半导体激光器的远场特性

人们通常将半导体激光器输出的光场分布分别用近场与远场特性来描述。近场分布系指光强在解理面上的分布,它往往和激光器的侧向模式联系在一起。远场特性是指距输出腔面一定距离(d>λ)的光束在空间的分布,它常与光東发散角的大小相联系。

在半导体激光器的许多应用中,总希望光束在空间分布是圆对称的,以便用普通的透镜系统聚焦成小光点,也便于与圆形截面的光纤进行高效率耦合。对用作光信息处理光源的半导体激光器,更希望它能输出发散角很小的细光束,以提高信息的存贮密度。但是由于半导体激光器有源层截面的不对称性和有源区很薄,其谐振腔厚度与辐射波长可以比拟,因此中心层截面的作用类似于一个狭缝,它使光束受到折射并发散。

输出光束发散角很大,光强分布(光斑形状)也不对称。垂直于结平面方向的发散角0很大,可达30~40°，根据外延和结构设计不同，有的能达到90°。平行于结平面的发散角日较小,一般为10°~20°。下面就此问题分别作些讨论。

垂直于结平面的发散角叫快轴。

为了降低阈值电流密度和改善模式特性,半导体激光器的有源区必须很薄，只有0.1um~0.2μm。根据狭缝衍射原理,要求解快轴,就必须计算光强随自由空间偏离光传播轴线的远场分布。

考虑如图所示的三层平板介质波导结构。

在z=0处是腔面与空气的界面,在有源层中心x=0处其折射率为nx=+d,/2x=-d 12有源层厚为d。假设波导在y方向是无穷的,为了求得

,应先求出自由空间某点0(x,*)处的电场8(*,z)。因为x=rsin0,z=rcos0(r看成是由点光源发出的球面波半径)。利用富立叶变换将8(x,z)表示为0的函数图4.2-5 激光器中辐射在狭缝上的衍射继而求出光强1(0)和0=0时的光强I0)。再定义I(0)/1(0)为1/2时所对应的角度为0。这里省去繁冗的推导,直接写出d。很小时的&(0)表达式

侧发光芯片Y方向上的发散角偏大，因为能发光的有源层太薄了，随便一发射就能分开很大的一个角度，而X方向可以通过加大Mesa的宽度开改变大小，都是几十um甚至上百微米的宽度，因此发散角很小。但是激光后续都希望能以近圆形的光斑点耦合到光纤等其他组件中，因此如何做到小的发散角是芯片的一个重点方向。

同样的外延，快轴也能到90°，角度越大越不好。

如何缩小快轴的角度，让光斑接近圆形，对大功率激光器芯片来说是个难点。