半导体激光器的模式及特性

4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性
LED和LD的光谱特性 和 的光谱特性
λ0 1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 40 60 0 -40 -20 0 20 40 λ0 λ0 1.0
(2~5)nm
1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -60 -40
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 (4) 边模抑制比（SSR） 边模抑制比（SSR）
边模抑制比是指在发 射光谱中， 射光谱中，在规定的 输出功率和规定的调 制时最高光谱峰值强 制时最高光谱峰值强 度与次高光谱峰值强 度之比。 度之比。该参数仅用 于单模LD， 于单模 ，如DFB－LD。 － 。
4.2.5 半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析 ．
纵模决定频谱特性 纵模决定频谱特性 横模决定光场的空间特性 光场的空间特性， 横模决定光场的空间特性，即横模决定近场特性 在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） （在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 水平横模和垂直横模两种类型 水平横模反映出有源区中平行于 结方向光场的空 水平横模反映出 有源区中平行于PN结方向光场的空 有源区中平行于 间分布， 主要取决于谐振腔宽度、 间分布 ， 主要取决于谐振腔宽度 、 边壁材料及其制 作工艺。 作工艺。 垂直横模表示与PN结垂直方向上电磁场的空间分布。 垂直横模表示与 结垂直方向上电磁场的空间分布。 结垂直方向上电磁场的空间分布
o
近场 图案 远 场 光 o 斑 30
I =80mA 72 64 60
o 10 TEM00 S ~10µm W ~ 1µm
激光器的近场图案和远场光斑
0 40o 角度 垂直于结平面方向
40o
80
o
40
o
20o
0 角度
20o
40
o
平行于结平面方向
4.2.5 半导体激光器的模式
2．纵模的概念与性质 ．
4.2.5 半导体激光器的模式
1.55 1~3 30~60
阀值电流 Ith/mA 工作电流 输出功率 入纤功率
100~150 5~10 1~3 5~10 1~3 1~5 0.1~0.3 50~150 30×120 ×
100~150 1~3 0.1~0.2 30~100 30×120 ×
调制带宽 B/MHz 辐射角 寿命 t/h
500~2000 500~1000 20×50 × 20×50 ×
θ /(°)
106 ~107
-20～50 ～
105 ~106
-20～50 ～
108
-20～50 ～
107
-20～50 ～
工作温度 /°C °
4.2.6 半导体激光器的基本特性
LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 µm(或0.85 µm)波长的小容 通常和多模光纤耦合，用于 通常和多模光纤耦合 或 波长的小容 量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大， 而多 发光面积和光束辐射角较大， 量短距离系统 。 因为 发光面积和光束辐射角较大 光纤或G.651规范的多模 规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值 模SIF光纤或 光纤或 规范的多模 光纤具有较大的芯径和数值 孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。 孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。 LD通常和 通常和G.652或 G.653规范的 单模光纤耦合 ， 用于 规范的单模光纤耦合 通常和 或 规范的 单模光纤耦合， 用于1.3 µm或 或 1.55 µm大容量长距离系统。 大容量长距离系统。 大容量长距离系统 分布反馈激光器(DFB - LD)主要和 主要和G.653或G.654规范的单模光 分布反馈激光器 主要和 或 规范的单模光 纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。 纤或特殊设计的单模光纤耦合 ， 用于超大容量的新型光纤系统 。
有源区内每秒钟发射的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数 有源区内每秒钟注入的电子 空穴对数 有源区内每秒钟产生的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数 有源区内每秒钟注入的电子 空穴对数
Pex hν Pex ηex = = I e IV
PN基本特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
表半导体激光器(LD)和发光二极管 和发光二极管(LED)的一般性能 表半导体激光器 和发光二极管 的一般性能 LD 工作波长 谱线宽度 LED 1.3 50~100 1.55 60~120
λ /µµ ∆λ / nm
I/mA P/mW P/mW
1.3 1~2 20~30
回顾：横模纵模
回顾：纵模特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 光谱特性描述的是激光器的纯光学性质 纯光学性质， 光谱特性描述的是激光器的纯光学性质，即输出光功率随波长 的分布规律。 的分布规律。 稳态工作时激光器 光谱由几部分因素 共同决定： 共同决定 ： 发射波 长范围取决于激光 器的自发增益谱， 器的自发增益谱 ， 精细的谱线结构取 决于光腔中纵模分 布 ， 波长分量的强 弱则与激射时各模 式的增益条件密切 有关。 有关。
4.2.5 半导体激光器的模式
3. 横模 横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的 横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的 横向空间约束作用。 横向空间约束作用。 激光器的横模直 接影响到器件与 光纤的耦合效率 。 通常用近场图和 远场图来表示横 向光场的分布规 律。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
∆λ 1/2
GaAlAs: (30~50)nm InGaAsP: (60~120)nm
0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -0.4 -0.2 0
0.02nm
-20
0
20
0.2
0.4
波长 /nm
波长 /nm
波长 /nm
(a) LED 的 光谱特性
(b) 多模 LD 的 光谱特性
(c) 单模 LD 的 光谱特性
1)纵模数随注入电流变化 纵模数随注入电流变化
当激光器仅注入直流电流时， 当激光器仅注入直流电流时 ， 随注入电流的增加纵模数减少 。
4.2.5 半导体激光器的模式
1)纵模数随注入电流变化 纵模数随注入电流变化
随注入电流的增加激光器 发射光谱的峰值波长移向 长波长。 长波长。
4.2.5 半导体激光器的模式
2)动态谱线展宽 动态谱线展宽 对激光器进行直接强度调制会使 发射谱线增宽，振荡模数增加。 发射谱线增宽，振荡模数增加。 这是因为对激光器进行脉冲调制 注入电流不断地变化， 时，注入电流不断地变化，结果 有源区里载流子浓度随之变化， 使有源区里载流子浓度随之变化， 进而导致折射率随之变化， 进而导致折射率随之变化，激光 器的谐振频率发生漂移， 器的谐振频率发生漂移，动态谱 线展宽。 线展宽。 调制速率越高，调制电流越大， 调制速率越高，调制电流越大， 谱线展宽的也越多。 谱线展宽的也越多。
4.2.5 半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析 ．
注入电流大于阈值电流时 当注入电流大于阈值电流时，辐射光在腔内建立起来的电 磁场模式称为激光器的模式 半导体激光器的模式特 性可分成纵模和横模 性可分成纵模和横模 通常用纵模表示 通常用纵模表示 沿谐振腔传播方 向上的驻波振荡 特性， 特性，横模表示 谐振腔横截面上 的场型分布。 的场型分布。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 (1) 峰值波长 在规定输出光功率时， 在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定 义为峰值波长。 义为峰值波长。 (2)中心波长 中心波长 在光源的发射光谱中，连接 ％ 在光源的发射光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对 应的波长称为中心波长 (3)谱宽与线宽 谱宽与线宽 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽 发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 某一单独模式的宽度称为线宽。 某一单独模式的宽度称为线宽。
1.伏安特性 伏安特性
伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质 通常用 曲线表示 半导体激光器的纯电学性质， 曲线表示。 伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
2. P-I 特性
P-I 特 性 揭 示 了 LD 输 出 光 功 率 与注入电流之 间变化规律， 是 LD 最 重 要 的 特性之一。 特性之一。
4. 温度特性
I th = I 0 exp(T T0 )
Ith—温度为 时的阈值电流 温度为T时的阈值电流 温度为 I0—一个常数 一个常数 T—结区的绝对温度 结区的绝对温度 T0—LD的特征温度，与器件的材 的特征温度， 的特征温度 结构等有关。 料、结构等有关。对于 GaAs/GaALAs-LD T0=100~150K； ； InGaAsP/InP-LD T0=40~70K
4.2.6 半导体激光器的基本特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
LD 外形图
4.2.6 半导体激光器的基本特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
半导体激光器实用组件
激光器组件是指在一个紧密结构中（如管壳中），除激光二极管（ ） 激光器组件是指在一个紧密结构中（如管壳中），除激光二极管（LD） ），除激光二极管 芯片外，还配置其他元件和和实现LD工作必要的少量电路块的集成器 芯片外，还配置其他元件和和实现 工作必要的少量电路块的集成器 主要包括： 件。主要包括： 光隔离器： 输出的激光反射， (1)光隔离器：其作用是防止 输出的激光反射，实现光的单向传输。 光隔离器 其作用是防止LD输出的激光反射 实现光的单向传输。 位于LD的输出光路上 的输出光路上； 位于 的输出光路上； (2)监视光电二极管（PD）：其作用是监视 的输出功率变化，通常用 监视光电二极管（ ） 其作用是监视LD的输出功率变化 的输出功率变化， 监视光电二极管 于自动功率控制。位于LD背出光面 背出光面； 于自动功率控制。位于 背出光面； (3)尾纤和连接器； 尾纤和连接器； 尾纤和连接器 (4)LD的驱动电路（包括电源和LD芯片之间的阻抗匹配电路）； 的驱动电路（包括电源和 芯片之间的阻抗匹配电路 芯片之间的阻抗匹配电路）； 的驱动电路 (5)热敏电阻：其作用是测量组件内的温度； 热敏电阻：其作用是测量组件内的温度； 热敏电阻 (6)热电制冷器（TEC）：一种半导体热电元件，通过改变外部工作电 热电制冷器（ ） 一种半导体热电元件， 热电制冷器 流的极性达到加热和冷却目的； 流的极性达到加热和冷却目的； 其他准直激光器输出场的透镜、 (7)其他准直激光器输出场的透镜、光纤耦合器及固定光纤的支架等。 其他准直激光器输出场的透镜 光纤耦合器及固定光纤的支架等
4.2.5 半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析 ．
纵模决定频谱特性 纵模决定频谱特性 横模特性决定光场的空间特性 光场的空间特性， 横模特性决定光场的空间特性，即横模决定近场特性 在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） （在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换）
S W I =80mA 72 64 56 S ~2.5µ m W ~ 1µm TEM01 TEM02 56 80
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 3.激光器效率 (a) 功率效率
激光器发射光功率
Pex 激光器辐射的光功率 ηp = = 2 激光器消耗的电功率 V j I + I Rs
激光器结电压 注入电流 激光器串联电阻
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 3.激光器效率 (b)内量子效率 内量子效率 内量子效率η 内量子效率ηI= (c)外量子效率 外量子效率 外量子效率η 外量子效率ηex=