電子工業 出版社 激光振荡也可以出现在垂直于腔轴线的方向上,这时在激光器出光的端面土出现 稳定的光斑,将这种横向的光场分布称为横模。激光器的横模决定了激光光束的 空间分布,它直接影响到器件和光纤的耦合效率。 合>p
激光振荡也可以出现在垂直于腔轴线的方向上，这时在激光器出光的端面上出现 稳定的光斑，将这种横向的光场分布称为横模。激光器的横模决定了激光光束的 空间分布，它直接影响到器件和光纤的耦合效率
3.1.2LD的性质 回電子工業出版社 1.P特性 Publishing House of Electronics Inoustry 典型的半导体激光器P一特性如图3.1.5所示。当注入电流小于阈值电流h时,器件发 出微弱的自发辐射光,是非相干的荧光;当注入电流超过阈值时,器件进入受激发射状 态,发出的光是相干激光,光功率输出迅速增加,输出功率与注入电流基本保持线性关 系 阈值电流th是激光器的重要参数,该值越小、越稳定,说明激光器的设计和制造工艺 越好。短波长激光器,th一般在50mA~100mA之间;长波长激光器的[h一般在 20mA~50mA之间,目前较好的激光器阈值电流小于10mA。 激光器的P_特性对温度很敏感,图3.1.6给出了不同温度下P_特性的变化情况 由图可见,随着温度的升高,阈值电流增大,发光功率降低。阈值电流与温度的关系可 以表示为 L(t)=l exp(-) (3.1.12) 式中,T为器件的绝对温度,T0为激光器的特征温度,10为激光器的特征常数。 注入电流/mA 图31.5激光器P_|曲线 图3.1.6激光器P_|曲线随温度的变化 为解决半导体激光器温度敏感的问题,可以在驱动电路中进行温度补偿,或是采用制冷 起,八构成组件。热敏电阻用来检测器件温度,拉制冷器,实现
3.1.2 LD的性质 1. P-I特性 典型的半导体激光器P－I特性如图3.1.5所示。当注入电流小于阈值电流Ith时，器件发 出微弱的自发辐射光，是非相干的荧光；当注入电流超过阈值时，器件进入受激发射状 态，发出的光是相干激光，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关 系。 阈值电流Ith是激光器的重要参数，该值越小、越稳定，说明激光器的设计和制造工艺 越好。短波长激光器，Ith一般在50mA～100mA之间；长波长激光器的Ith一般在 20mA～50mA之间，目前较好的激光器阈值电流小于10mA。 激光器的P—I特性对温度很敏感，图3.1.6给出了不同温度下P—I特性的变化情况。 由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。阈值电流与温度的关系可 以表示为 （3.1.12） 式中，T为器件的绝对温度，T0为激光器的特征温度，I0为激光器的特征常数。 图3.1.5 激光器P—I曲线 图3.1.6 激光器P—I曲线随温度的变化 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷 器来保持器件的温度稳定．通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一 起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。 ( ) exp( ) 0 0 T T I T I th =
2.光电效率 回電子工業出版社 光电效率是表明电功率转换为光功率的比率。有以下几种表示方法 Publishing House of Electronics Inoustry (1)内量子效率 激光器的发光是靠注入有源层的电子与空穴的复合辐射发光的,但是并非所有的注入电 子与空穴都能够产生辐射复合。内量子效率代表有源层内产生光子数与注入的电子一空 穴对数之比,即 单位时间内产生的光子数 单位时间内注入的电子一空穴对数 (3.1.13) (2)外量子效率 激光器的内量子效率可以做得很高,有的甚至可以接近100%,但实际的激光器发射输 出的光子数远低于有源层中产生的光子数,这一方面是由于发光区产生的光子被其它部 分材料吸收,另一方面由于PN结的波导效应.光子能逸出界面的数目大大减少,所以 定义外量子效率即总效率为 发射的光子数 =单位时间内注入的电子一空穴对数(3.1.14) (3)外微分量子效率 外微分量子效率nD定义为P一曲线线性范围内的斜率,所以又称为斜率效率。可用下 面的关系式来进行计算: k=08065. dp (3.1.15) 式中,q、Eg分别表示电子电量和禁带宽度。A、P和的单位分别为μm、mW和mA。 ηD与激光器的结构参数、工艺水平以温度有关。实际工作中ηD使用较多,也最重要 该值约为15%~20%,对于高性能器件,则可达到30%~40%
2. 光电效率 光电效率是表明电功率转换为光功率的比率。有以下几种表示方法： （1）内量子效率 激光器的发光是靠注入有源层的电子与空穴的复合辐射发光的，但是并非所有的注入电 子与空穴都能够产生辐射复合。内量子效率代表有源层内产生光子数与注入的电子—空 穴对数之比，即 （3.1.13） （2）外量子效率 激光器的内量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100％，但实际的激光器发射输 出的光子数远低于有源层中产生的光子数，这一方面是由于发光区产生的光子被其它部 分材料吸收，另一方面由于PN结的波导效应．光子能逸出界面的数目大大减少，所以 定义外量子效率即总效率为 （3.1.14） （3）外微分量子效率 外微分量子效率ηD定义为P－I曲线线性范围内的斜率，所以又称为斜率效率。可用下 面的关系式来进行计算： （3.1.15） 式中，q、Eg分别表示电子电量和禁带宽度。λ、P和I的单位分别为μm、mW和mA。 ηD与激光器的结构参数、工艺水平以温度有关。实际工作中ηD使用较多，也最重要。 该值约为15％～20％，对于高性能器件，则可达到30％～40％。 单位时间内注入的电子 空穴对数 单位时间内产生的光子数 − I = 单位时间内注入的电子－空穴对数 发射的光子数 T = dI dP dI dP E q g D = = 0.8065
3.光谱特性 回電子工業出版社 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。图317(a)和(b)分别为多纵模、单纵模 激光器的典型光谱曲线,其中为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长,称 为峰值波长,典型值是850nm、1310nm和1550nm。△λ为LD的谱宽,其定义为 纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度,也称半高全宽光谱宽度。单纵模 激光器的谱宽度又称为线宽。多纵模激光器光谱特性包络内一般含有3~5个纵模 Δλ值约为3~5nm;较好的单纵模激光器的△λ值约为0.1nm,甚至更小。△NL是 个纵模中光谱辐射功率为其最大值一半的谱线两点间的波长间隔。对于单纵模 激光器,定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比,它是半导 体激光器频谱纯度的一种度量。 MSR=101g 3116) 姜R (a)多纵模激光器的典型光谱曲线 (b)单纵模激光器的曲型业谱 图317激光器的光谱特性
3. 光谱特性 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。图3.1.7（a）和(b)分别为多纵模、单纵模 激光器的典型光谱曲线，其中为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长，称 为峰值波长，典型值是850nm、1310nm和1550nm。Δλ为LD的谱宽，其定义为 纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度，也称半高全宽光谱宽度。单纵模 激光器的谱宽度又称为线宽。多纵模激光器光谱特性包络内一般含有3～5个纵模， Δλ值约为3～5nm；较好的单纵模激光器的Δλ值约为0.1nm，甚至更小。ΔλL是 一个纵模中光谱辐射功率为其最大值一半的谱线两点间的波长间隔。对于单纵模 激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比，它是半导 体激光器频谱纯度的一种度量。 (3.1.16) （a）多纵模激光器的典型光谱曲线 （b）单纵模激光器的典型光谱曲线 图3.1.7激光器的光谱特性 边 主 P P MSR = 10lg • 波 长 • λ 0 • 相 对 功 率 • Δ λ
回電子工掌出版社 半导体激光器的发光谱线会随着工作条件的变化而发生变化,当淫穴电流低于阈 ndustry 值电流时,激光器发出的是荧光,光谱较宽;当电流增大到阈值电流时,光谱突 然变窄,强度增强,岀现激光;当注λ电流进一步增大,主模的增益増加,而边 模的增益减小,振荡模式减少,最后会出现单纵模,如图3.1.8所示 谱线也可以用频率为单位来表示,根据频率与波长的关系,可以得到 (3.1.17) 03565茹 电流/mA 图318激光器输出谱线注入电流的变化
半导体激光器的发光谱线会随着工作条件的变化而发生变化，当注入电流低于阈 值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突 然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边 模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模，如图3.1.8所示。 谱线也可以用频率为单位来表示，根据频率与波长的关系，可以得到 （3.1.17） 图3.1.8 激光器输出谱线注入电流的变化 = 2 c f