实验一半导体激光器pi特性曲线测量.pdf

实验四半导体激光器光谱测量与模式分析

一、实验目的：
1.了解半导体激光器的工作原理和相关特性；
2.掌握半导体激光器模式参数的测量方法；

二、实验原理：
半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。空间模描述围绕输出光束轴线某处的
光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示
一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。二者都可能是
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
直于异质结平面方向(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
情况。横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取
增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图1表示这两种空间模式。

图1半导体激光器横模与侧模
由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相
对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，
则为理想的TEM模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角
00
最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这
对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在
侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图2
所示。这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，
使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧
模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。

图2有多侧模的半导体激光器的近场和远场
由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应
于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。
如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束，应有如下的光强分布:
I(r)=Iexp(-2(r/w)2)（1）
max
式中，I(r)是在半径为w的高斯光束束腰内径向尺寸为r处的光强，I为束腰内的最大光
max
强。显然，当r=w时，该处的光强为I的1／e2(即光强峰值的13.5％)，如图3所示。
max
高斯光束峰值光强之半处的发散角全角(FMHW)为
θ=4λ/πw=1.27λ/w（2）

图3理想的高斯场强分布
半导体激光器的远场并非严格的高斯分布，有较大的在横向和侧向不对称的光束发散
角，由于半导体激光器有源层较薄，因而在横向有较大的发散角θ，可表示为
⊥
θ=4.05(n2-n2)d/λ/(1+4.05(n2-n2)(d/λ)2/1.2)（3）
⊥2121
式中，n和d分别为激光器有源层的折射率和厚度；n为限制层的折射率；λ为激射波长。
21
显然，当d很小时，可忽略(3)式分母中的第二项，则有
θ≈4.05(n2-n2)d/λ（4）
⊥21
由(4)式可见，θ随d的增加而增加，这可解释为随着d的减少，光场向两侧有源层扩展，
⊥
等效于加厚了有源层，而使θ减少。当有源层厚度能与波长相比拟，但仍工作在基横模时，
⊥
可以忽略(3)式分母中的1而近似为
θ≈1.2λ/d（5）
⊥
式(5)与式(2)的一致性，说明在一定的有源厚度范围内，横向光场具有较好的高斯光束特
点。在此范围内，θ随d的增加而减少，可用衍射理论解释。
⊥
在量子阱半导体激光器中，由于有高的微分增益dg／dN，允许适当放松对有源层与波
导模之间耦合的要求而允许模场的适当扩展，因而有比厚有源层半导体激光器小的θ。
⊥
可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束，但这是
要以一定的光功率损耗为代价的。如果将从半导体激光器发出的激光近似视为有高斯分布
的点光源，可以采取图4所示的准直光学系统。

图4高斯光束的准直

准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径(n2-n2)1/2，经准直出来的激
21
光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的光点，尚需对准直后的光束进行圆化
处理。用节距(pitch)为1／4的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准直，如
图5所示。

图5用自聚焦透镜准直半导体激光束

半导体激光器存在像散，像散是像差的—种。当用光学系统对半导体激光器解理面上
的近场成像时，就会发现，由于像散的存在会在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横
向都是利用有源层两边折射率差所形成的光波导效应对有源区光子进行限制的，而在侧向
有增益波导与折射率波导两种光限制类型。早期的条形激光器是增益波导型的，都有非平
面波前。对