半导体激光器的模式及特性

1．激光器的模式分析4.2.5半导体激光器的模式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通常用纵模表示沿谐振腔传播方向上的驻波振荡特性，横模表示谐振腔横截面上的场型分布。

半导体激光器的模式特性可分成纵模和横模纵模决定频谱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）1．激光器的模式分析4.2.5半导体激光器的模式横模分为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PN结方向光场的空间分布，主要取决于谐振腔宽度、边壁材料及其制作工艺。垂直横模表示与PN结垂直方向上电磁场的空间分布。纵模决定频谱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）1．激光器的模式分析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)纵模数随注入电流变化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。4.2.5半导体激光器的模式1)纵模数随注入电流变化2)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。4.2.5半导体激光器的模式这是因为对激光器进行脉冲调制时，注入电流不断地变化，结果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，激光器的谐振频率发生漂移，动态谱线展宽。调制速率越高，调制电流越大，谱线展宽的也越多。

3.横模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。4.2.5半导体激光器的模式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。1.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。4.2.6半导体激光器的基本特性3.激光器效率(a)功率效率激光器发射光功率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(b)内量子效率内量子效率I=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(c)外量子效率外量子效率ex=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PN结外加电压4.2.6半导体激光器的基本特性3.激光器效率4.温度特性Ith—温度为T时的阈值电流I0—一个常数T—结区的绝对温度T0—LD的特征温度，与器件的材料、结构等有关。对于GaAs/GaALAs-LDT0=100~150K；InGaAsP/InP-LDT0=40~70K4.2.6半导体激光器的基本特性回顾：横模纵模回顾：纵模特性5.光谱特性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。稳态工作时激光器光谱由几部分因素共同决定：发射波长范围取决于激光器的自发增益谱，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。4.2.6半导体激光器的基本特性(1)峰值波长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。

(2)中心波长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。4.2.6半导体激光器的基本特性5.光谱特性(4)边模抑制比（SSR）边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。该参数仅用于单模LD，如DFB－LD。4.2.6半导体激光器的基本特性5.光谱特性LED和LD的光谱特性4.2.6半导体激光器的基本特性5.光谱特性

表半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20～50-20～50-20～50-20～50工作温度/°C寿命t/h30×12030×120

20×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流Ith/mA50~10060~1201~21~3谱线宽度1.31.551.31.55工作波长LEDLD4.2.6半导体激光器的基本特性LED通常和多模光纤耦合，用于1.3μm(或0.85μm)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，而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF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。4.2.6半导体激光器的基本特性LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量长距离系统。分布反馈激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654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。

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（LD）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件。主要包括：(1)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；(2)监视光电二极管（PD）：其作用是监视LD的输出功率变化，通常用于自动功率控制。位于LD背出光面；(3)尾纤和连接器；(4)LD的驱