半导体激光器主要性能参数定义

半导体激光器

1．P-I 特性及阈值电流

P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。

典型的激光器P-I曲线

由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。

•当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。

•随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光，

称为“超辐射”状态。

• 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光

谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。

2．激光器线宽

半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？

线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。该参数与激光本身的波长由关系。

例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位：

GHz v 5.261065.21.01064101031029

8=⨯=⨯⨯⨯=∆

3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或

CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。

边模抑制比示意图

4.振荡腔

HR AR

谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。

光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。

5.三种类型的QCL

按振荡腔设计的差异，QCL可以分为三大类：

图1：QC激光器的基本结构包括FP-QCL（上图）、DFB-QCL（中图）和ECqcL（下图）。增益介质显示为灰色，波长选择机制为蓝色，镀膜面为橙色，输出光束为红色。

FP-QCL：最简单的结构是F-P（法布里-珀罗）腔激光器（FP-QCL）。在F-P 结构中，切割面(天然理解面)为激光提供反馈，有时也使用介质膜以优化输出。DFB-QCL：第二种结构是在QC芯片上直接刻分布反馈光栅。这种结构（DFB-QCL）可以输出较窄的光谱，但是输出功率却比FP-QCL结构低很多。通过最大范围的温度调谐，DFB-QCL还可以提供有限的波长调谐（通过缓慢的温度调谐获得10~20cm-1的调谐范围，或者通过快速注入电流加热调谐获得2~3cm-1的范围）。

图中光栅的周期为A，称为栅距。

只有满足下式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。

EcqcL:将QC芯片和外腔结合起来，形成ECqcL。这种结构既可以提供窄光谱输出，又可以在QC芯片整个增益带宽上（数百cm-1）提供快调谐（速度超过10ms）。由于ECqcL结构使用低损耗元件，因此它可在便携式电池供电的条件下高效运作。

6.三种类型的光通信激光器

在常用的三种激光中，FP激光比DFB激光容易产生，但FP激光的光线较宽(>1nm)，波长的温度漂移也较大(0.5nm/℃)，因此不适用于高速和/或远程应用。

DFB激光的光线则相对较窄(<0.04nm)，波长对温度的漂移也较小(0.1n m/℃)，因此就比较适合高性能的通信应用。但DFB激光也有缺陷。首先，它工作在1500nm波段时很容易产生啁啾，因此通常需要外加调制器(在1300nm 波段此局限并不重要)；其次，它没有FP或VCSEL激光那样容易产生，而且所需的阈值电流也比VCSEL激光大。

VCSEL激光的优点是线宽较窄(0.35nm)且波长对温度漂移较小(0.06nm /℃)。另外，VCSEL激光的阈值电流也较小(1mA)，在相同的输出功率下，它比DFB激光和FP激光的效率更高，而且不象DFB激光那样容易产生啁啾。因而，即使速度为10Gbps的数据也可以直接采用VCSEL激光调制。最后，比起其它激光，制造和调整准直VCSEL都比较容易，这样就能够生产低成本基于V CSEL的收发器。这些特性看起来足以使VCSEL成为高性能通信应用的理想解决方案。其中850nm的VCSEL已经获得大规模的应用，但是由于长波长（1310 nm、1550nm）的VCSEL具有输出功率不足以及制造工艺复杂等缺点，一直未能获得大规模应用。