實驗報告-半導體激光器輸出光譜測量

1、實驗報告半導體激光器輸出光譜測量實驗時間：2017.03.04一、實驗目的1、了解半導體激光器的基本原理及基本參數(shù)；2、測量半導體激光器的輸出特性和光譜特性；3、了解外腔選模的機理，熟悉光柵外腔選模技術(shù)4、熟悉壓窄譜線寬度的方法。二、實驗原理半導體激光器激光（LASER）的全稱lightamplificationbystimulatedemissionofradiation意為通過受激發(fā)射實現(xiàn)光放大。激光器的基本組成如下圖：必要組成部分無外乎：諧振腔、增益介質(zhì)、泵浦源。在此基礎(chǔ)上，激光產(chǎn)生的條件有二：1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過外界向工作物質(zhì)輸入能量，使粒子大部分處于高能態(tài)，而非基態(tài)。2）躍遷選擇定則粒

2、子能夠從基態(tài)躍遷到高能態(tài)，需要兩個能級之間滿足躍遷選擇定則，電子相差的奇數(shù)倍角動量差。世界上第一臺激光器是I960年7月8日，美國科學家梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。1962年世界上第一臺半導體激光器發(fā)明問世。半導體激光器的基本原理半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(zhì)（既利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。沒有雜質(zhì)的純凈半導體，稱為本征半導體。如果在本征半導體中摻入雜質(zhì)原子，則在導帶之下和價帶之上形成了雜質(zhì)能級，分別稱為施主能級和受主能級。有施主能級的半導體稱為n型半導體;有受主能級的半導體

3、稱這p型半導體。在常溫下，熱能使n型半導體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導帶上，成為自由電子。而p型半導體的大部分受主原子則俘獲了價帶中的電子，在價帶中形成空穴。因此，n型半導體主要由導帶中的電子導電；p型半導體主要由價帶中的空穴導電。若在形成了p-n結(jié)的半導體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負極。正向電壓的電場與p-n結(jié)的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，源源不斷地通過p-n結(jié)向p區(qū)擴散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時存在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復合，當導帶中的電子躍遷到價帶時，多余的能量就以光

4、的形式發(fā)射出來。這就是半導體場致發(fā)光的機理。閾值電流對于半導體激光二極管來說，當正向注入電流較低時，增益avG，此時半導體激光器只能發(fā)射熒光；隨著電流的增大，注入的非平衡載流子增多，使增益接近損耗，尚未克服損耗，在腔內(nèi)無法建立起一定模式的振蕩，這種情況被稱為超輻射；當注入電流增大到某一值時，增益將克服損耗，半導體激光器能輸出激光，此時的注入電流值定義為閾值電流I,。th半導體激光器與光纖通信自1980年代起，光纖通訊系統(tǒng)對于電信工業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響，同時也在數(shù)位時代里扮演非常重要的角色。光纖通信傳輸容量大，保密性好等優(yōu)點。光纖通信現(xiàn)在已經(jīng)成為當今最主要的有線通信方式。1966年，英籍華人高錕

5、（C.K.Kao）預見利用玻璃可以制成衰減為20dB/Km的通信光導纖維（即光纖）。1970年，美國康寧（Corning）公司首先研制成衰減為20dB/Km的光纖。在數(shù)十年的發(fā)展過程中，光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了三代：工作波長為850nm多模光纖光通信系統(tǒng)（摻磷半導體激光器）；工作波長為1330nm多模光纖光通信系統(tǒng)和單模光纖光通信系統(tǒng)（摻鉺半導體激光器）；工作波長為1550nm單模光纖光通信系統(tǒng)（摻鉺光纖）。半導體激光器的優(yōu)缺點優(yōu)點：轉(zhuǎn)換效率高量子阱型的效率有2040%，P-N型也達到數(shù)2025%輻射范圍廣通過對半導體摻雜，可以獲得從280nm-1600nm之間的各種波長激光。缺點：多縱模輸出由于半

6、導體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復合輻射發(fā)生在能帶（導帶與價帶）之間，所以激光線寬較寬。GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K時為840nm；300K時為902nm。光斑不夠均勻半導體激光器的光斑取決于使用的P-N結(jié)的形狀，雖然P-N結(jié)可以利用解理面構(gòu)成相當良好的腔鏡結(jié)構(gòu)，但是外部形狀則不容易做成圓形，因而半導體激光器的光斑不圓，呈長條狀，發(fā)散，不均勻。由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達20-30；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10左右。三、實驗數(shù)據(jù)閾值電流測量（1）檢查穩(wěn)流電源的輸出與激光二極管是否連接正確和接觸良

7、好。開啟LD的穩(wěn)流電源，功率計調(diào)零。調(diào)整光路成水平平行，即半導體激光經(jīng)準直后在5cm2m的范圍內(nèi)光斑大小、形狀基本不變；使光斑中央的亮線呈水平。將激光打在功率計上，測量出閾值電流的大致位置(約為8mA),從0mA開始，每次加2mA，到達8-10mA中每次加0.5mA，加到飽和為止。(5)幾率電流值、電壓值、光功率，并求出閾值電流。IUPTightP-inputmAVmWmW01.690021.9103.8241.9907.9662.06012.3682.110.0216.888.52.130.0218.10592.140.0419.269.52.150.1620.425102.170.4621

8、.7122.221.6426.64142.272.831.78162.313.8436.96182.344.7842.12202.385.7647.6222.426.7353.24242.457.7958.8262.498.8464.74282.519.8370.28302.5610.876.8322.9511.6594.432.53.4611.78112.4532.73.6411.82119.028151050204060SO100120fP-input(mW)P-iightLinearFitofSheetlCTdighf=abKWeghi*“卯呷RwHlHlStfnslS4uaf4&Fui

9、sziTsrQ39ET4厲燉R-Squ?wVjIi%andaidErrarP4ghlJ011322sgapsD.1B36O.WMfiS-3.37709擬合直線：P=0.1886Plightinput斜率：0.1886，表明轉(zhuǎn)換效率為18.86%EqudiiorY=a+bxhVeiphtr-laV乓咖ERdujlSumtfSquarea.45714p4sn；Dn!&rAdjR-Squ3!tValueSoiKfelEn-iXPI*Inttrccl4233310WG73W那TQ.NM6112-P-lightLinearFitofSheetlCP-liaht105o5101520253035I(mA)

10、擬合直線：P=0.499571-4.28831light橫截距:4.288310.49957=8.5844表明閾值電流為8.584mA2、發(fā)射光譜的測量觀測注入電流小于閾值電流時的發(fā)射光譜。觀測閾值電流附近的發(fā)射光譜。觀測大于閾值電流時的發(fā)射光譜，并測量線寬。3、譜線寬度的壓窄及測量用光譜儀觀測光柵外腔半導體激光器的發(fā)射譜。外加光柵，仔細調(diào)節(jié)使+1級衍射反饋回到激光腔內(nèi)，用0級輸出。適當調(diào)整光柵的角度，可使光柵只有0、1兩個級次衍射。此時，電流置于閾值附近(稍低)，調(diào)節(jié)光柵的微調(diào)鈕可得到窄線寬激光輸出。得到外腔反饋的激光輸出后，用聚焦透鏡和自聚焦光纖將光輸入光譜儀觀測發(fā)射光譜。物理原因：利用激光外腔光反饋法壓窄激光線寬和選擇單縱模。該系統(tǒng)利用閃耀光柵的選頻特性壓窄激光線寬和選取單縱模，同時，改變光柵角度，還可選取不同波長，以實現(xiàn)激光輸出的波長調(diào)諧。從原理上講外腔反饋可以從兩個方面使線寬變窄：(1)加入外腔等于增大腔長。r/2(n+L)(2)引入反饋可以增加受激輻射抑制自發(fā)輻射。外反射器與半導體激光二極管的兩解理面構(gòu)成復合腔系統(tǒng)，由內(nèi)腔決定的縱模分布如下圖，由外腔決定的縱模分布如下圖。由于外腔鏡有一定的反射帶寬，使外腔反饋光波場與原激光二極管的本征波場迭加相干從而改變原本征場的