CN104062575B - 测量激光器内量子效率和内损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过外部光反馈装置改变有效反射率来测量激光器内量子效率和内损耗的方法，包括以下步骤：S1：在激光器光路上设置一外部光反馈装置；S2：将激光器的腔面与外部光反馈装置的镜面等效为一个等效腔面；通过改变外部光反馈装置的反射率来调节反馈强度，改变激光器自身的输出功率；S3：测量不同反馈强度下激光器的电流‑功率关系，得到多条I‑P曲线；S4：由所述I‑P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率；S5：通过外微分量子效率与外部光反馈装置的反射率的函数关系拟合出激光器的内量子效率和内损耗。本发明具有只需要测试一个激光器的特点，从而消除了多个激光器测量带来的离散误差，同时带来方便、快捷、成本低、可靠性高的优点。

Description

测量激光器内量子效率和内损耗的方法

技术领域

本发明属于半导体光电技术和光学工程领域，涉及一种测量激光器内量子效率和内损耗的方法。

背景技术

半导体激光器自1962年诞生以来，器件性能得到快速提高，早已在许多领域得到广泛应用，比如光纤通信、激光器加工、激光医疗、光谱学等。从市场销售数量来看，半导体激光器的售出数量远远大于其他种类激光器售出数量的总和。在半导体激光器的发展过程中，其波导结构和有源区的研究改进是提高半导体激光器性能的关键(“High PowerSemiconductor Lasers for Deep Space Communications,”TDA Progress Report42-63,Jet Propulsion Laboratory,Pasadena,Calif.,pp.40-50,June15,1981)。比如作为激光器发光区的有源区就经历了体材料、异质结材料、量子阱和量子点材料的发展历程。无论半导体激光器的有源区采用何种材料，表征有源区材料性能的基本物理量就是其发光效率，也称为半导体激光器的内量子效率。另外一个和半导体激光器发光增益相对应的物理量是光损耗，它包含两个部分：激光器内部损耗和腔面损耗，其中激光器内部损耗是表征激光器有源区和光波导材料结构性能的基本物理量。所以在半导体激光器的研发中，必须对内量子效率和内损耗这两个基本物理量进行测量，然后将测量结果反馈到激光器材料和结构的设计中，通过改变材料和结构来提高内量子效率、降低内部损耗，从而提高器件性能。因此，对于半导体激光器内量子效率和内部损耗的快速、便捷、准确的测量方法在半导体激光器的研发和生产中具有十分重要的意义。

现有测量激光器内量子效率和内损耗的方法是先采用工艺解理成多个不同腔长的激光器，再测量各个激光器的电流-功率(I-P)曲线，对其微分求导从而得到腔长与外微分量子效率的关系图，再由相应公式进行拟合得到该半导体材料的内量子效率和内损耗。该方法对工艺制备要求较高，需要多种腔长的激光器，而且外延片不同区域的材料性能也不尽相同，对各个激光器的测量也不能保证外界环境和光路的完全一致，致使其操作复杂、误差较大，而且成本和时间也消耗较多。因此，开发新型的测量技术具有重要意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种测量激光器内量子效率和内损耗的方法，用于解决现有技术中的测量方法操作复杂、误差较大，而且成本和时间也消耗较多的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种测量激光器内量子效率和内损耗的方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一半导体激光器，在所述半导体激光器光路上设置一外部光反馈装置；

S2：将所述半导体激光器的腔面与所述外部光反馈装置的镜面等效为一个等效腔面；通过改变所述外部光反馈装置的反射率来调节反馈强度，从而改变所述等效腔面的反射率及所述半导体激光器自身的输出功率；

S3：测量不同反馈强度下所述半导体激光器的电流-功率关系，得到多条斜率不同的I-P曲线；

S4：由所述I-P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率；

S5：通过所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系拟合出所述激光器的内量子效率和内损耗。

可选地，所述外部光反馈装置为数字微镜器件。

可选地，所述数字微镜器件由若干微镜组成矩形阵列，通过改变翻转微镜的数量来改变其反射率。

可选地，于所述步骤S2中，所述等效腔面的反射率通过等效反射率公式得到，所述等效反射率公式为：其中，r_eff为等效腔面的反射率；r₂为半导体激光器腔面的反射率；r_d为外部光反馈装置的反射率；L为半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离；β为相位因子，大小为其中λ为半导体激光器的中心波长，n为空气介质的折射率；t为透射系数，大小为其中n'为半导体激光器有源区的折射率，n为空气介质的折射率。

可选地，所述外部光反馈装置的反射率r_d通过使用外部光学装置测量得到。

可选地，于所述步骤S4中，由所述I-P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率的方法为：对所述I-P曲线求微分并代入公式 ${\mathrm{\η}}_d=\frac{e}{\mathrm{hv}}\·\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dI}}=\frac{e}{\mathrm{hv}}\·\frac{d[P_1(1-r_1)+P_1(1-r_{\mathrm{eff}})}{\mathrm{dI}(1-r_1)}=\frac{e(2-r_1-r_{\mathrm{eff}}){\mathrm{dP}}_1}{\mathrm{hv}(1-r_1)\mathrm{dI}},$ 其中，η_d为外微分量子效率，e为电子电量，h为普朗克常数，v为光波频率，P为半导体激光器总的出光功率，P₁为半导体激光器的单面出光功率，r₁为半导体激光器的腔面反射率，r_eff为等效腔面的反射率。

可选地，于所述步骤S5中，所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系公式为： ${\mathrm{\η}}_d={\mathrm{\η}}_i{[1+\frac{{2\mathrm{\α}}_{i}l}{\ln \left(r_1{r}_{\mathrm{eff}}\right)}]}^{-1}={\mathrm{\η}}_i{[1+\frac{{2\mathrm{\α}}_{i}l}{\ln {\left(r_1(r_2+\frac{t^2{r}_d{e}^{-2\mathrm{j\βL}}}{1+r_2{r}_d{e}^{-2\mathrm{j\βL}}})\right)}^{-1}}]}^{-1},$ 其中，η_d为外微分量子效率；η_i为内量子效率；l为半导体激光器的腔长；L为半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离；α_i为半导体激光器的内损耗；r_eff为等效腔面的反射率。

可选地，所述半导体激光器为双面出光的F-P腔半导体激光器。

可选地，于所述步骤S3中，测量不同反馈强度下所述半导体激光器的电流-功率关系时，将所述半导体激光器固定在热沉上，激光器前后两个腔面分别用透镜准直成平行光，其中一个透镜将激光耦合进功率计，另一个透镜将激光入射至所述外部光反馈装置。

可选地，所述半导体激光器为GaAs基量子点激光器。

如上所述，本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，具有以下有益效果：1)相比传统上用工艺解理成多个不同腔长的方法，本发明的测量方法具有只需要测试一个激光器的特点，从而消除了多个激光器测量带来的离散误差，同时带来方便、快捷、成本低、可靠性高的优点，有非常高的科研应用价值。2)所述外部光反馈部件是可采用数字微镜器件(DMD)，使得该测试器件具有广阔的市场基础和高集成度的可操控性；3)通过选用高阵列密度的DMD和大尺寸的透镜可以有效提高测量精度，将自由空间耦合改为光纤耦合可以提高测量系统的应用范围和抗干扰能力；4)本发明依托于腔面反射率的改变来推算内量子效率和内损耗，具有广泛的应用范围，可测量的波长范围覆盖可见光至红外波段，适合量子点、量子阱和量子级联等多种结构的半导体激光器。

附图说明

图1显示为本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法中测量数字微镜器件(DMD)反射率的示意图。

图2显示为本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法中测量得到DMD的翻转率和反射率的关系曲线图。

图3显示为本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法中采用数字微镜器件测量半导体激光器内量子效率和内损耗的示意图。

图4显示为本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法中采用数字微镜器件在不同反射率下测量得到的激光器I-P曲线图。

图5显示为本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法中拟合后得到的关系曲线。

元件标号说明

1 激光器

2 热沉

3 温度控制器

4 透镜

5 数字微镜器件

6 功率计

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种测量激光器内量子效率和内损耗的方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一半导体激光器，在所述半导体激光器光路上设置一外部光反馈装置；

S2：将所述半导体激光器的腔面与所述外部光反馈装置的镜面等效为一个等效腔面；通过改变所述外部光反馈装置的反射率来调节反馈强度，从而改变所述等效腔面的反射率及所述半导体激光器自身的输出功率；

S3：测量不同反馈强度下所述半导体激光器的电流-功率关系，得到多条斜率不同的I-P曲线；

S4：由所述I-P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率；

S5：通过所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系拟合出所述激光器的内量子效率和内损耗。

本发明的理论依据为：将外部光反馈装置的镜面与半导体激光器的腔面等效，通过改变外部光反馈装置的镜面反射率来改变等效后的半导体激光器腔面反射率，从而将传统方法中测外微分量子效率与腔长的关系(η_d-l)改变为测外微分量子效率与腔面反射率的关系(η_d-r)。

首先执行步骤S1：提供一半导体激光器，在所述半导体激光器光路上设置一外部光反馈装置。

具体的，本发明的测量方法适用于所有双面出光的F-P腔半导体激光器，本实施例中，所述半导体激光器以未镀膜的F-P腔InAs/GaAs量子点激光器为例。所述外部光反馈装置包括但不限于数字微镜器件(DMD)，本实施例中，所述外部光反馈装置以数字微镜器件为例。所述数字微镜器件设置于所述半导体激光器一侧。

具体的，所述数字微镜器件由尺寸为13.68μm×13.68μm的微小镜面组成1024×768的矩形阵列，微镜间隙小于1μm，微镜阵列的对角线长度为0.7英寸。通过软件如Matlab生成像素为1024×768的位图，再经过USB上传至板载的静态随机存储器内，然后DMD阵列按照所制作的位图进行显示。位图的生成思路为：以4×4个微镜阵列为基本单元，依靠单元内翻转微镜的比例来改变其反射率，并依照此翻转比例扩展至整个1024×768的位图上。作为示例，设定了10个等级的反射率。

接着执行步骤S2：将所述半导体激光器的腔面与所述外部光反馈装置的镜面等效为一个等效腔面；通过改变所述外部光反馈装置的反射率来调节反馈强度，从而改变所述等效腔面的反射率及所述半导体激光器自身的输出功率。

此处需要说明的是，虽然DMD的反射率具有可控性，但该装置外在表征的反射率还取决于微镜材质的反射率、微镜之间的缝隙损耗和表面保护玻璃的透射损耗等等，所以需使用外部光学装置进行测量。本实施例中，采用Thorlabs公司的PM100功率计按照如图1所示的光路进行反射率的测试。如图1所示，激光器1固定于热沉2上，所述热沉2连接有一温度控制其3，所述激光器1前后两个腔面分别通过透镜4准直成平行光，其中一个透镜直接将激光平行出射，另一个透镜将激光入射至数字微镜器件5。在一定的激光器电流I₀下，通过功率计6测得激光器1一侧直接出射的激光功率P₀，然后测得激光器1一侧通过DMD反射的激光功率P_r，通过比值P_r/P₀即可得到此时DMD的实际反射率。根据预设翻转比例图形，可以得到在不同翻转状态下的各I-P曲线，然后对各曲线作比值即可得到不同翻转状态下的DMD反射率，如图2所示。图2中显示了十种翻转率下的DMD实际反射率数据，其中黑色箭头指出了翻转率分别为25％、50％及75％时的微镜阵列基本单元图形，其中白色方格代表翻转的微镜使光反馈。在另一实施例中，也可以设定更多反射率，得到更多数据。

本步骤中，将所述半导体激光器的腔面与所述外部光反馈装置的镜面等效为一个等效腔面；通过改变所述外部光反馈装置的反射率即可调节反馈强度，从而改变所述等效腔面的反射率及所述半导体激光器自身的输出功率。

具体的，所述等效腔面的反射率可通过等效反射率公式得到，所述等效反射率公式为：其中，r_eff为等效腔面的反射率；r₂为半导体激光器腔面的反射率；r_d为外部光反馈装置的反射率；L为半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离；β为相位因子，大小为其中λ为半导体激光器的中心波长，n为空气介质的折射率；t为透射系数，大小为其中n'为半导体激光器有源区的折射率，n为空气介质的折射率。

本实施例中，半导体激光器腔面的反射率r₂为0.35，外部光反馈装置的反射率r_d的变化范围是0％～31％(如图2所示，为实际反射率)，半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离L为1.2cm，半导体激光器的中心波长λ为1004nm，半导体激光器有源区的折射率n₁为3.5，空气介质的折射率近似为1。在其它实施例中，以上各数据可根据激光器参数及光路参数值的改变而改变。因此，当选定激光器及光路参数后，等效腔面的反射率r_eff仅随外部光反馈装置的反射率r_d的变化而变化。

然后执行步骤S3：测量不同反馈强度下所述半导体激光器的电流-功率关系，得到多条斜率不同的I-P曲线。

具体的，不同的反馈强度下半导体激光器自身的输出功率可通过功率计测量得到。请参阅图3，显示为测量时的光路图，如图所示，激光器1固定于热沉2上，所述热沉2连接有一温度控制其3，所述激光器1前后两个腔面分别通过透镜4准直成平行光，其中一个透镜将激光入射至数字微镜器件5，用计算机控制DMD使所有微镜向同一方向偏转，并调节DMD偏转角度使激光垂直入射到各偏转的微镜面上；另一个透镜将激光耦合进功率计6(也可采用光谱仪)，通过微调DMD角度和位置使反馈出射的光功率达到最大。作为示例，所有透镜和DMD装置均被固定在Newport公司生产的五位调节架上，调节反馈光，将光路优化至最佳。将事先制作好的多种位图上传至DMD，通过程序控制DMD微镜的翻转数量，可以得到不同的出光功率，此时测量得到不同反射率情况下半导体激光器的电流-功率(I-P)曲线，如图4所示。图4中显示了十种反射率下(即十种反馈强度下)的I-P曲线。

再执行步骤S4：由所述I-P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率。

由图4中的各I-P曲线可计算出各反馈强度下的外微分量子效率η_d。具体的，对所述I-P曲线求微分并代入公式 ${\mathrm{\η}}_d=\frac{e}{\mathrm{hv}}\·\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dI}}=\frac{e}{\mathrm{hv}}\·\frac{d[P_1(1-r_1)+P_1(1-r_{\mathrm{eff}})}{\mathrm{dI}(1-r_1)}=\frac{e(2-r_1-r_{\mathrm{eff}}){\mathrm{dP}}_1}{\mathrm{hv}(1-r_1)\mathrm{dI}},$ 即可得到各反馈强度下的外微分量子效率η_d，其中，e为电子电量，h为普朗克常数，v为光波频率，P为半导体激光器总的出光功率，P₁为半导体激光器的单面出光功率，r₁为半导体激光器的腔面反射率，r_eff为等效腔面的反射率。由此可得到十种外部光反馈装置的反射率r_d下分别所对应的外微分量子效率值，即十组测量数据，如图5所示。

最后执行步骤S5：通过所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系拟合出所述激光器的内量子效率和内损耗。

具体的，所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系公式为： ${\mathrm{\η}}_d={\mathrm{\η}}_i{[1+\frac{{2\mathrm{\α}}_{i}l}{\ln \left(r_1{r}_{\mathrm{eff}}\right)}]}^{-1}={\mathrm{\η}}_i{[1+\frac{{2\mathrm{\α}}_{i}l}{\ln {\left(r_1(r_2+\frac{t^2{r}_d{e}^{-2\mathrm{j\βL}}}{1+r_2{r}_d{e}^{-2\mathrm{j\βL}}})\right)}^{-1}}]}^{-1},$ 其中，η_d为外微分量子效率，η_i为内量子效率，l为半导体激光器的腔长，L为半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离；α_i为半导体激光器的内损耗。可利用Matlab或其它软件对图5中所测各个点的数据进行拟合，得到如图5所示的拟合曲线，其直线度为95％，从而计算出上述函数关系公式中的内量子效率和内损耗，其值分别为77.21％和25.92cm^-1。

至此，采用本发明方法测得了激光器的内量子效率和内损耗参数。本发明的测量方法只需要测试一个激光器，通过将外部光反馈装置的镜面与半导体激光器的腔面等效，通过改变外部光反馈装置的镜面反射率来改变等效后的半导体激光器腔面反射率，从而将传统方法中测外微分量子效率与腔长的关系(η_d-l)改变为测外微分量子效率与腔面反射率的关系(η_d-r)。本发明的测量方法具有方便、快捷、成本低、可靠性高的优点。

为验证该方法的准确性，我们还用传统的工艺制备方法对其进行检验。选取了相同材料而腔长分别为0.3mm、1.5mm、2mm和2.5mm，脊条为8μm的GaAs基量子点激光器，测得各自的I-P曲线并求微分算出外微分量子效率，最后根据公式拟合得内量子效率为71％，内损耗为19cm^-1。通过数据对比可以看出，新的方法得到的结果比传统方法要稍高，是由于忽略了透镜和空气的损耗等所致，再加上测量误差和激光器材料的非一致性导致了其差异的存在，而这些是可以由以后完善的建模和多次的实验校准来改进的。因此，传统方法与本发明实施方法的计算结果相近，而且从实验结果上印证了本发明原理的可行性，是一种新颖可靠的测量方法。

综上所述，本发明的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，具有以下有益效果：1)相比传统上用工艺解理成多个不同腔长的方法，本发明的测量方法具有只需要测试一个激光器的特点，从而消除了多个激光器测量带来的离散误差，同时带来方便、快捷、成本低、可靠性高的优点，有非常高的科研应用价值。2)所述外部光反馈部件是可采用数字微镜器件(DMD)，使得该测试器件具有广阔的市场基础和高集成度的可操控性；3)通过选用高阵列密度的DMD和大尺寸的透镜可以有效提高测量精度，将自由空间耦合改为光纤耦合可以提高测量系统的应用范围和抗干扰能力；4)本发明依托于腔面反射率的改变来推算内量子效率和内损耗，具有广泛的应用范围，可测量的波长范围覆盖可见光至红外波段，适合量子点、量子阱和量子级联等多种结构的半导体激光器。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：提供一双面出光半导体激光器，在所述半导体激光器光路上设置一外部光反馈装置；

S2：将所述半导体激光器的腔面与所述外部光反馈装置的镜面等效为一个等效腔面；通过改变所述外部光反馈装置的反射率来调节反馈强度，从而改变所述等效腔面的反射率及所述半导体激光器自身的输出功率；

S3：测量不同反馈强度下所述半导体激光器的电流-功率关系，得到多条斜率不同的I-P曲线；

S4：由所述I-P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率；

S5：通过所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系拟合出所述激光器的内量子效率和内损耗。

2.根据权利要求1所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：所述外部光反馈装置为数字微镜器件。

3.根据权利要求2所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：所述数字微镜器件由若干微镜组成矩形阵列，通过改变翻转微镜的数量来改变其反射率。

4.根据权利要求1所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：于所述步骤S2中，所述等效腔面的反射率通过等效反射率公式得到，所述等效反射率公式为：其中，r_eff为等效腔面的反射率；r₂为半导体激光器腔面的反射率；r_d为外部光反馈装置的反射率；L为半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离；β为相位因子，大小为其中λ为半导体激光器的中心波长，n为空气介质的折射率；t为透射系数，大小为其中n'为半导体激光器有源区的折射率，n为空气介质的折射率。

5.根据权利要求4所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：所述外部光反馈装置的反射率r_d通过使用外部光学装置测量得到。

6.根据权利要求4所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：于所述步骤S4中，由所述I-P曲线计算出各反馈强度下的外微分量子效率的方法为：对所述I-P曲线求微分并代入公式其中，η_d为外微分量子效率，e为电子电量，h为普朗克常数，v为光波频率，P为半导体激光器总的出光功率，P₁为半导体激光器的单面出光功率，r₁为半导体激光器的腔面反射率，r_eff为等效腔面的反射率。

7.根据权利要求4所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：于所述步骤S5中，所述外微分量子效率与所述外部光反馈装置的反射率的函数关系公式为：其中，η_d为外微分量子效率；η_i为内量子效率；r₁为半导体激光器腔面的反射率；l为半导体激光器的腔长；L为半导体激光器腔面到外部光反馈装置的距离；α_i为半导体激光器的内损耗；r_eff为等效腔面的反射率。

8.根据权利要求1所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：所述半导体激光器为双面出光的F-P腔半导体激光器。

9.根据权利要求8所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：于所述步骤S3中，测量不同反馈强度下所述半导体激光器的电流-功率关系时，将所述半导体激光器固定在热沉上，激光器前后两个腔面分别用透镜准直成平行光，其中一个透镜将激光耦合进功率计，另一个透镜将激光入射至所述外部光反馈装置。

10.根据权利要求1所述的测量激光器内量子效率和内损耗的方法，其特征在于：所述半导体激光器为GaAs基量子点激光器。