半导体激光器光学特性测试

由于半导体激光器波长范围宽、响应快、效率高、超小型且成本低，除了应用于光纤通信系统以外，其应用范围覆盖了整个光电子学领域，形成了广阔的市场并极大地推动了信息光电子技术的发展。本实验介绍了半导体激光器的基本原理及几个主要光学参数的测量方法。通过实际动手测量，学生将对常见的异质结半导体激光器的主要光学性能如阈值电流、量子效率、发散角、偏振度的量值形成具体和深刻的印象。

一、实验目的

(1) 学习半导体激光器的工作原理。

(2) 通过实验了解半导体激光器的光学特性，包括阈值电流、量子效率、发散角及偏振度。

(3) 熟悉光学多通道分析仪的使用方法，观察半导体激光器的光谱。

二、主要实验仪器

半导体激光器及可调电源，WGD-6光学多通道分析仪，可旋转偏振片，旋转台，多功能光学升降台，光功率指示仪等。

三、实验原理

1． 半导体激光器(LD) 基本原理

对于直接带隙半导体，在热平衡状态下，电子基本上处于价带中，如图18-1所示，半导体介质对光辐射只有吸收而没有放大作用，但当电流注入结区时，热平衡状态被破坏，如图18-2所示，电子处于导带中能量为E2的状态的几率fc(E) 为:

电子处于价带中能量为E1的状态的几率fν(E) 为:

EFC和EFV是导带和价带的准费米能级，为了在结区中心有源区内得到受激辐射，要求导带中的电子数大于价带中的电子数，即fc＞fν，有:

EFC－EFV≥E2－E1=hν　(18-3)

该式表明，集居数反转的条件是非平衡电子和空穴的准费米能级之差应大于受激辐射的光子能量(伯纳德-杜拉福格条件)。也就是说，注入电流必须使导带和价带的准费米能级之差大于带隙Eg，在这个条件下半导体中可形成产生受激辐射放大。

式(18-3) 只是提出了产生激光的必要条件，要实际获得相干受激辐射，必须将增益介质置于光学谐振腔内，实现光的反馈。常见的LD是利用半导体材料的两个解理面构成部分反射的F－P腔，理论上沿z方向形成纵模分布。而DFB－LD(分布反馈半导体激光器) 和DBR－LD(分布布拉格反射半导体激光器) 则是由内含布拉格光栅的半导体来实现选择性反馈。

图18-1 热平衡状态

图18-2 集居数反转状态

2． 半导体激光器光学特性

1) 半导体激光器的阈值条件

光波模的起振条件为该模式的光波在半导体激光器内沿轴向往返一周获得的增益大于或等于该模式经受的损耗。临界起振对应的泵浦电流即为阈值电流。

可以观察到当半导体激光器加正向偏置电压并导通时，器件不会立即出现激光振荡。注入电流较小时发射光大多为自发辐射(荧光)，光谱线宽在数十纳米数量级。随着注入电流的增加，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。当电流超过阈值时，光波的单程增益大于单程损耗，受激辐射光占绝对优势。通过观察光功率对激励电流曲线上(P-I曲线) 斜率的急速突变可以判断激光的产生，P-I曲线抬头点对应的电流就是半导体激光器的阈值电流。影响阈值电流的几个主要因素为:①半导体的掺杂浓度越大，阈值电流越小;②谐振腔的损耗越小，掺杂电流越小(如增加腔的反射率);③与半导体材料结型有关，双异质结的LD掺杂电流最小，异质结的次之，同质结最大;④温度越高，阈值越高，100K以上，阈值电流随温度的三次方增加，所以，LD最好在低温和常温下工作。

阈值电流(Ith) 的测量方法是通过测量功率－电流曲线(P-I曲线) 找阈值点对应的电流。图18-3为某半导体激光器的P-I特性示意图，实线为P-I曲线，点划线是对P-I关系一次求导的结果，短划线是对P-I关系二次求导的结果。对于阈值点的判断方法有4种。

(1) 在P-I曲线的快速上升段上取线性部分的延长线与横坐标相交，交点为阈值点(A点)。

(2) 把荧光段和激光段分别近似看作两条直线，两条直线的交点为阈值点(B点)。

(3) 在d P/d I曲线上取上升沿的中点(10% ～90%的中点) 为阈值点(C点)。

(4) d2P/d I2曲线的顶点为阈值点(D点)。

2) 电光转换效率

电光转换效率的定义通常有下面两种。

(1) 外微分量子效率。

式中，Pth为阈值振荡时对应的输出功率，d P/d I为线性段斜率。外微分量子效率指的是半导体激光器起振后，每增加一个注入电子所激发出的光子数。由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温下ηd可达10%。

图18-3 半导体激光器P-I特性示意图

(2) 功率效率。

LD起振后，在P-I曲线的线性段任意取两点，有:

由于Pth≪P1、P2，近似有:

而注入电流不可能特别大(太大会将半导体激光器烧坏)，即注入电流与Ith可比拟。对同一个半导体激光器，不满足P2/I2=P1/I1。即取不同的测试点，计算出的功率效率差异较大。所以，用外微分量子效率来表示LD的电光转换效率更直接。半导体激光器的电光转换效率高于气体和固体激光器。

3) 发散角和偏振度

半导体激光器的谐振腔具有介质波导的结构，所以，在谐振腔中光波以模的形式存在，某个横模对应于一定的横向电场分布。横模经端面出射后形成辐射场。辐射场沿平行于结平面方向和垂直于结平面方向分为侧横场和正横场。

辐射场的发射角和谐振腔的几何尺寸密切相关，谐振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于谐振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。所以侧横场发散角小于正横场发散角。正横场发散角可近似表示为:θ≈λ/d，d为共振腔厚度。谐振腔厚度通常只有1μm左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为30°～40°。LD的远场发散角两个方向上均远远大于气体激光器和固体激光器的远场发射角。

半导体激光器谐振腔端面一般是晶体的解理面，对常用的Ga As异质结激光器，Ga As晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率。因而谐振腔对TE模的损耗小于对TM模的损耗。TE模的阈值增益低，TE模首先产生受激辐射，反过来又抑制了TM模;另一方面构成半导体激光器谐振腔的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直于波导层的TM模吸收越大。这就使得TE模更容易产生受激发射。因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。

偏振度计算公式:

4) 纵模特性与光谱

激光二极管端面的光反馈导致腔内建立单个或多个纵模。它类似于法布里－珀罗干涉仪的平行镜面。当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。即:

式中，L为两端面之间的距离，n为激光器材料的折射率，λ0为真空中的波长，q为纵模序数。则有:

纵模的间隔为:

半导体激光器通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。

四、实验内容

1． 半导体激光器的P-I特性及阈值电流、外微分量子效率的测定

调节半导体激光器的准直透镜把光耦合进光功率指示仪的接受器，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率。将半导体激光器注入电流从零逐渐增加，先肉眼观察半导体激光器输出功率的变化，估计阈值电流的大概范围。再一次将半导体激光器注入电流从零逐渐增加到40m A，在增加过程中取20个测量点，在预估的阈值点附近密集取点10个左右。重复3次，将测量数据填入表18-1中，求3次测量平均功率，并做出P-I曲线。用前面介绍的4种方法中的2种确定阈值点，方法(1) 、(2) 中选一种，方法(3) 、(4) 中选一种。阈值点对应的电流即阈值电流。根据做出的P-I曲线求线性段的斜率，根据式(18-4) 计算外微分量子效率。

2． 半导体激光器的发散角测定

逐渐提高注入电流使半导体激光器输出激光。将半导体激光器置于旋转台中心，去掉准直透镜，使半导体激光器的光发散，用白屏接收光斑进行观察。转动激光器使椭圆形光斑的长轴平行于旋转台面。光功率指示仪探头安装在旋转台的支架座上，支架座连同探头可绕台面旋转。当探头处于不同角度时，记下光功率指示仪所测到的输出值。取10个测量点，将结果填入表18-2中。做出输出功率随角度变化的曲线，根据曲线得到正横场发散角。将半导体激光器旋转90°，用同样的方法测量侧横场发散角。

3． 半导体激光器的偏振度测量

将半导体激光器(连同准直透镜) 置于旋转台上，光功率探头安装在旋转台的支架座上，调整探头高度和方位使光功率计读数最大。此时，拧紧旋转台下方螺丝固定住探头支架座使之不可旋转。将偏振片安装在能绕光轴旋转的支架上，然后安装在旋转台的支架座上。逐渐提高注入电流使半导体激光器输出激光。调节偏振片高度，使光束完全通过。调节偏振片的角度，观察半导体激光器的输出光功率，读出最大值和最小值，分别对应于I//和I⊥，根据式(18-8) 计算偏振度。

4． 半导体激光器的光谱特性测试

没有定标前，光学多通道分析仪工作界面上显示的横坐标是扫描点数，而非波长值。用标准光谱对光学多通道分析仪进行定标后，横坐标为波长值。将氢灯(或其他光源) 发出的光耦合进光学多通道分析仪的狭缝。测出氢灯的谱线(在可见光波段，光学多通道分析仪可以分辨其中4条)。利用其中至少2根(如:658nm的谱线和487．5nm的谱线) 来进行定标。

将半导体激光器(连同准直透镜)、衰减滤光片和聚光透镜分别固定在调节支架上(半导体激光器要求角度可调，聚光透镜要求角度和横向方位均可调节)，然后将支架安装在滑动光具座上，使激光器发出的光束经衰减滤光片和聚光透镜耦合进光学多通道分析器的输入狭缝。

半导体激光器注入电流从零逐渐增加到40m A，观察显示器上测得的光谱曲线，读出光谱曲线陡然出现峰值时对应的注入电流，即为阈值电流，与利用P-I曲线测得的阈值电流进行比较。将电流调到阈值电流以上，观察显示器上测得的光谱曲线，读出主峰中心波长。将主峰局部扩展，观察到若干小峰，对应于不同的纵模。测出纵模的波长间隔。

五、数据处理

1． 半导体激光器P-I特性的实验数据

2． 半导体激光器P-I特性的实验数据

表18-2 发散角测量表格

六、注意事项

(1) 半导体激光器不能承受电流或电压的突变，使用不当容易损坏。当电路接通时，半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升，不要超过40m A，以防半导体激光器损坏。使用完毕，必须将半导体激光器的注入电流降回零。外围的大型设备的启动和关闭极易损坏半导体激光器，遇到这种情况时，应先将半导体激光器的注入电流降低到零，然后再开关电器。

(2) 静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时，手必须事先触摸一下金属。

(3) 在测量半导体激光器的发散角和偏振度时，应将注入电流调至阈值电流(估计值)以上。

(4) 为延长CCD使用寿命，调节光学多通道分析仪的狭缝时注意最大不超过2mm，做完实验后，狭缝最好关闭。