半導(dǎo)體激光器的遠場特性

人們通常將半導(dǎo)體激光器輸出的光場分布分別用近場與遠場特性來描述。近場分布系指光強在解理面上的分布,它往往和激光器的側(cè)向模式聯(lián)系在一起。遠場特性是指距輸出腔面一定距離(d>λ)的光束在空間的分布,它常與光東發(fā)散角的大小相聯(lián)系。

在半導(dǎo)體激光器的許多應(yīng)用中,總希望光束在空間分布是圓對稱的,以便用普通的透鏡系統(tǒng)聚焦成小光點,也便于與圓形截面的光纖進行高效率耦合。對用作光信息處理光源的半導(dǎo)體激光器,更希望它能輸出發(fā)散角很小的細光束,以提高信息的存貯密度。但是由于半導(dǎo)體激光器有源層截面的不對稱性和有源區(qū)很薄,其諧振腔厚度與輻射波長可以比擬,因此中心層截面的作用類似于一個狹縫,它使光束受到折射并發(fā)散。

輸出光束發(fā)散角很大,光強分布(光斑形狀)也不對稱。垂直于結(jié)平面方向的發(fā)散角0很大,可達30~40°，根據(jù)外延和結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，有的能達到90°。平行于結(jié)平面的發(fā)散角日較小,一般為10°~20°。下面就此問題分別作些討論。

垂直于結(jié)平面的發(fā)散角叫快軸。

為了降低閾值電流密度和改善模式特性,半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)必須很薄，只有0.1um~0.2μm。根據(jù)狹縫衍射原理,要求解快軸,就必須計算光強隨自由空間偏離光傳播軸線的遠場分布。

考慮如圖所示的三層平板介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

在z=0處是腔面與空氣的界面,在有源層中心x=0處其折射率為nx=+d,/2x=-d 12有源層厚為d。假設(shè)波導(dǎo)在y方向是無窮的,為了求得

,應(yīng)先求出自由空間某點0(x,*)處的電場8(*,z)。因為x=rsin0,z=rcos0(r看成是由點光源發(fā)出的球面波半徑)。利用富立葉變換將8(x,z)表示為0的函數(shù)圖4.2-5 激光器中輻射在狹縫上的衍射繼而求出光強1(0)和0=0時的光強I0)。再定義I(0)/1(0)為1/2時所對應(yīng)的角度為0。這里省去繁冗的推導(dǎo),直接寫出d。很小時的&(0)表達式

側(cè)發(fā)光芯片Y方向上的發(fā)散角偏大，因為能發(fā)光的有源層太薄了，隨便一發(fā)射就能分開很大的一個角度，而X方向可以通過加大Mesa的寬度開改變大小，都是幾十um甚至上百微米的寬度，因此發(fā)散角很小。但是激光后續(xù)都希望能以近圓形的光斑點耦合到光纖等其他組件中，因此如何做到小的發(fā)散角是芯片的一個重點方向。

同樣的外延，快軸也能到90°，角度越大越不好。

如何縮小快軸的角度，讓光斑接近圓形，對大功率激光器芯片來說是個難點。