腔光谱曲线图,半导体激光二极管,2019/6/1,26,DFB光谱曲线图,半导体激光二极管,2019/6/1,27,:LD波长,半导体激光二极管,式中：h普朗克常数： 6.626x10-34 e 电子电荷：1.6x10-19 c 光速：3105 Km/s Eg半导体材料带隙能量(该参数与掺杂有关，如1310nm LD ，In=0.26mg) p=850nm情况， Eg=1.46eV p=1310nm情况，Eg=0.95eV p=1550nm情况，Eg=0.8eV,2019/6/1,28,

10、c:中心波长 1：为第一个峰值波长 Ei：为第i个峰值的能量,半导体激光二极管,2019/6/1,29,:平均波长 定义：是指所有光谱模式的加权平均值，把幅射度 大于峰值2%的模式均计入 n： 为第n个波长 Pn： 为第n个波长的功率,半导体激光二极管,2019/6/1,30,：光谱半宽(Full Width at Half Maximum-FWHM ) n: 材料介质折射率 从式中可以看出与LD腔长有关,半导体激光二极管,2019/6/1,31,Sigma ：光谱半宽(单位：nm) 对于FP LD类产品来说，ITU-T-957建议用最大均方根(RMS)宽度定义为光谱宽度。 i为第i个峰值的波

11、长 Pi为第i个峰值的功率 Po为所有峰值的功率,半导体激光二极管,2019/6/1,32,:光束半宽 :空间光束平行于LD PN结结平面方向最大强度下降3dB时所对 应的全宽度定义为平行发散角 ：空间光束垂直于LD P-N结结平面方向最大强度下降3dB时所对 应的全宽度定义为垂直发散角 用公式表示为： 从式中可知：空间光束半宽度与有源层d和有源层宽W有关，d与W赿大， 和就赿小,半导体激光二极管,2019/6/1,33,:光束空间远埸结构示意图,半导体激光二极管,2019/6/1,34,4.15 SMSR：边模抑制比(单位：dB) (仅对于DFB LD而言) 定义：是指在发射光谱中，在规定的

12、输出光功 率和规定的调制(或CW)时最高光谱强度 与次高光谱强度之比 根据ITU-T-G957要求 SMSR30dB,半导体激光二极管,2019/6/1,35,SMSR 曲线说明,半导体激光二极管,2019/6/1,36,4.13 热学参数 4.13.1 LD热阻：RT(单位： / W) RT 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,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。,2019/6/1,37,从上式可知, 只要测量出结温升Tj 和正向注入电流IF 以及正向结压降VF 值, 就可计算出RT值 对结温升Tj

13、的测量, 一般有两种方法: 1) 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,测量出结电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。 2) 光谱漂移法 光谱漂移法, 是根据已知的萤光峰值波长随结温变化的关系, 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, 但好处在于重复好, 数据可靠。 这种测量方法, 是在大电流下进行的, 可以忽略在小电流下的泄漏电流所引起的误差。,半导体激光二极管,2019/6/1,38,4.13.3 波长与温度的关系：/T(单位：nm/) 峰值波长随温度的改变p / T： 对F-P-LD，当激光器的温度升高时，有源

14、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0.40.5nm/ 。 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p / T小于0.1nm / 。,半导体激光二极管,2019/6/1,39,4.14 其它参数 4.14.1 Er：跟踪误差(单位：dB) 定义：是指在两种不同环境温度下LD的光输出功率的比值，它 是衡量器件(组件)的工作稳定性的重要参数之一。 要求Er1.5dB Tc LD管壳温度 Po LD输出功率 Im MPD监视电流,半导体激光二极管,2019/6/1,40,4.14.2 LD啁啾(对于CATV系

15、统用DFB-LD而言) 解释：当调制速率高达数Gbit/s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 下降沿时向长波方向漂移，这种现象就称为“啁啾” 效应。 通常情况用二阶失真-CSO表示 CSO60dBc 缺点：恶化光纤通信系统的传输质量 限制通信的中继距离 引起线宽展宽,半导体激光二极管,2019/6/1,41,4.16 EXT：消光比 定义：规定光输出功率Po与阈值电流Ith处的辐射光 功率Pth之比 要求EXT9dB,半导体激光二极管,2019/6/1,42,4.17 tr/tf：上升/下降时间 定义： 激光器在调制状态时相对脉冲波形幅度从10% 上升到90%时所

16、需的的工作时间为上升时间tr 从90%下降到10%时所需的时间为下降时间tf,半导体激光二极管,2019/6/1,43,tr/tf：上升/下降时间,半导体激光二极管,2019/6/1,44,4.18 RIN:相对强度噪声(仅对CATV用LD而言) 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 (对于CATV传输而言，要求RIN-150dB/Hz) 式中：P光强度波动功率 P平均光强度功率,半导体激光二极管,2019/6/1,45,4.19 fc: 载止频率 定义：截止频率就是调制包络线下降3dB所对应的点的频率。,半导体激光二极管,2019/6/1,46,5 LD的调制方式 调制信号 信号强弱,半导体激光二极管,2019/6/1,47,强度调制(或调制深度) LD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。 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。 偏置电流是在Ith之上。 驱动电流置于能产生50%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,半导体激光二极管,2019/6/1,48,LD的调制特性,半导体激光二极管,