【光电集成】边发射半导体激光的光束特性

今日光电 2023-07-23 18:00

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边发射半导体激光的光束特性由半导体激光器的结构决定。

图1：边发射半导体激光器的结构图

图1为一个典型的边发射半导体激光器芯片结构，它的尺寸为：厚度120μm，宽度500μm。光反馈结构是由芯片两端的解理面构成的F-B谐振腔，长度为1000～2000μm，外延层的厚度大约为5μm，是5层结构，包括n型掺杂覆层、n型掺杂光波导层、有源区、p型掺杂光波导层和p型掺杂覆层。

半导体激光器谐振腔的典型结构如图2所示，该谐振腔置于由两端解理面构成的反射镜之间，这两个解理面需要镀膜以得到高出光功率。半导体激光器的近场分布及模式由外延层的材料和厚度决定。

图2：边发射半导体激光器谐振器的结构图

由于半导体激光器的特殊结构，它的出射光束存在像散。当用光学系统对半导体激光器解理面上的近场成像时，由于存在像散在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横向都是利用有源层两边折射率差形成的光波导效应对有源区光子进行限制，而在侧向存在增益波导与折射率波导两种光限制类型。

图3：快慢轴像散

如图3(a)所示，在垂直于结平面（快轴）方向，高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰处为平面波前。

如图3(b)所示，在平行于结平面（慢轴）方向，在腔内距腔面为D（称为像散量）的地方出现虚腰，这是外部观察者能看到的最小近场宽度。

因此，从传播方向看去，两个方向的合成波前呈圆柱面，这种输出光存在像散。其影响是，用球透镜对解理腔面成像时，虚腰的像面与腔面的像面(横向光场束腰的像面)不对应同一处，其后果是使远场分布出现“兔耳”状。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱宽度加宽。

这给应用带来很大困难，除非采取消像差的措施，否则难以用一般的光学系统聚焦得到很小的光斑，焦斑的光场分布不均匀，也很难实现激光器与单模光纤高效率的耦合。

边发射半导体激光器的远场并非严格的高斯分布，在横向和侧向有较大的不对称的发散角。

由于边发射半导体激光器的有源层很薄，因而在横向的发散角θ_⊥较大，可表示为

上式中，

d为有源层的厚度，λ为激光波长。

当d很小时，则简化为

当有源层厚度与波长可比拟时，且激光仍工作在基模，可近似得到

由此可以看出，随着d的增加，θ_⊥会减小。

由于边发射半导体激光器在侧向有较大的有源宽度W，其发散角θ_∥较小，可表示为

来源：阿光聊光

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