專利名稱：連續波電光檢測技術測量半導體激光器電場分布的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電場分布的測量技術，具體地說，它涉及工作狀態下半導體激光器中電場分布的測量方法及裝置。
目前，半導體激光器性能的優劣，通常是由伏安特性、光功率-電流特性和閾值電流密度、模式特性、光譜特性和線寬等來表征。但對半導體激光器而言，其載流子限制特性，即對注入載流子限制能力的強弱，以及注入電流擴展的大小，直接與半導體激光器的量子效率、閾值電流密度、光功率-電流特性、模式和溫度特性等密切相關，因此人們設計了各種不同的結構來改善半導體激光器載流子的限制特性。
過去，設計半導體激光器時，有人采用數值分析法，利用計算機模擬出其中的電場分布作為依據。但是假設的模型通常是近似的，條件是理想化的，因此模擬的結果與實際半導體激光器的情況存在差別。對于每一個具體制作的半導體激光器而言，由于工藝重復性的問題，情況更是大相徑庭。
由發明人所發展的連續波電光檢測技術是一種適用于穩態電場測量的新方法，其測量方法及實驗裝置是將探測激光準直后，聚焦在具有電場分布的被測樣品上，探測激光與電場平行，成縱向電光反射檢測方式，把經過樣品中電場調制的探測激光偏振的變化，轉變為激光強度的變化，再由光電探測器變成電信號，輸入鎖相放大器讀出，通過分束器用光功率計監測探測激光本身強度的變化，以此來歸一測得的光電信號，從而減小因光強本身變化引起的誤差。用紅外攝像儀監控探測激光在樣品上的掃描測量位置。該裝置是由激光器、準直物鏡、1/4波片、聚焦物鏡、被測樣品、檢偏器、分束器、光功率計、光電探測器、鎖相放大器、紅外攝像儀組成。現已用于一些GaAs波導器件和材料中電場分布的測量研究。但該裝置還不能直接用于工作狀態下半導體激光器電場分布的測量。以前，人們只是從半導體激光器的伏安、光功率-電流、模式等特性的測量，間接推斷其載流子限制和電流擴展的情況。
鑒于上述情況，本發明的目的旨在提出用連續波電光檢測技術，直接測量半導體激光器在工作狀態下內部電場分布的方法及裝置，描繪其內部的電場分布，以確定其載流子限制和電流擴展特性。
本發明依據線性電光效應原理進行測量。本發明的目的是通過下述的方法和裝置實現的。
半導體激光器在工作狀態下電場分布的測量方法特征是將聚焦的探測激光在被測半導體激光器芯片的解理面上垂直透射通過芯片，其方向與被測電場方向正交;被測半導體激光器自身發出的激光經分離和/或濾去。
實現上述方法的測量裝置特征是在被測半導體激光器與檢偏器之間增設了一個顯微鏡系統、一個分光和/或濾光裝置。使顯微鏡系統具有較長的工作距離，并可方便地利用紅外攝像儀監視被測半導體激光器各個被測量位置;使激光光路中的被測半導體激光器自身發出的激光被分離和/或濾去，只讓探測激光通過。給被測半導體激光器設置了一個可調偏置電流源。它包括可調正向直流偏置和疊加在正向直流偏置上的一個可調低頻交流偏置，使被測半導體激光器達到閾值之上以及使上述可調低頻交流偏置信號同時分路供給鎖相放大器。使被測半導體激光器處于工作狀態，形成穩態電場分布;低頻交流偏置信號分路輸出是為了保證鎖相放大器協調工作。
利用連續波電光檢測技術測量半導體激光器中的電場分布，確定其載流子限制、電流擴展特性，為半導體激光器的設計和制作提供依據和監控。該方法及裝置具有對被測半導體激光器不接觸、非破壞、無干擾;對電場分布測量的空間分辨率和靈敏度均高;測量裝置簡單、投資少等優點。
圖1是本發明的原理示意圖。
圖2是探測激光垂直透射被測半導體激光器芯片解理面的示意圖。
圖3是可調偏置電流源的方框圖。
圖4是測得的電場分布曲線。
下面將結合各附圖詳細描述本發明最佳實施方案。
參照圖1、圖2、圖3，在檢偏器11與光電探測器13之間可以增設一個聚焦物鏡12，把探測激光聚焦到光電探測器13上，使探測激光更多被光電探測器13所接收。在準直物鏡2與1/4波片4之間可以增設一個偏振器3，以保證探測激光線偏振特性不變，使檢偏器11的偏振方向與偏振器3的偏振方向正交。在分光和/或濾光裝置8與檢偏器11之間可以設置一個分束器9，使探測激光20分出射向光功率計10，其讀數用于測得電光信號的歸一，這可減小由于半導體激光器芯片解理面上反射及體內散射、吸收不同引起的光強本身變化給測量結果帶來的誤差。1/4波片4也可以設置在分束器9與檢偏器11之間。其作用是在探測激光沿兩個正交感應主軸電場分量之間引入一固定的π/2的相移。InGaAsP半導體激光器為探測激光源1，其激射波長為1.3μm，最大連續輸出光功率為10mw。要求其激射波長大于被測半導體激光器6的激射波長，為保證獲得足夠強的電光信號連續輸出光功率一般不低于5mw。它發射的激光，經準直物鏡(20×)2準直，由偏振器3保證激光線偏振特性不變，然后經聚焦物鏡(40×)5將激光束聚焦在被測AlGaAs半導體激光器6的芯片17上，探測激光偏振方向在解理面內與X軸成45°，探測激光20從芯片17解理面垂直透射通過。偏置電流源15通過電極18和熱沉19接到被測AlGaAs半導體激光器6使其處于工作狀態，其芯片中產生穩定電場分布。受被測AlGaAs半導體激光器6芯片17中電場調制的探測激光20，出射后進入一個包括物鏡、固定反射鏡、移動反射鏡和目鏡的顯微鏡系統7后，當移動反射鏡插入光路，它就經過透反鏡和濾光片組成的分光和/或濾光裝置8，使探測激光20與AlGaAs半導體激光器6發出的激光兩者在空間分離，再經濾光片濾去剩余的非探測激光。通過分束器9，分出部分探測激光20射向光功率計10，由其讀出的光功率來歸一測得的電光信號。透過分束器9的絕大部分探測激光20，經過云母1/4波片4和檢偏器11，使探測激光20的偏振變化轉變為光強度的變化后，再經物鏡12將其聚焦在光電探測器13上。由光電探測器13將探測激光20的光強度變化變成電信號的變化后，輸入到鎖相放大器14，直接讀出與電場強度成正比的電光信號。可調偏置電流源15是由音頻信號產生電路21、雙向限幅電路22、電壓放大電路23、緩沖放大電路24及驅動電路25組成。它可提供可調的正向直流偏置和低頻交流偏置，它們的可調范圍為0～100mA。音頻信號產生電路21為音頻信號產生器或標準信號發生器。雙向限幅電路22的作用在于避免輸入信號的突然增大造成被測AlGaAs半導體激光器6的損壞，并為其提供交變的測量電流。驅動電路25包括直流偏置調節、交流驅動加入電路及被測AlGaAs半導體激光器反向保護電路。當顯微鏡系統7中的移動反射鏡一旦移出光路，紅外攝像儀16便可監控被測AlGaAs半導體激光器6芯片中探測激光的測量位置及其它情況。
按照上述檢測方式，移動被測AlGaAs半導體激光器6，讓探測激光束在其芯片解理面上沿著X軸和Z軸方向掃描時，便測得了AlGaAs半導體激光器6芯片內的電場EZ在橫斷面上的分布。它的大小直接反映了垂直注入被測AlGaAs半導體激光器6芯片的電流大小及方向，即電流擴展和載流子限制情況。
參照圖4，橫坐標為沿芯片解理面X方向的距離，縱坐標為測量得到的電光信號。圖中右上角所示為被測AlGaAs半導體激光器6芯片的橫斷面，以及測量時探測激光20的掃描路徑。圖中所示a、b、c三條曲線，分別代表在芯片厚度方向(Z方向)三個不同部位處沿X方向掃描測量得到的電光信號，即電場強度的分布。曲線a代表靠近有源層沿X軸方向掃描得到的結果;曲線b、c代表離開有源層不同厚度處沿X軸方向掃描得到的結果。曲線a中電場強度最大的區域與有源層發光區的位置相對應。由此可見，越是遠離有源層其曲線越平坦，這表明了注入電流的擴展情況。
權利要求
1.利用連續波電光檢測技術測量半導體激光器電場分布的方法，其中包括將探測激光準直后，聚焦在具有電場分布的被測樣品上，把經過樣品中電場調制的探測激光偏振的變化，轉變為激光強度的變化，再由光電探測器變成電信號，輸入鎖相放大器讀出，用紅外攝像儀監控探測激光在樣品上的掃描測量位置，其特征在于所述樣品是處于工作狀態的半導體激光器，聚焦的探測激光在其芯片的解理面上垂直透射，其方向與被測電場方向正交，被測半導體激光器本身發出的激光經分離和/或濾去。
2.使用權利要求1所述方法而專門設計的測量裝置，其中包括激光器〔1〕、準直物鏡〔2〕、1/4波片〔4〕、聚焦物鏡〔5〕、被測樣品、檢偏器〔11〕、光電探測器〔13〕、鎖相放大器〔14〕、紅外攝像儀〔16〕，其特征在于所述被測樣品是半導體激光器〔6〕，在其與檢偏器〔11〕之間增設了一個顯微鏡系統〔7〕、一個分光和/或濾光裝置〔8〕，給被測半導體激光器〔6〕設置了一個含有正向直流偏置和低頻交流偏置使其達到閾值之上的，以及使上述低頻交流偏置信號同時分路供給鎖相放大器〔14〕的可調偏置電流源〔15〕。
3.根據權利要求2所述的測量裝置，其特征在于檢偏器〔11〕與光電探測器〔13〕之間可以增設一個聚焦物鏡〔12〕。
4.根據權利要求2或3所述的測量裝置，其特征在于準直物鏡〔2〕與1/4波片〔4〕之間可以增設一個偏振器〔3〕，使檢偏器〔11〕的偏振方向與其偏振方向正交。
5.根據權利要求2或3所述的測量裝置，其特征在于可調偏置電流源〔15〕是由音頻信號產生電路〔21〕、雙向限幅電路〔22〕、電壓放大電路〔23〕、緩沖放大電路〔24〕及驅動電路〔25〕組成。
6.根據權利要求4所述的測量裝置，其特征在于可調偏置電流源〔15〕是由音頻信號產生電路〔21〕、雙向限幅電路〔22〕、電壓放大電路〔23〕、緩沖放大電路〔24〕及驅動電路〔25〕組成。
7.根據權利要求2或3或6所述的測量裝置，其特征在于分光和/或濾光裝置〔8〕和檢偏器〔11〕之間可以設置一個使探測激光〔20〕分出射向光功率計〔10〕的分束器〔9〕。
8.根據權利要求4所述的測量裝置，其特征在于分光和/或濾光裝置〔8〕和檢偏器〔11〕之間可以設置一個使探測激光〔20〕分出射向光功率計〔10〕的分束器〔9〕。
9.根據權利要求5所述的測量裝置，其特征在于分光和/或濾光裝置〔8〕和檢偏器〔11〕之間可以設置一個使探測激光〔20〕分出射向光功率計〔10〕的分束器〔9〕。
10.根據權利要求2或3或6或8或9所述的測量裝置，其特征在于1/4波片〔4〕也可以設置在分束器〔9〕與檢偏器〔11〕之間。
全文摘要
連續波電光檢測技術測量半導體激光器場分布的方法及裝置方法特征是探測激光垂直解理面透射處于工作狀態的被測半導體激光器，其本身發出的激光經分離和/或濾去；裝置特征是半導體激光器與檢偏器間增設顯微鏡系統、分光和/或濾光裝置，給半導體激光器設置可調偏置電流源。該裝置可直接測量半導體激光器的場分布，確定其載流子限制、電流擴展特性，為設計和制作提供依據和監控。優點是非破壞、無干擾，分辨率和靈敏度高。
文檔編號G01J1/00GK1055065SQ9110129
公開日1991年10月2日 申請日期1991年2月26日 優先權日1991年2月26日
發明者朱祖華 申請人:浙江大學