半导体激光器光谱测量与模式分析 [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。 [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。 、电流 徽光求 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TE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” (kik),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
半导体激光器光谱测量与模式分析 [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。 [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TEM00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 1
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。 近场光功率分布 运场光功率分有 从多个独立的发光点细发出的图形 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)=Imwxexp(-2(r/w)) (1) 式中，I)是在半径为v的高斯光束束腰内径向尺寸为r处的光强，【x为束腰内的 最大光强。显然，当=w时，该处的光强为1m的1/c2(即光强峰值的13.5%) 如图3所示。高斯光束峰值光强之半处的发散角全角(FMW)为 0-4/w=1.27/w (2) 半径 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0 ,可表示为 01=4.05(m2-n2d/0/1+4.05n2-n2d)21.2) (3) 式中，n2和d分别为激光器有源层的折射率和厚度：n1为限制层的折射率：为激 射波长。显然，当很小时，可忽略(3)式分母中的第二项，则有 2
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)=Imaxexp(-2(r/w)2 ) （1） 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，Imax为束腰内的 最大光强。显然，当r=w时，该处的光强为Imax的 1／e 2 (即光强峰值的 13.5％)， 如图 3 所示。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 2 - n1 2 )d/λ/(1+4.05(n2 2 - n1 2 )( d/λ) 2/1.2) （3） 式中，n2和d分别为激光器有源层的折射率和厚度；n1为限制层的折射率；λ为激 射波长。显然，当d很小时，可忽略(3)式分母中的第二项，则有 2
04.05n2-n3d/n. (4) 由(4)式可见，0：随的增加而增加，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0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 01≈1.2/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，日：随的增加而减少，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g/、,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01。 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。 作直透镜 半导体藏光 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(2-)，经准 直出来的激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。 半导体激光器个 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，像散是像差的一种。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。对目前大量采用的侧向 折射率波导结构，在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束
θ⊥≈4.05(n2 2 - n1 2 )d/λ （4） 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 2 - n1 2 ) 1/2，经准 直出来的激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。对目前大量采用的侧向 折射率波导结构，在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束 3
腰处为平面波前，如图6()所示。而当侧向的波导机构是由复折射率的虚数部 分起主要作用时（即增益波导），则在该方向的光场分布如图6(6)所示，在腔内 距腔面为D(称像散量)的地方出现虚腰，这也是外部观察者所能看到的最小近场 宽度，真正的束腰在腔中心。因此，从传播方向看去.两个方向的合成波前呈 圆柱面，如图6(c)所示。这种输出光是像散的。其影响是用球透镜对解理腔面 成像时，虚腰的像面与腔面的像面（即横向光场束腰的像面）不对应同一处。其 后果是远场分布出现“兔耳”状，在早期的氧化条形激光器中出现这种远场情 况。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽。这给应用带来很大困 难，除非采取消像差的措施，否则很难用一般的光学系统聚焦到很小的光斑， 焦斑上光场分布不均匀，也很难使激光器与单模光纤高效率地耦合。即使是侧 向有折射率波导限制的情况，由于载流子侧向分布的影响，也很难使上述表征 像散大小的D值为零，一般在2μm以上。 前 来服废束腰 (e) 图6增益波导激光器波前 (a)垂直于结平面方向：(b)平行于结平面方向：(c)合成波前 半导体激光器的激射波长是由禁带宽度Eg决定的，然而这一波长也必须满 足谐振腔内的驻波条件，谐振条件决定着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。 因为不同振荡波长间不存在损耗的差别，而它们的增益差又小，故除了由禁带 宽度g所决定的波长能在腔内振荡外，在它周围还有一些满足谐振腔驻波条件 的波长也可能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而起振。因而有可能存 在一系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称之为腔模或纵模，并由它 构成一个纵模谱，如图7所示。这些纵模之间的间隔△.和△v为： △=122neL (6) △v-c/2nL (7) 式中，入为激射波长：c为光速：n为有源材料的群折射率。 一般的半导体激光器其纵模间隔为0.5~lm,而激光介质的增益谱宽为数 4
腰处为平面波前，如图 6(a)所示。而当侧向的波导机构是由复折射率的虚数部 分起主要作用时(即增益波导)，则在该方向的光场分布如图 6(b)所示，在腔内 距腔面为 D(称像散量)的地方出现虚腰，这也是外部观察者所能看到的最小近场 宽度，真正的束腰在腔中心。因此，从传播方向看去．两个方向的合成波前呈 圆柱面，如图 6(c)所示。这种输出光是像散的。其影响是用球透镜对解理腔面 成像时，虚腰的像面与腔面的像面(即横向光场束腰的像面)不对应同一处。其 后果是远场分布出现“兔耳”状，在早期的氧化条形激光器中出现这种远场情 况。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽。这给应用带来很大困 难，除非采取消像差的措施，否则很难用一般的光学系统聚焦到很小的光斑， 焦斑上光场分布不均匀，也很难使激光器与单模光纤高效率地耦合。即使是侧 向有折射率波导限制的情况，由于载流子侧向分布的影响，也很难使上述表征 像散大小的 D 值为零，一般在 2μm 以上。 图 6 增益波导激光器波前 (a)垂直于结平面方向；(b)平行于结平面方向；(c)合成波前 半导体激光器的激射波长是由禁带宽度 Eg 决定的，然而这一波长也必须满 足谐振腔内的驻波条件，谐振条件决定着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。 因为不同振荡波长间不存在损耗的差别，而它们的增益差又小，故除了由禁带 宽度 Eg 所决定的波长能在腔内振荡外，在它周围还有一些满足谐振腔驻波条件 的波长也可能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而起振。因而有可能存 在一系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称之为腔模或纵模，并由它 构成一个纵模谱，如图 7 所示。这些纵模之间的间隔 Δλ 和 Δν 为： Δλ=λ2 /2ngL (6) Δν=c/2ngL (7) 式中，λ为激射波长；c为光速；ng为有源材料的群折射率。 一般的半导体激光器其纵模间隔为 0.5～1nm，而激光介质的增益谱宽为数 4
十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高（如大于622Mb/s)的光 纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率 在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声：另一方面纵模的减少也是 得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤 通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高 速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阅值增益而出现多 纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱， 影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。 波长 (a) 滚长 图7激光器的纵模谱 (a)只有少数纵模：(b)高速调制下的附加纵模。 半导体激光器的有源区材料特性和器件结构都对纵模谱产生影响，以下就 一些主要影响因素进行分析。 1.自发发射因子的影响 自发发射对半导体激光器的主要影响是 (1)使P-I特性曲线“变软”： (②)在稳态条件下振荡模的噪声谱和光谱加宽： (③)阕值以上的边模抑制比下降： (4)在直接调制下张弛振荡频率降低。 一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约5个数量级的自发发 射因子(10)。由图8看出，纵模谱随y变化很大。当y=10时，几乎所有的激 光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作：当Y=10时，只有约80%的光功率 集中在主模上，而其余的由旁模所分配：当Y=103时，则有更多的纵模参与功 率分配。另一方面，若自发发射因子→1（如在微腔情况），则出现量变到质变的
十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高(如大于 622Mb／s)的光 纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率 在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声；另一方面纵模的减少也是 得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤 通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高 速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益而出现多 纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱， 影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。 图 7 激光器的纵模谱 (a)只有少数纵模；(b)高速调制下的附加纵模。 半导体激光器的有源区材料特性和器件结构都对纵模谱产生影响，以下就 一些主要影响因素进行分析。 1. 自发发射因子的影响 自发发射对半导体激光器的主要影响是： (1)使 P-I 特性曲线“变软”； (2)在稳态条件下振荡模的噪声谱和光谱加宽； (3)阈值以上的边模抑制比下降； (4)在直接调制下张弛振荡频率降低。 一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约 5 个数量级的自发发 射因子(10-4)。由图 8 看出，纵模谱随γ变化很大。当γ＝10-5时，几乎所有的激 光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当γ＝10-4时，只有约 80％的光功率 集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当γ＝10-3时，则有更多的纵模参与功 率分配。另一方面，若自发发射因子γ→1(如在微腔情况)，则出现量变到质变的 5