第四章半导体激光器及其光藉合技术

第四章半导体激光器及其光藉合技术 一 原理 如图 4 1 示 沿P N结正向施加偏置电压 从P侧注入空穴 从N侧注入电子 空穴与电子结合释放出的能量变为光子 采用双重异质 DH 构造将光子及截流子有效地封闭在活性层内 GaAs天然解理面作为谐振腔反射面 4 1半导体激光器 图4 1 二 输出光功率的特性 阈值电流Ith ThresholdCurrent 是LD的重要参数 定义 使LD产生受激辐射的需要所注入的最小电流 如图 4 2 所示 图4 2 1 当注入电流 阈值电流Ith时 不产生激光器 仅产萤光 2 当注入电流 阈值电流Ith时 形成激光 光功率随注入电流的增大而急剧上升 光的相干性大大增强 或光谱宽度大大减小 例如 LED的光谱宽度为400A 而LD的光谱宽度为20A 小20倍 3 P I曲线因激光物质 晶体 不同而不同 且与其外壳的温度有关 4 LED的寿命 半导体发光二极管 平均故障时间 MTBF 在一批器件中 每个器件的输出值减为原来的一半时所在的平均时间 或者说一个器件的输出功率达到最初的一半时 该器件失效 常数J 电流密度Ea 激活能量 典型值为0 46ev k 波尔兹曼常数T 衬底的绝对温度n 常数 对面发射LED n 2 对平面发射LED n 2 3 预计MTBF LED为100年 1000年 106 107H 5 LD 半导体激光器 的寿命 1 LD在室温下 其寿命可达100年 365 24 100 8 106小时 但其寿命与工作温度和注入电流有很大的关系 如图 4 3 为器件表面温度升高40 其寿命下降一个数量级 2 电流的瞬态冲击对LD的寿命影响极大 若幅度足够大 几个ns的瞬时光冲击就足以造成LD不可逆转的损害 图4 3 6 输出功率 1 通讯上 典型值为 P I 10 mW 之间 2 商用单模激光器 Pmax可达1W 三 输出的光束特性 一 波长 1 LD常用波长用于CD机的光源 700 850nm 0 7 0 8 用于激光测距仪光源 850nm 0 85 用于光通信的光源 850nm 1300nm 1500 单模0 85 1 3 1 5 2 几种LD波长 GaAs 同质结 峰值波长 0 9 左右 AlGaAs GaAs 双异质法 峰值波长 0 7 0 9 如在GaAs中掺磷 则波长向可见光 长波 方向移动 如在GaAs中掺铟 则波长向红外移动 当 1 1 时 玻璃纤维损耗最小 光纤通信用得较多 3 LED的中心波长 其中 hc 普朗克常数c 光速Eg 半导体材料的能隙 1 Cap 0 7 红 2 CaAlAs 0 65 0 85 红 红外 3 CaAs 0 9 近红外 4 LnCaAs 1 2 1 7 近红外 二 光束发散角 BeamDivergence 无论对LED 侧面发光 或LD 在 pn结平面方向的发散角 和平行于pn结平面方向的光束发散角 是不相同的 1 对LED 由于在pn结平面内没有波导效应 因此 对光无约束其光源基本可看成朗伯型 余弦幅射体 光源 Lambertian 如图 4 4 其发散角最大可达 120 左右 但在pn方向 由于存在波导效应 放 25 35 典型值 9 45 用于通信 图4 4 附 对LD 的解释 可有以下式中理论 I 衍射的解释 对均匀的P N结器件 可视发光面为相干光源 其幅射图样近似一个矩形狭缝的衍射图形 用衍射理论解释为 发散角即为衍射圆环的主极大 角度宽由衍射公司 令k 1 例 对 0 84 的GaAsLD 如图4 5 a 其原区为 d 2 w 500w则 49 7 与实际相符50 0 19 与实际20 相差太大 解释 在宽度w上 并非所有区域均在发光只有局部区域 即w 5 的发光区在工作 如图4 5 b 则 19 3 衍射解释对 与实际能较好的符合 但对 误差很大 图4 5 II 按光波导理论 平板介质波导 如图4 6 对 方向 图4 6 当d很小时 如d 0 1 0 2 时 可采用以下公式 即约去上式中分母第二项 4 7 对 方向例 对 0 9 d 0 1 w 2 n2 3 59 n1 3 25光波导解释的缺点 当有源区很小时 即dxw很小 能与实际情况好的吻合 III 按厄米一高斯光束理论 其中 为沿x方向聚焦参数为沿y方向聚焦参数 三 偏光特性半导体激光器在平行于P N结方向发出线偏光 例 一个光功率为3 5mw的LD所发出线偏光的光通量与正交方向的线偏光通量之比为50 1 100 1 四 光束的远场波阵面半径由公式 当w0很小时 几个 故在设计时 往往可近似的将LD作点光源看待 四 LD的特点 1 优点 体积小 发光效率高 寿命长 可直接高速调制 结构简单 价格便宜 2 缺点 1 发散角大 且 椭圆光斑 2 子午束腰和弧光束腰不重合 象散 3 单色性差 如GaAs 0 9 谱线宽最好为20A 光学系统的特点为 设置整形系统 准直系统 校正象散 一 高斯光束的近似处理 基本思想 由公式 LD的w0 x和w0y均很小一般为0 1 10 所以 1 当z很小时 如只有几个微米 几百个微米时 应按高斯光束处理 2 当z很大时 如几个mm以上 很小 可忽略 可按点光源处理 4 2LD光束准直和整形 二 光束的准直由于LD所发出的光和均很大 故使用时 需对光束进行准直 光学外型尺寸计算时 以为基准 计算 如图所示 由三角关系 图4 8 例 设 50 特点 1 大相对孔径 2 一般不考虑色差 位置色差和倍率色差 和场曲 3 重点校正球差 慧差 象散 例1 光盘光学系统中成像物镜的典型结构 如图4 9示 大数值孔径 小工作距 图4 9 由NA nSinu 及U 38 3 例2 单透镜准直系统 由最小球差所得到最优透镜开头的比较 图4 10 图4 11 三 椭圆光束的整形 整圆前必先准直 一 整形比M的定义 如图4 11 二 整形方法 1 拦光法 图4 12 在距点为L距离处设置一圆孔光栏 使其直径为缺点 光能利用率低 图4 12 2 柱面望远系统 图4 13 注意 1 扩束时 2 压缩时 特点 整形效果好 但成本较高3 单楔形棱镜整形已知 及楔形棱镜的折射率n求楔型角 及入射角i1 图4 13 如图4 14示 在直角 ABC中 在直角 ABD中 利用折射定律 sini1 nsini2 即 4 12 图4 14 1 楔型角x为 2 求入射角i1 由反射定律 3 求偏向角 由图得 例 设计光盘整形系统 0 780 n 780 1 51079半导体激光器型号 LTD24MD 发散角为 求楔型棱镜顶角 射角和出射角 1 求整形放大比M 2 求楔型角 3 入射角 4 出射角 或称偏向角 以上整形系统的缺点是入射光轴和出射光轴不平行 有一夹角 于使用不便 可采用双光楔解决此问题 图4 15 4 双楔形镜整形法 对上例所示的参数 采用双楔形镜整形 如图4 15所示 作用方法 1 先画入 出射光轴线 平行 2 画 结线 及第一整形镜 3 画 结线 及第二整形镜 使 并使出射光轴和第二整形镜出射面垂直 设两棱镜楔形角 相等 折射率相等 且入射角 且两棱镜有相同的放大整形倍率 由前例其总整形放大倍率为M 3 06 则单个整形倍率为则可计算出单个楔形镜的相关参数为 1 光束耦合包括 1 光源与波导之间的耦合 2 波导与波导之间的耦合2 光束耦合种类 直接耦合 透镜耦合 棱镜耦合 光栅耦合一 直接耦合如图 设光纤芯半径为r 入射角为 光束照射半径为R 一 当 0时 正入射 光纤波导的频率v 定义 4 3光束的耦合 其中 波数R 光束半径 NA 光纤数值孔径则和耦合相对功率p之间关系如下讨论 1 当2 4时 90 功率将耦合到光纤中去 图4 16 二 0时 出现高阶模 越大高阶模越多 常用发光二极管LED和激光二极管LD 设辐射功率的角分布 发光面上一点的角功率分布 式中 为入射角 为中心辐射功率 常数 b为常数 b愈大 分布愈尖锐 设发光面积 光纤端面面积则 耦合到光纤中的光功率为 式中 Pf为光纤接受的半球光功率 2 为积分区旋转一周 2 r As为整个发光面 fP为常数 对单根光纤fP 1 B sin 为B 在光轴方向的投影 d 在子平面内积分 光源幅射功率 对图示系统 取 半球空间积分 耦合效率 为 当使用单根光纤时 时当NA很小时 下面将运用 精确公式 和 近似公式 所