上海大学2013～2014学年冬季学期本科生
课程自学报告
课程名称： 《光电信息技术》 课程编号：
题目: 半导体激光器相对光频偏的干涉测量方法研究
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半导体激光器相对光频偏的干涉测量方法研究
摘要：半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。本次通过检测LD输出激光在干涉场中干涉条纹位移的变化，得到LD在一定时间内相对自身输出光频偏情况。 关键词：LD、干涉法、频偏
一、 研究背景
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种, 目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓(GaAs) 、砷化铟(InAs) 、锑化铟(InSb) 、硫化镉(CdS) 、碲化镉( CdTe) 、硒化铅(PbSe) 、碲化铅(PbTe) 、铝镓砷(AlxGa1- xAs)等。半导体激光器的激励方式主要有三种, 即电注入式、光泵式和高能电子束激励式，绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入, 即给Pn结加正向电压, 以使在结平面区域产生受激发射, 也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管，对半导体来说, 由于电子是在各能带之间进行跃迁, 而不是在分立的能级之间跃迁, 所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上，它们所发出的波长在0. 3 ~ 34Lm之间，其波长范围决定于所用材料的能带间隙, 最常见的是AlGaAs双异质结激光器, 其输出波长为750~890nm。 世界上第一只半导体激光器是1962年问世的,经过几十年来的研究,半导体激光器得到了惊人的发展,它的波长从红外、红光到蓝绿光,覆盖范围逐渐扩大,各项性能参数也有了很大的提高,其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE) ,气相外延法( VPE) ,分子束外延法( MBE) , MOCVD方法( 金属有机化合物汽相淀积) ,化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺，其激射阈值电流由几百mA降到几十mA,直到亚mA,其寿命由几百到几万小时,乃至百万小时从最初的低温( 77K) 下运转发展到室温下连续工作, 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级。它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高( 已达10%以上, 最大可达50% )便于直接调制、省电等优点, 因此应用领域日益扩大。目前, 固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首,某些重要的应用领域过去常用的其他激光器, 已逐渐为半导体激光器所取代。
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半导体激光器最大的缺点是: 激光性能受温度影响大, 光束的发散角较大( 一般在几度到20度之间) , 所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展,半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平,而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、 研究现状
从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。进入80年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱（QW）和应变量子阱（SL-QW）等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。
20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器，在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。为了满足21世纪信息传输宽带化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID，短波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面。
三、关键问题及解决方案 3.1 关键问题阐述
引起LD频率变化的因素主要有两个，即温度和驱动电流。温度变化对LD, 输出特性的影响是比较大的。一般单纵模LD, 发射光频率随温度的漂移为20—30 GHz/℃。当LD的注入电流发生变化时，输出光频特性也将随之变化，变化范围约为5 GHz/mA。半导体激光器（LD）已广泛应用于测量系统，然而LD的频漂已严重制约了测量系统精度的提高，尤其在特定计量、光通信、光频标等应用中，对激
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光器输出频率稳定的要求非常高。故对LD输出光频进行测量和控制具有十分重要的意义和实用价值。
本研究通过检测LD, 输出激光在干涉场中干涉条纹位移的变化而精确测得光频偏值，从而为LD的自动稳频奠定了基础。
将一单色光分为两束，让它们经过不同的光程，光程差为ΔL，则相位差为ΔΨ为：????vL，其中c为真空光速，v为光频率。对于两束相光束，决定c明暗条纹的干涉条件为：
??2k?，k=0,1,2,3……（加强/减弱），干涉
??(2k?1)?v条纹可以用条纹的干涉级k来表征，由上式可得：k?L，如果L保持不变，
c由上式可得，此时干涉级数k 只和光频v有关。如果v有变化，则k也作相应变化。
?则k=160513.6436。若c有变化，设?v，使v=10-7v=4.815409309?107，则有 v1?v?v?4.81540930?1014v2?v?v?4.81540930?1014v?举例说明：波长623nm的红光来说，
c=4.815409309?1014 Hz，若L=0.1m，
，则k1=160513.6652，k2=160513.6286。可见对于
如此的光波，当频率有v=10-7v的变化时，确定点所对应的干涉级数k也有变化，变化范围k=0.03。也就说若能检测到同级干涉条纹3%的位移，就可检测到 10-7v的光频变化。 3.2 实验方案及相关结果