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半导体激光器稳态特性

半导体激光器
发射波长
       构成半导体激光器的材料决定了激光器的发射波长。一般釆用GaAs/GaAlAs材料构成850nm波段的短波长半导体激光器,它是以GaAs作为有源区;采用InGaAsP/InP材料构成长波长(1100〜1700nm)半导体激光器,它是以InGaAsP作为有源区。
PI特性
       半导体激光器的P1特性是指它的输出功率P随注入电流I的变化关系。图9.16为一半导体激光器的典型PI特性曲线。随着激光器注入电流的增加,其输出光功率增加,但不是呈线性关系。当注入电流低于阈值时,输出功率很小;当注入电流大于阈值电流后,输出光功率随注入电流的增加而急剧增加。
半导体激光器的典型P-I特性曲线
图16    半导体激光器的典型P-1特性曲线
温度特性
        半导体激光器是对温度敏感的器件,它的输出光功率随温度而变化。图17为一激光器的PT特性随温度变化的情况。随着温度的升高,器件的阈值电流增大,输出光功率降低,而且输出光的峰值波长会向长波长方向漂移。因此实用化的半导体激光器必须对温度加以控制。
激光器的P-I特性随温度变化的情况
图17       激光器的P-I特性随温度变化的情况
模式特性
       半导体激光器中所允许的光场模式分为TE和TM两组,每一组模式对应着电(或磁)场在垂直于PN结平面方向(横向)、平行于PN结平面方向(侧向)和传输方向(纵向)的稳定驻波形式,这三个方向上的驻波分别称为横模、侧模和纵模。激光器的横模和侧模决定了输出光束的空间分布;纵模则表示了激光器在谐振腔方向上光波的振荡特性,即激光器发射的光谱的性质。在光纤通信系统中要求半导体激光器工作于基横模和单侧模,以提高与光纤的耦合效率。为减小光纤带来的色散.要求激光器单纵模工作,特别是在高速调制下的单纵模运转。
光谱特性
       半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定。
       激光器的光谱会随着注入电流而发生变化。当注入电流低于阈值电流时,半导体激光器发出的是荧光,光谱很宽,如图18(a)所示。当电流增大到阈值电流时,光谱突然变窄,光谱中心强度急剧增加,出现了激光,如图18(b)所示。对于单纵模半导体激光器,由于只有一个纵模,其谱线更窄,如图18(c)所示。
激光器的效率
       半导体激光器把激励的电功率转换成光功率发射出去,常用功率效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。最常用的是外微分量子效率,其定义为激光器达到阈值后.输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,表达式为
半导体激光器稳态特性(图3)
半导体激光器的输出光谱
图18    半导体激光器的输出光谱
式(9-21)中,九为激光器的阈值;Rh为在阈值时激光器的输出功率;P为注入电流I大于阈值时激光器的输出功率;hf为光子能量;%为电子电荷。外微分量子效率对应PI曲线阈值以上线性部分的斜率,它不随注入电流变化。