半導體激光器的遠場特性

人們通常將半導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。

在半導體激光器的許多應用中,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)構設計不同，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)波導結(jié)構。

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。假設波導在y方向是無窮的,為了求得

,應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時所對應的角度為0。這里省去繁冗的推導,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。