實(shí)驗(yàn)?zāi)康?p>  (1)通過實(shí)驗(yàn)，了解激光二極管(LD)的發(fā)光原理和相關(guān)特性；

  (2)掌握激光二極管(LD)的P—I特性與模式參數(shù)等的測(cè)量方法。

  實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

  (1)測(cè)試LD的P—I特性；

  (2)測(cè)量LD的閾值電流；

  (3)測(cè)試LD的模式參數(shù)。

  實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材

  (1)1550nm F—P半導(dǎo)體激光器光發(fā)射主機(jī)

  (2)光譜分析儀

  (3)光功率計(jì)

  (4)毫安表與萬用表

  (5)光纖連接器

  (6)1550nm F—P半導(dǎo)體激光器等元器件

  實(shí)驗(yàn)原理

  1．半導(dǎo)體激光二極管(LD)的工作原理

  LD通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。LD不僅能產(chǎn)生高功率(≥10mW)輻射，而且輸出光發(fā)散角窄，與單模光纖的耦合效率高(約30%～50%)，輻射光譜線窄(△λ=0.1～1.0nm)，適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速(＞20GHz)直接調(diào)制，非常適合于作高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的光源。

  使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生光增益是激光器穩(wěn)定工作的必要條件，對(duì)于處于泵浦條件下的原子系統(tǒng)，當(dāng)滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生占優(yōu)勢(shì)的(超過受激吸收)受激輻射。在半導(dǎo)體激光器中，這個(gè)條件是通過向P型和N型限制層重?fù)诫s，使費(fèi)米能級(jí)間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有源層載流子濃度超過一定值(稱為透明值)，就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此在有源區(qū)產(chǎn)生了光增益，在半導(dǎo)體內(nèi)傳播的輸入信號(hào)將得到放大。如果將增益介質(zhì)放入光學(xué)諧振腔中提供反饋，就可以得到穩(wěn)定的激光輸出。

  2．LD的P—I特性與閾值電流

  LD的P—I特性曲線如下圖所示。LD有一閾值電流I_th，當(dāng)I＞I_th時(shí)才發(fā)出激光。在I_th以上，光功率P隨I線性增加。

  閾值電流是評(píng)定半導(dǎo)體激光器性能的一個(gè)主要參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用兩段直線擬合法對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。如下圖所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長(zhǎng)并相交，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流即為閾值電流I_th

  3．LD的光譜特性

  激光二極管的發(fā)射光譜取決于激光器光腔的特定參數(shù)，大多數(shù)常規(guī)的增益或折射率導(dǎo)引器件具有多個(gè)峰的光譜，如下圖所示。激光二極管的波長(zhǎng)可以定義為它的光譜的統(tǒng)計(jì)加權(quán)。在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被定義為峰值波長(zhǎng)λ_P，對(duì)諸如DFB、DBR型LD來說，它的λ_P相當(dāng)明顯。一個(gè)激光二極管能夠維持的光譜線數(shù)目取決于光腔的結(jié)構(gòu)和工作電流。

  4．LD的調(diào)制特性

  在LD的調(diào)制過程中存在以下兩種物理機(jī)制影響其調(diào)制特性：

  (1)增益飽和效應(yīng)。當(dāng)注入電流增大，因而光子數(shù)P增大時(shí)，增益G出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和的物理機(jī)制源于空間燒孔、譜燒孔、載流子加熱和雙光子吸收等因素。譜燒孔也稱帶內(nèi)增益飽和。這些因素導(dǎo)致P增大時(shí)G的減小。

  (2)線性調(diào)頻效應(yīng)。當(dāng)注入電流為時(shí)變電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，載流子數(shù)、光增益和有源區(qū)折射率均隨之而變，載流子數(shù)的變化導(dǎo)致模折射率五和傳播常數(shù)的變化，因此產(chǎn)生了相位調(diào)制，它導(dǎo)致了與單縱模相關(guān)的光(頻)譜加寬，又稱線寬增強(qiáng)因子。

  5．LD的模式參數(shù)

  半導(dǎo)體激光器的模式分為空間模和縱模(軸模)。空間模描述圍繞輸出光束軸線某處的光強(qiáng)分布，或者是空間幾何位置上的光強(qiáng)(或光功率)的分布，也稱遠(yuǎn)場(chǎng)分布；縱模則表示一種頻譜，它反映所發(fā)射的光束其功率在不同頻率(或波長(zhǎng))分量上的分布。二者都可能是單模或者出現(xiàn)多個(gè)模式(多模)。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有非圓對(duì)稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且在垂直于異質(zhì)結(jié)平面方向(稱橫向)和平行于結(jié)平面方向(稱側(cè)向)有不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光場(chǎng)限制情況。橫向上都是異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的折射率波導(dǎo)，而在側(cè)向目前多是折射率波導(dǎo)，但也可采取增益波導(dǎo)，因此半導(dǎo)體激光器的空間模式又有橫模與側(cè)模之分。下圖表示這兩種空間模式。

  由于有源層厚度很薄(約為0.15μm)，都能保證在單橫模工作；而在側(cè)向，則其寬度相對(duì)較寬，因而視其寬度可能出現(xiàn)多側(cè)模。如果在這兩個(gè)方向都能以單模(或稱基模)工作，則為理想的TEM₀₀模，此時(shí)出現(xiàn)光強(qiáng)峰值在光束中心且呈“單瓣”。這種光束的光束發(fā)散角最小、亮度最高，能與光纖有效地耦合，也能通過簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到較小的斑點(diǎn)，這對(duì)激光器的應(yīng)用是非常有利的。相反，若有源區(qū)寬度較寬，則發(fā)光面上的光場(chǎng)(稱近場(chǎng))在側(cè)向表現(xiàn)出多光絲，好似一些并行的發(fā)光絲，在遠(yuǎn)場(chǎng)的側(cè)向則有對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布，如下圖所示。這種多側(cè)模的出現(xiàn)以及它的不穩(wěn)定性，易使激光器的P—I寺性曲線發(fā)生“扭折”(kink)，使P—I線性變壞，這對(duì)信號(hào)的模擬調(diào)制不利；同時(shí)多側(cè)模也影響與光纖高效率的耦合，側(cè)模的不穩(wěn)定性也影響出纖功率的穩(wěn)定性；不能將這種多側(cè)模的激光束聚焦成小的光斑。

  由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對(duì)稱，其遠(yuǎn)場(chǎng)呈橢圓狀，其長(zhǎng)、短軸分別對(duì)應(yīng)于橫向與側(cè)向。在許多應(yīng)用中需用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)這種非圓對(duì)稱的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑進(jìn)行圓化處理。

  如果半導(dǎo)體激光器發(fā)射的是理想的高斯光束，應(yīng)有如下的光強(qiáng)分布：

  I(r)=I_maxexp[-2(r/ω)²]  (13-1)

  式中，I(r)是在半徑為叫的高斯光束束腰內(nèi)徑向尺寸為r處的光強(qiáng)，I_max為束腰內(nèi)的最大光強(qiáng)。顯然，當(dāng)r=ω時(shí)，該處的光強(qiáng)為I_max的1/e²(即光強(qiáng)峰值的13.5%)，如下圖所示。高斯光束峰值光強(qiáng)之半處的發(fā)散角全角(FM-HW)為

  θ=4λ/πω=1.27λ/ω (13-2)

  半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)并非嚴(yán)格的高斯分布，有較大的在橫向和側(cè)向不對(duì)稱的光束發(fā)散角，由于半導(dǎo)體激光器有源層較薄，因而在橫向有較大的發(fā)散角θ_⊥，可表示為

  θ_⊥=4.05()d/λ/[1+4.05()(d/λ)²/1.2]  (13-3)

  式中，n₂和d分別為激光器有源層的折射率和厚度；n₁為限制層的折射率；λ為激射波長(zhǎng)。顯然，當(dāng)d很小時(shí)，可忽略式(13-3)分母中的第二項(xiàng)，則有

  θ_⊥≈4.05()d/λ  (13-4)

  由式(13-4)可見，θ_⊥隨d的增加而增加，這可解釋為隨著d的減少，光場(chǎng)向兩側(cè)有源層擴(kuò)展，等效于加厚了有源層，而使θ_⊥減少。當(dāng)有源層厚度能與波長(zhǎng)相比擬，但仍工作在基橫模時(shí)，可以忽略式(13-3)分母中的1而近似為

  θ_⊥≈1.2λ/d  (13-5)

  式(13-5)與式(13-2)的一致性，說明在一定的有源厚度范圍內(nèi)，橫向光場(chǎng)具有較好的高斯光束特點(diǎn)。在此范圍內(nèi)，θ_⊥隨d的增加而減少，可用衍射理論解釋。

  在量子阱半導(dǎo)體激光器中，由于有高的微分增益d_g/dN，允許適當(dāng)放松對(duì)有源層與波導(dǎo)模之間耦合的要求而允許模場(chǎng)的適當(dāng)擴(kuò)展，因而有比厚有源層半導(dǎo)體激光器小的θ_⊥。

  可以通過外部光學(xué)系統(tǒng)來壓縮半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角以實(shí)現(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)直的光束，但這是要以一定的光功率損耗為代價(jià)的。如果將從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光近似視為有高斯分布的點(diǎn)光源，可以采取下圖所示的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。

  6．LD光斑的圓化處理

  準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑應(yīng)大于半導(dǎo)體激光器的有效數(shù)值孔徑，經(jīng)準(zhǔn)直出來的激光束乃至聚焦后的焦斑仍是橢圓。如需得到小而圓的光點(diǎn)，尚需對(duì)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行圓化處理。用節(jié)距(pitch)為1/4的自聚焦透鏡可方便地對(duì)半導(dǎo)體激光器出射光進(jìn)行準(zhǔn)直，如下圖所示。

  半導(dǎo)體激光器存在像散，像散是像差的一種。當(dāng)用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器解理面上的近場(chǎng)成像時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于像散的存在會(huì)在焦線上出現(xiàn)兩個(gè)像點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器在橫向都是利用有源層兩邊折射率差所形成的光波導(dǎo)效應(yīng)對(duì)有源區(qū)光子進(jìn)行限制的，而在側(cè)向有增益波導(dǎo)與折射率波導(dǎo)兩種光限制類型。早期的條形激光器是增益波導(dǎo)型的，都有非平面波前。對(duì)目前大量采用的側(cè)向折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在垂直于結(jié)平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰處為平面波前，如下圖(a)所示。而當(dāng)側(cè)向的波導(dǎo)機(jī)構(gòu)是由復(fù)折射率的虛數(shù)部分起主要作用時(shí)(即增益波導(dǎo))，則在該方向的光場(chǎng)分布如圖(b)所示，在腔內(nèi)距腔面為D(稱像散量)的地方出現(xiàn)虛腰，這也是外部觀察者所能看到的最小近場(chǎng)寬度，真正的束腰在腔中心。因此，從傳播方向看去，兩個(gè)方向的合成波前呈圓柱面，如圖(c)所示。這種輸出光是像散的。其影響是用球透鏡對(duì)解理腔面成像時(shí)，虛腰的像面與腔面的像面(即橫向光場(chǎng)束腰的像面)不對(duì)應(yīng)同一處。其后果是遠(yuǎn)場(chǎng)分布出現(xiàn)“兔耳”狀，在早期的氧化條形激光器中出現(xiàn)這種遠(yuǎn)場(chǎng)情況。同時(shí)，像差的存在使側(cè)向模式增多，光譜線寬加寬。這給應(yīng)用帶來很大困難，除非采取消像差的措施，否則很難用一般的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到很小的光斑，焦斑上光場(chǎng)分布不均勻，也很難使激光器與單模光纖高效率地耦合。即使是側(cè)向有折射率波導(dǎo)限制的情況，由于載流子側(cè)向分布的影響，也很難使上述表征像散大小的D值為零，一般在2μm以上。

  半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)是由禁帶寬度E_g決定的，然而這一波長(zhǎng)也必須滿足諧振腔內(nèi)的駐波條件，諧振條件決定著激光激射波長(zhǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)或縱模模譜。因?yàn)椴煌袷幉ㄩL(zhǎng)間不存在損耗的差別，而它們的增益差又小，故除了由禁帶寬度E_g所決定的波長(zhǎng)能在腔內(nèi)振蕩外，在它周圍還有一些滿足諧振腔駐波條件的波長(zhǎng)也可能在有源介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)獲得足夠的增益而起振。因而有可能存在一系列振蕩波長(zhǎng)，每一波長(zhǎng)構(gòu)成一個(gè)振蕩模式，稱之為腔模或縱模，并由它構(gòu)成一個(gè)縱模譜，如下圖所示。這些縱模之間的間隔△λ和△為：

  △λ=λ²/2n_gL  (13-6)

  △=c/2n_gL (13-7)

  式中，λ為激射波長(zhǎng)；c為光速；n_g為有源材料的群折射率。

  一般的半導(dǎo)體激光器其縱模間隔為0.5～1nm，而激光介質(zhì)的增益譜寬為數(shù)十納米，因而有可能出現(xiàn)多縱模振蕩。然而傳輸速率高(如大于622Mb/s)的光纖通信系統(tǒng)，要求半導(dǎo)體激光器是單縱模的。這一方面是為了避免由于光功率在各個(gè)縱模之間隨機(jī)分配所產(chǎn)生的所謂模分配噪聲；另一方面縱模的減少也是得到很窄的光譜線寬所必須的，而窄的線寬有利于減少在高數(shù)據(jù)傳輸速率光纖通信系統(tǒng)中光纖色散的影響。即使有些激光器連續(xù)工作時(shí)是單縱模的，但在高速調(diào)制下由于載流子的瞬態(tài)效應(yīng)，而使主模兩旁的邊模達(dá)到閾值增益而出現(xiàn)多縱模振蕩，因此必須考慮縱模的控制。為了得到單縱模，應(yīng)弄清縱模的模譜，影響單縱模存在的因素，才能設(shè)法得到所要求的單縱模激光器。

  7．影響LD縱模譜的因素

  半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)材料特性和器件結(jié)構(gòu)都對(duì)縱模譜產(chǎn)生影響，以下就一些主要影響因素進(jìn)行分析。

  (1)自發(fā)發(fā)射因子的影響

  自發(fā)發(fā)射對(duì)半導(dǎo)體激光器的主要影響是：

  ①使P—I特性曲線“變軟”；

  ②在穩(wěn)態(tài)條件下振蕩模的噪聲譜和光譜加寬；

  ③閾值以上的邊模抑制比下降；

  ④在直接調(diào)制下張弛振蕩頻率降低。

  一般來說，半導(dǎo)體激光器有比氣體和固體激光器高約5個(gè)數(shù)量級(jí)的自發(fā)發(fā)射因子(10^-4)。由下圖看出，縱模譜隨γ變化很大。當(dāng)γ=10^-5時(shí)，幾乎所有的激光功率集中在一個(gè)縱模內(nèi)，即單縱模工作；當(dāng)γ=10^-4時(shí)，只有約80%的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；當(dāng)γ=10^-3時(shí)，則有更多的縱模參與功率分配。另一方面，若自發(fā)發(fā)射因子γ→1(如在微腔情況)，則出現(xiàn)量變到質(zhì)變的情況，此時(shí)每一個(gè)自發(fā)發(fā)射光子引發(fā)出一個(gè)受激發(fā)射光子，卻能得到很好的單縱模。

  (2)模譜與電流密度的關(guān)系

  若激光器具有標(biāo)準(zhǔn)腔長(zhǎng)(250μm)和典型的γ=10^-4，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在小于閾值的低注入電流時(shí)，模譜的包絡(luò)宛如自發(fā)發(fā)射譜；當(dāng)電流增加到閾值以上，模譜包絡(luò)變窄，各縱模開始競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)應(yīng)于增益譜中心的主模(q=0)的增長(zhǎng)速率比鄰近縱模快。隨電流增加，激光能量向主模轉(zhuǎn)移，而且峰值波長(zhǎng)發(fā)生紅移現(xiàn)象。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，這種紅移量約為0.1nm/mA左右。

  (3)器件結(jié)構(gòu)對(duì)模譜的影響

  側(cè)向有折射率波導(dǎo)的激光器比增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器表現(xiàn)出更好的縱模特性。下圖表示的是波長(zhǎng)為780nm的兩種側(cè)向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縱模譜。這說明對(duì)有源區(qū)內(nèi)載流子限制能力越強(qiáng)，腔內(nèi)的微分增益越高，不但橫模(包括側(cè)模)特性得到改善，縱模特性同樣向單縱模方向轉(zhuǎn)化。

  在一般的法布里一珀羅(FP)諧振腔中，各個(gè)縱模分量在腔內(nèi)得到反饋的量是相同的。在分布反饋(DFB)、分布布拉格反射(DBR)和有外部光柵諧振腔的結(jié)構(gòu)中，諧振腔具有對(duì)某一波長(zhǎng)選擇反饋的作用，因而有好的縱模特性。下圖比較的是在1300nm波長(zhǎng)、側(cè)向折射率波導(dǎo)的FP腔和DFB腔的縱模特性。若諧振腔長(zhǎng)很短，則縱模間隔很大。其3dB增益帶寬內(nèi)允許振蕩的縱模數(shù)減少。當(dāng)主模兩邊的次模隨著腔長(zhǎng)的縮短而移出3dB增益帶寬之外，則可出現(xiàn)單縱模振蕩。

  (4)溫度對(duì)縱模譜的影響

  由于有源層材料的禁帶寬度E_g隨溫度增加而變窄，使激射波長(zhǎng)發(fā)生紅移，其紅移量約為0.2～0.3nm/℃，與器件的結(jié)構(gòu)和有源區(qū)材料有關(guān)。借此特性，可以用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂苼砦⒄{(diào)激光的峰值激射波長(zhǎng)，以滿足對(duì)波長(zhǎng)要求嚴(yán)格的一些應(yīng)用。和穩(wěn)定輸出功率一樣，如需要有穩(wěn)定的工作波長(zhǎng)，對(duì)半導(dǎo)體激光器需進(jìn)行恒溫控制。下圖表示溫度對(duì)峰值波長(zhǎng)的影響。

此題為判斷題(對(duì)，錯(cuò))。

A. 光檢測(cè)器、光放大器、激光器;

B. 半導(dǎo)體激光器 LD、半導(dǎo)體發(fā)光二極管 LED、半導(dǎo)體分布反饋激光器 DFB;

C. PIN 光電二極管、激光、熒光;

D. 半導(dǎo)體激光器、光檢測(cè)器、發(fā)光二極管。

A.半導(dǎo)體發(fā)光二極管

B.光電二極管

C.雪崩光電二極管

D.半導(dǎo)體激光器

A.半導(dǎo)體激光器

B.發(fā)光二極管

C.光電二極管

D.雪崩二極管

A.導(dǎo)體激光器

B.發(fā)光二極管

C.半導(dǎo)體激光器

D.發(fā)光三極管

A.導(dǎo)體激光器

B.半導(dǎo)體激光器

C.發(fā)光二極管

D.發(fā)光三極管