CN1016998B - 工作状态下半导体激光器中电场分布的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

连续波电光检测技术测量半导体激光器场分布的方法及装置：方法特征是探测激光垂直解理面透射处于工作状态的被测半导体激光器，其本身发出的激光经分离和/或滤去；装置特征是半导体激光器与检偏器间增设显微镜系统、分光和/或滤光装置，给半导体激光器设置可调偏置电流源。该装置可直接测量半导体激光器的场分布，确定其载流子限制、电流扩展特性，为设计和制作提供依据和监控。优点是非破坏无干扰，分辨率和灵敏度高。

Description

本发明涉及电场分布的测量技术，具体地说，它涉及工作状态下半导体激光器中电场分布的测量方法及装置。

目前，半导体激光器性能的优劣，通常是同伏安特性、光功率-电流特性和阈值电流密度、模式特性、光谱特性和线宽等来表征。但对半导体激光器而言，其载流子限制特性，即对注入载流子限制能力的强弱，以及注入电流扩展的大小，直接与半导体激光器的量子效率、阈值电流密度、光功率-电流特性、模式和温度特性等密切相关，因此人们设计了各种不同的结构来改善半导体激光器载流子的限制特性。

过去，设计半导体激光器时，有人采用数值分析法，利用计算机模拟出其中的电场分布作为依据。但是假设的模型通常是近似的，条件是理想化的，因此模拟的结果与实际半导体激光器的情况存在差别。对于每一个具体制作的半导体激光器而言，由于工艺重复性的问题，情况更是大相径庭。

由发明人所提出的连续波电光检测技术是一种适用于稳态电场测量的新方法，其测量方法及实验装置是将控制激光准直后，聚焦在具有电场分布的被测样品上，探测激光与电场平行，成纵向电光反射检测方式，把经过样品中电场调制的探测激光偏振的变化，转变为激光强度的变化，再由光电探测器变成电信号，输入锁相放大器读出，通过分束器用光功率计监测探测激光本身强度的变化，以此来 归一测得的光电信号，从而减小因光强本身变化引起的误差。用红外摄像仪监控探测激光在样品上的扫描测量位置。该装置是由激光器、准直物镜、1/4波片、聚焦物镜、被测样品、检偏器、分束器、光功率计、光电探测器、锁相放大器、红外摄像仪组成。现已用于一些GaAs波导器件和材料中电场分布的测量研究。但该装置还不能直接用于工作状态下半导体激光器电场分布的测量。以前，人们只是从半导体激光器的伏安、光功率-电流、模式等特性的测量，间接推断其载流子限制和电流扩展的情况。

鉴于上述情况，本发明的目的旨在提出用连续波电光检测技术，直接测量半导体激光器在工作状态下内部电场分布的方法及装置，描绘其内部的电场分布，以确定其载流子限制和电流扩展特性。

本发明依据线性电光效应原理进行测量。本发明的目的是通过下述的方法和装置实现的。

半导体激光器在工作状态下电场分布的测量方法特征是：将聚焦的探测激光在被测半导体激光器芯片的解理面上垂直透射通过芯片，其方向与被测电场方向正交;被测半导体激光器自身发出的激光经分离和/或滤去。

实现上述方法的测量装置特征是：在被测半导体激光器与检偏器之间增设了一个显微镜系统、一个分光和/或滤光装置。使显微镜系统具有较长的工作距离，并可方便地利用红外摄像仪监视被测半导体激光器各个被测量位置;使激光光路中的被测半导体激光器自身发出的激光被分离和/或滤去，只让探测激光通过。给被测半导体全激光器设置了一个可调偏置电流源。它包括可调正向直流偏置和叠加在正向直流偏置上的一个可调低频交流偏置，使被测半导体激光器达到阈值之上以及使上述可调低频交流偏置信号同时分路供给锁相放大器。使被测半导体激光器处于工作状态，形成稳态电场分布;低频交流偏置信号分路输出是为了保证锁相放大器协调工作。

利用连续波电光检测技术测量半导体激光器中的电场分布，确定其载流子限制电流扩展特性，为半导体激光器的设计和制作提供依据和监控。该方法及装置具有对被测半导体激光器不接触、非破坏、无干扰;对电场分布测量的空间分辨率和灵敏度均高;测量装置简单、投资少等优点。

图1是本发明的原理示意图。

图2是探测激光垂直透射被测半导体激光器芯片解理面的示意图。

图3是可调偏置电流源的方框图。

图4是测得的电场分布曲线。

下面将结合各附图详细描述本发明最佳实施方案。

参照图1、图2、图3，在检偏器11与光电探测器13之间可以增设一个聚焦物镜12，把探测激光聚焦到光电探测器13上，使探测激光更多被光电探测器13所接收。在准直物镜2与1/4波片4之间可以增设一个偏振器3，以保证探测激光线偏振特性不变，使检偏器11的偏振方向与偏振器3的偏振方向正交。在分光和/或滤光装置8与检偏器11之间可以设置一个分束器9，使探测激光20分出射向光功率计10，其读数用于测得电光信号的归一，这可减小由于半导体激光器芯片解理面上反射及体内散射、吸收不同引起的光强本身变化给测量结果带来的误差。1/4波片4也可以设置在分束器9与检偏器11之间。其作用是在探测激光沿两个正交感应主轴电场分量之间引入一固定的π/2的相移。InGaAsP半导体激光器为探测激光源1，其激射波长为1.3μm，最大连续输出光功率为10mw。要求其激射波长大于被测半导体激光器6的激射波长，为保证获得足够强的电光信号连续输出光功率一般不低于5mw。它发射的激光，经准直物镜（20×）2准直，由偏振器3保证激光线偏振特性不变，然后经聚焦物镜（40×）5将激光束聚焦在被测AlGaAs半导体激光器6的芯片17上，探测激光偏振方向在解理面内与X轴成45°，探测激光20从芯片17，解理面垂直透射通过。偏置电流源15通过电极18和热沉19接到被测AlGaAs半导体激光器6使其处于工作状态，其芯片中产生稳定电场分布。受被测AlGaAs半导体激光器6芯片17中电场调制的控制激光20，出射后进入一个包括物镜、固定反射镜、移动反射镜和目镜的显微镜系统7后，当移动反射镜插入光路，它就经过透反镜和滤光片组成的分光和/或滤光装置8，使探测激光20与AlGaAs半导体激光器6发出的激光两者在空间分离，再经滤光片滤去剩余的非探测激光。通过分束器9，分出部分探测激光20射向光功率计10，由其读出的光 功率来归一测得的电光信号。透过分束器9的绝大部分探测激光20，经过云母1/4波片4和检偏器11，使探测激光20的偏振变化转变为光强度的变化后，再经物镜12将其聚焦在光电探测器13上。由光电探测器13将探测激光20的光强度变化变成电信号的变化后，输入到锁相放大器14，直接读出与电场强度成正比的电光信号。可调偏置电流源15是由音频信号产生电路21、双向限幅电路22、电压放大电路23、缓冲放大电路24及驱动电路25组成。它可提供可调的正向直流偏置和低频交流偏置，它们的可调范围为0～100mA。音频信号产生电路21为音频信号产生器或标准信号发生器，双向限幅电路22的作用在于避免输入信号的突然增大造成被测AlGaAs半导体激光器6的损坏，并为其提供交变的测量电流。驱动电路25包括直流偏置调节、交流驱动加入电路及被测AlGaAs半导体激光器反向保护电路。当显微镜系统7中的移动反射镜一旦移出光路，红外摄像仪16便可监控被测AlGaAs半导体激光器6芯片中探测激光的测量位置及其它情况。

按照上述检测方式，移动被测AlGaAs半导体激光器6，让探测激光束在其芯片解理面上沿着X轴和Z轴方向扫描时，便测得了AlGaAs半导体激光器6芯片内的电场E_z在横断面上的分布。它的大小直接反映了垂直注入被测AlGaAs半导体激光器6芯片的电流大小及方向，即电流扩展和载流子限制情况。

参照图4，横坐标为沿芯片解理面X方向的距离，纵坐标为测量得到的电光信号。图中右上角所示为被测AlGaAs半导体激光器6芯片的横断面，以及测量时探测激光20的扫描路径。图中所示a、b、c三条曲线，分别代表在芯片厚度方向（z方向）三个不同部位处沿X方向扫描测量得到的电光信号，即电场强度的分布。曲线a代表靠近有源层沿X轴方向扫描得到的结果;曲线b、c代表离开有源层不同厚度处沿X轴方向扫描得到的结果。曲线a中电场强度最大的区域与有源层发光区的位置相对应。由此可见，越是远离有源层其曲线越平坦，这表明了注入电流的扩展情况。

Claims (10)

1、在工作状态下半导体激光器中电场分布的测量方法，其特征在于将激射波长大于被测半导体激光器激射波长的探测激光，经准直后被聚焦在处于工作状态的，被测半导体激光器芯片解理面上垂直透射通过，其方向与被测半导体激光器芯片中电场方向正交，被测半导体激光器本身发出的激光经分离和/或滤去，把通过半导体激光器芯片中电场调制的，探测激光偏振的变化转变为激光强度的变化，再由光电探测器变成电信号，输入锁相放大器读出；让探测激光束在被测半导体激光器芯片解理面上，沿X轴和Z轴方向扫描，用红外摄像仪监控探测激光在芯片上的扫描测量位置，就获得了被测半导体激光器芯片中电场在横断面上的分布。

2、使用权利要求1所述方法而专门设计的测量装置，其中包括激光器[1]、准直物镜[2]、1/4波片[4]、聚焦物镜[5]、被测样品、检偏器[11]、光电探测器[13]、锁相放大器[14]、红外摄像仪[16]，其特征在于所述被测样品是工作状态下的半导体激光器[6]，在其与检偏器[11]之间增设了一个显微镜系统[7]、一个分光和/或滤光装置[8]，给被测半导体激光器[6]设置了一个含有正向直流偏置和低频交流偏置使其达到阈值之上的，以及使上述低频交流偏置信号同时分路供给锁相放大器[14]的可调偏置电流源[15]。

3、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于检偏器[11]与光电探测器[13]之间可以增设一个聚焦物镜[12]。

4、根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于准直物镜[2]与1/4波片[4]之间可以增设一个偏振器[3]，使检偏器[11]的偏振方向与其偏振方向正交。

5、根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于可调偏置电流源[15]是由音频信号产生电路[21]、双向限幅电路[22]、电压放大电路[23]、缓冲放大电路[24]及驱动电路[25]组成。

6、根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于可调偏置电流源[15]是由音频信号产生电路[21]、双向限幅电路[22]、电压放大电路[23]、缓冲放大电路[24]及驱动电路[25]组成。

7、根据权利要求2或3或6所述的测量装置，其特征在于分光和/或滤光装置[8]和检偏器[11]之间可以设置一个使探测激光[20]分出射向光功率计[10]的分束器[9]。

8、根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于分光和/或滤光装置[8]和检偏器[11]之间可以设置一个使探测激光[20]分出射向光功率计[10]的分束器[9]。

9、根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于分光和/或滤光装置[8]和检偏器[11]之间可以设置一个使探测激光[20]分出射向光功率计[10]的分束器[9]。

10、根据权利要求2或3或6或8或9所述的测量装置，其特征在于1/4波片[4]也可以设置在分束器[9]与检偏器[11]之间。