光电子技术及应用实验指导书

1、光电子技术及应用实验指导书实验一半导体激光器模式分析一、实验目的：1. 了解半导体激光器的工作原理和相关特性；2. 掌握半导体激光器模式参数的测量方法；二、实验原理：半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结构成的折射率波

2、导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图1表示这两种空间模式。图1 半导体激光器横模与侧模由于有源层厚度很薄(约为0.15m)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的

3、侧向则有对应的光强分布，如图2所示。这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。图2 有多侧模的半导体激光器的近场和远场由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束，应有如下的光强分布:I(r)=Imaxexp(-2(r/w)2) （1）式中，I(r)是在半

4、径为w的高斯光束束腰内径向尺寸为r处的光强，Imax为束腰内的最大光强。显然，当r=w时，该处的光强为Imax的1e2 (即光强峰值的13.5)，如图3所示。高斯光束峰值光强之半处的发散角全角(FMHW)为=4/w=1.27/w （2）图3 理想的高斯场强分布半导体激光器的远场并非严格的高斯分布，有较大的在横向和侧向不对称的光束发散角，由于半导体激光器有源层较薄，因而在横向有较大的发散角，可表示为=4.05(n22- n12)d/(1+4.05(n22- n12)( d/) 2/1.2) （3）式中，n2和d分别为激光器有源层的折射率和厚度；n1为限制层的折射率；为激射波长。 显然，当d很小时

5、，可忽略(3)式分母中的第二项，则有4.05(n22- n12)d/ （4）由(4)式可见，随d的增加而增加，这可解释为随着d的减少，光场向两侧有源层扩展，等效于加厚了有源层，而使减少。当有源层厚度能与波长相比拟，但仍工作在基横模时，可以忽略(3)式分母中的1而近似为1.2/d （5）式(5)与式(2)的一致性，说明在一定的有源厚度范围内，横向光场具有较好的高斯光束特点。在此范围内，随d的增加而减少，可用衍射理论解释。在量子阱半导体激光器中，由于有高的微分增益dgdN，允许适当放松对有源层与波导模之间耦合的要求而允许模场的适当扩展，因而有比厚有源层半导体激光器小的。可以通过外部光学系统来压缩半

6、导体激光器的发散角以实现相对准直的光束，但这是要以一定的光功率损耗为代价的。如果将从半导体激光器发出的激光近似视为有高斯分布的点光源，可以采取图4所示的准直光学系统。图4 高斯光束的准直准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径(n22- n12)1/2，经准直出来的激光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的光点，尚需对准直后的光束进行圆化处理。用节距(pitch)为14的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准直，如图5所示。图5 用自聚焦透镜准直半导体激光束半导体激光器存在像散，像散是像差的种。当用光学系统对半导体激光器解理面上的近场成像时，就会发现，由于像散的存在会在焦

7、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所形成的光波导效应对有源区光子进行限制的，而在侧向有增益波导与折射率波导两种光限制类型。早期的条形激光器是增益波导型的，都有非平面波前。对目前大量采用的侧向折射率波导结构，在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰处为平面波前，如图6(a)所示。而当侧向的波导机构是由复折射率的虚数部分起主要作用时(即增益波导)，则在该方向的光场分布如图6(b)所示，在腔内距腔面为D(称像散量)的地方出现虚腰，这也是外部观察者所能看到的最小近场宽度，真正的束腰在腔中心。因此，从传播方向看去两个方向的合成波前呈圆柱面，如图6(c)所示。这种

8、输出光是像散的。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(即横向光场束腰的像面)不对应同一处。其后果是远场分布出现“兔耳”状，在早期的氧化条形激光器中出现这种远场情况。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽。这给应用带来很大困难，除非采取消像差的措施，否则很难用一般的光学系统聚焦到很小的光斑，焦斑上光场分布不均匀，也很难使激光器与单模光纤高效率地耦合。即使是侧向有折射率波导限制的情况，由于载流子侧向分布的影响，也很难使上述表征像散大小的D值为零，一般在2m以上。图6 增益波导激光器波前(a)垂直于结平面方向；(b)平行于结平面方向；(c)合成波前。半导体激光器的激射波长是

9、由禁带宽度Eg决定的，然而这一波长也必须满足谐振腔内的驻波条件，谐振条件决定着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。因为不同振荡波长间不存在损耗的差别，而它们的增益差又小，故除了由禁带宽度Eg所决定的波长能在腔内振荡外，在它周围还有一些满足谐振腔驻波条件的波长也可能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而起振。因而有可能存在一系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称之为腔模或纵模，并由它构成一个纵模谱，如图7所示。这些纵模之间的间隔和为：=2/2ngL (6)=c/2ngL (7)式中，为激射波长；c为光速；ng为有源材料的群折射率。一般的半导体激光器其纵模间隔为0.51nm，而激光介质的增益谱宽

10、为数十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高(如大于622Mbs)的光纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益而出现多纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱，影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。图7 激光器的纵模谱(a)只有少数纵模；(b)高速调制下的

11、附加纵模。半导体激光器的有源区材料特性和器件结构都对纵模谱产生影响，以下就一些主要影响因素进行分析。1. 自发发射因子的影响自发发射对半导体激光器的主要影响是：(1)使P-I特性曲线“变软”；(2)在稳态条件下振荡模的噪声谱和光谱加宽；(3)阈值以上的边模抑制比下降；(4)在直接调制下张弛振荡频率降低。一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约5个数量级的自发发射因子(10-4)。由图8看出，纵模谱随变化很大。当10-5时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当10-4时，只有约80的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当10-3时，则有更多的纵模参与功率分配。另一方面

12、，若自发发射因子1(如在微腔情况)，则出现量变到质变的情况，此时每一个自发发射光子引发出一个受激发射光子，却能得到很好的单纵模。图8 腔长250m，输出功率2mW的激光器的模谱(a) 10-3；(b) 10-4；(c) 10-5。2. 模谱与电流密度的关系若激光器具有标准腔长(250m)和典型的10-4，实验发现，在小于阈值的低注入电流时，模谱的包络宛如自发发射谱；当电流增加到阈值以上，模谱包络变窄，各纵模开始竞争，对应于增益谱中心的主模（q=0）的增长速率比邻近纵模快。随电流增加，激光能量向主模转移，而且峰值波长发生红移现象。根据不同结构的半导体激光器，这种红移量约为0.lnmmA左右。3

13、器件结构对模谱的影响侧向有折射率波导的激光器比增益波导结构的激光器表现出更好的纵模特性。图9表示的是波长为780nm的两种侧向波导结构的纵模谱。这说明对有源区内载流子限制能力越强，腔内的微分增益越高，不但横模(包括侧模)特性得到改善，纵模特性同样向单纵模方向转化。图9 折射率波导与增益波导纵模谱的比较在一般的法布里一珀洛(FP)谐振腔中，各个纵模分量在腔内得到反馈的量是相同的。在分布反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)和有外部光栅谐振腔的结构中，谐振腔具有对某一波长选择反馈的作用，因而有好的纵模特性。图10比较的是在1300nm波长、侧向折射率波导的FP腔和DFB腔的纵模特性。若谐振腔长很

14、短，则纵模间隔很大。其3dB增益带宽内允许振荡的纵模数减少。当主模两边的次模随着腔长的缩短而移出3dB增益带宽之外，则可出现单纵模振荡。 图10 不同谐振腔结构的纵模谱(a) FP腔；(b)DFB腔。4 温度对纵模谱的影响由于有源层材料的禁带宽度Eg随温度增加而变窄，使激射波长发生红移，其红移量约为0.2-0.3nm，与器件的结构和有源区材料有关。借此特性，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值激射波长，以满足对波长要求严格的一些应用。和稳定输出功率一样，如需要有稳定的工作波长，对半导体激光器需进行恒温控制。图11表示温度对峰值波长的影响。图11 温度和功率引起波长红移三、实验内容及步骤：a.

15、将1550nm FP-LD控制信号连接至LD1，设置LD1工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为0。b. 将1550nm FP-LD光信号连接至光谱分析器，输出狭缝置0.1mm。c. 调节1550nm FP-LD驱动电流(Ic)，从10-40mA每隔5mA测一次1550nm FP-LD输出光谱，波长范围1500-1600nm，波长间隔0.1nm。读取不同驱动电流下的峰值波长、线宽。四、注意事项：1. 电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。2. 瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。3. 纤均不可过于弯曲，除特殊

16、测试外其曲率半径应大于30mm。实验二电光调制一、实验目的：1. 了解电光调制的工作原理及相关特性；2. 掌握电光晶体性能参数的测量方法；二、实验原理简介：某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。 电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的

17、光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，图1是几种电光调制器的基本结构形式。图1：几种电光调制器的基本结构形式a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所

18、以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。 泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。二者比较，横调的两电极间距离短，所需的电压低，而且可采用两块相同的晶体来补偿因

19、温度因素所引起的自然双折射，但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好，目前这两种形式的器件都很常用。 图2：纵调的泡克耳斯电光调制器 图2为纵调的泡克耳斯电光调制器。在不给泡克耳斯盒加电压时，由于P产生的平面偏振光平行于光轴方向入射于晶体，所以它在晶体中不产生双折射，也不分解为o、e光。当光离开晶体达到Q时，光的振动方向没变，仍平行于M。因M垂直于N，故入射光被Q完全阻挡，Q无光输出。 当给泡克耳斯盒加以电压时，电场会使晶体感应出一个新的光轴OG。OG的方向发生于同电场方向相垂直的平面内。由于这种电感应，便使晶体产生了一个附加的各向异性。使晶体对于振动方向平行于OG和垂直于OG的两种偏振光的折

20、射率不同，因此这两种光在晶体中传播速度也就不同。当它们达到晶体的出射端时，它们之间则存在着一定的相位差。合成后，总光线的振动方向就不再与Q的光轴N垂直，而是在N方向上有分量，因此，这时Q则有光输出。泡克耳斯效应的时间响应也特别快，而且与U成线性关系，所以多用泡克耳斯盒来作电光调制器。三、实验装置：图3：LiNbO3晶体静态特性曲线测量光路图图4：LiNbO3晶体静态特性曲线测量装置图四、实验内容及步骤：a. 按图3所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。b. 将635nm半导体激光器控制电缆连接至LD1，设置LD1工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为30mA。c. 将LiN

21、bO3晶体控制电压驱动端连接至高压信号源输出HV+和HV-。d. 将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。e. 将LiNbO3晶体从测试光路中移开，将起偏器偏振方向调至与水平面成45°角，将检偏器调至与其正交。再将LiNbO3晶体放回测试光路，调节其空间位置和倾斜角度，使入射光束与其表面垂直。f. 从0V开始设置HVS输出电压V，记录PD读数P。g. 0V至400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。h. 保持光路不变，将HV+和HV-端口处两线交换。i. 0V至-400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后H

22、VS置零。j. 根据各电压处的光强数据求得相对光强I，并绘制IV曲线。实验三法拉第效应一、实验目的：1. 了解法拉第效应的工作原理；2. 掌握磁光调制器件性能参数的测量方法；二、实验原理简介：原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。对于不同的介质其振动面的旋转方向不同，顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，反之，则称为左旋或负旋介质。VlBcos式中，为振动面旋

23、转的角度， l为光程，B为磁感应强度，为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称费尔德常数，单位rad/Tm，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。 对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。因此，在磁致旋光的情况下，

24、使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。图1：磁光调制器结构简图 磁光调制器就是根据法拉第效应制成的，其结构见图1。将磁光介质（铁钇石榴石Y3Fe5O12或三溴化铬CrBr3）置于激磁线圈中。在它的左右两边，各加一个偏振片。安装时，使它们的光轴彼此垂直。没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。光输出的强弱与磁致的旋转角有关。这就是磁光调制器的工作原理。三、实验装置：图2：法拉第效应实验光路图图3：法拉第效

25、应实验装置图四、实验内容及步骤：a. 按图2所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。b. 将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC，设置LDC工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为30mA。c. 将电磁铁线圈接线端子连接至功率信号源输出PSG和GND。置PSG于低压电源模式(LVS)。d. 将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。e. 将起偏器偏振方向调至与水平面平行，再将检偏器调至与其正交，记录检偏器刻度。f. 从0开始设置励磁电压V，将检偏器调至输出光强极小，记录检偏器角度。g. 0至15V每隔1V测一个点，记录相应的励磁电压V和检偏器角度。h.

26、 由励磁电压V求磁感应强度B，由计算偏转角，作旋光玻璃B关系曲线，求其费尔德常数。（电磁铁磁感应强度与励磁电压关系为15.2mT/V）实验四声光调制一、实验目的：1. 了解声光调制的工作原理及相关特性；2. 掌握声光调制器件与偏转器件性能参数的测量方法；二、实验原理简介： 声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，即发生光的衍射，这就是声光效应。声光器件是基于声光效应的原理来工作的，分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸设计上有所区别。声光器件的基本结构如图1所示，由

27、声光介质和换能器两部分组成。常用的声光介质有钼酸铅晶体、氧化碲晶体和熔石英等。换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。图1：声光器件的基本结构示意图声光相互作用有两种情形：1.正常光声相互作用。介质的光学性质是各向同性的，介质的折射率与入射光的方向、偏振状态无关，此时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态相同。可从各向同性介质中光的波动方程出发，利用介质应变与折射率变化之间的关系，来描述声光效应，可用声光栅来说明光在介质中的衍射。2.反常声光相互作用。介质的折射率与入射光的方向、偏振状态有关，需要考虑介质在光学性质上的各向异性。这时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态不同。此时，就不能用声光栅来说明光在介质中的衍射现象了。 目前，多数的声光器件都是利用正常声光相互作用原理来制作的，所以可用声光栅来分析。若掠射角i0，即入射光平行于