测量激光器内量子效率和内损耗的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
测量激光器内量子效率和内损耗的方法
本专利技术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。
技术介绍
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(“HighPowerSemiconductorLasersforDeepSpaceCommunications,”TDAProgressReport42-63,JetPropulsionLaboratory,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。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术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，reff为等效腔面的反射率；r2为半导体激光器腔面的反射率；rd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rd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其中，ηd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，reff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：其中，ηd为外微分量子效率；ηi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；αi为半导体激光器的内损耗；reff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，本专利技术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，本专利技术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)本专利技术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显示为本专利技术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显示为本专利技术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显示为本专利技术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显示为本专利技术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显示为本专利技术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专利技术的实施方式，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专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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，reff为等效腔面的反射率；r2为半导体激光器腔面的反射率；rd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...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洋，龚谦，柳庆博，曹春芳，成若海，严进一，李耀耀，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31