§5.4 半导体激光器的模式特性

二.影响纵模模谱的因素
1. 自发发射因子对模谱的影响 γ ↓ S q 单模性好↑ ↓
r = 10
−3 −4
mw
q=0 q=±1
1
10
−1
γ
10 −4 10 10
−7 −9
r = 10
LD Solid Laser Gas Laser
q=±2
r = 10 −5
10 −2
q=±3
10 −3
10 20 30
+ ( )( s )( )2 S0 n γN G0
定义q阶模的 饱和光子密度
c τ qδλ 2 S q − sat = lim S q = ( )( s )( ) n γN G0 S 0 →∞ Sq 有 S0 = 1 1 + S 0 S q − sat
由
1− R Pq − sat = AE ⋅ S q − sat 2 P R ng L K 1− R N hc G02 )( )( 2 2 )( )( )( 2 ) =( P 4π n ∆λ τ s λ q R
10 −2
R=0.5 R=0.9
四.“空间烧孔”效应对单模功率的限 制
空间烧孔：在驻波的峰值处，注入载流子的 消耗比周围区域来得快，使该处的增益下降， 在空间上出现烧孔。
①腔长L↓，单模工作范围↑ 随功率上升和电子空穴扩散率D，增益减 1 2 2 少∆g R PA0 g γ λ p P
∆g = 16π 2 n 2 (1 − R) wdED
增益
g q＝g p − [(λ p − λq ) G0 ]2
g q 为峰值增益
G0 抛物线拟合因子
在稳态下：dSq
dt
=0
γN τ s Sq = (c n )[α c P − g q ]
从一个解理面出射功率
1− R c Pq = wd ( ) E S q P n 2 R
腔内功率 腔的影响
w:条宽
E:用J表示光子能量
1
P 1 P0
10 −1
10 −2
10 −3
0.01
P0 (mw)
10
( P P0 ) ≤ 0.05 为LD单模工作条件 1
由
P0
率下线 → 12.8dB → 边模抑止比（SMRຫໍສະໝຸດ Baidu≤12.8dB P0 DBF SMR≤30dB SMR = 10 log
Pq − sat
P 1
10 −1
R=0.3
P0 = 10 log[ − 1] ≈ 12.8dB 单模LD输出功 P 1 P 1
Λ
② R1 ≠ R2 ≠ 0 DBF单纵模输出 输出端AR 非输出端HR 1％ 90％
③引入一个无光栅的区域靠近某一腔面
④光栅中引入啁啾变化
cos(ωt + φ0 )
相位啁啾
cos[ωt + φ ( x)]
频率啁啾
2. 短腔激光器 3. 增强侧向光波导，降低自发发射因子
注入电 子浓度 自发发射 复合寿命
dN J N c = − − ( )∑ g q S q dt ed τ s n q
注入
dS q dt
q阶模光 子密度
=
PγN
自发发射
受激发射
τs
自发发射
c + ( ) IPg q − α c JS q n
受激增益 损耗
自发发射因子
注入每个腔模自发发射速率 γ= 总的自发发射速率
§5.4 半导体激光器的模式特性
目的：在大容量、单模光纤通信系统中，要 求LD单纵模工作，存储、耦合中LD单 纵模工作 TE LD中光场 TM 纵模
横模 TEmng
TE00 g
TE01g
TE11g
一.纵横模谱
电流注入 载流子浓度N
非辐射复合泄漏
受激发射
自发发射
光子密度S
内腔损耗
输出损耗
λ 纵模频率： q = 2πL q 纵模功率：速率方程
讨论：λ↓、γ↑，腔长↓，R↑，侧向折射 率波导结构（k=1） → 次模 Pq − sat↓ → 单纵模工作
10 −1
Pq− sat (mw)
R=0.3 R=0.5 R=0.9
由 Pq
P0
=
1 1 + P0 Pq − sat
10
10 −2
10 2
L(mw)
10
3
10 −3
要想单模输出 Pq → P0 应可能小
D2
D1
D1 > D2
五.温度对模谱的影响
温度偏离最佳值 → 主模与次模∆g↓ → 为达到单模工作 P0↑ → LD结晶↑ → 双模振荡（见图）
L=250 m
L=50 m
-6
-4
-2
0
2
4
6
T( )
六.获得单纵模LD的方法
1. 主模采用选择反馈，提高边模抑止比 DBF,DBR-LD
a. R1 = R2 = 0 b. 光栅周期对称分布 ①在周期光栅中引入 λ 4的相移
I(mA)
2. 注入电流的影响 I↑ 模式竞争效应↑ 次模饱和↑ 单模性↑ 因LD为均匀加宽 由模式竞争 单模
3. 腔长的影响 腔长↓ 纵模数↓ (DFB,DBR-LD等除外)
三.激光器的单纵模工作条件
主模的饱和功率足够高，次模的饱和功率足 够低 → 单纵模工作 1 S q、g q 表达式 S q = 由 1 c τ qδλ
当主模与最临近纵模之间增益差＝∆g时 → 开始空间烧洞
∆g = g 0 − g1 = P(
δλ
G0
)
2
可求出烧洞所限最大单模功率 Pmax
Pmax 4π 2 n 2 P hcλ 1− R D = ( ) ( )A 2 ng A0G0 R [α i L + ln(1 R)] L
②电子空穴扩散率D↑工作范围↑