太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)是用于实现自混合干涉的半导体激光器。利用自混合干涉效应,实验测量了THz-QCL频谱、线宽增强因子以及反馈光耦合系数。搭建了THz-QCL自混合干涉光路,基于THz-QCL驱动电压,获得了具有高信噪比的自混合干涉信号及其随反馈光光程变化的曲线。通过对自混合干涉信号进行解析,准确获得了THz-QCL在不同工作电流和温度下的激射频谱,频谱的分辨率反比于反馈光光程的变化。基于自混合干涉信号,分析得到了THz-QCL的线宽增强因子以及反馈光耦合系数。所实现的自混合干涉测量技术有望发展为物质的太赫兹频谱识别和测量技术。

利用气源分子束外延技术生长InAs/GaAs量子点激光器材料, 制作了由5层量子点组成的500 μm腔长的激光器。首次使用增益拟合和波长加权的方法计算了激光器的线宽展宽因子。其中, 增益拟合是对Hakki-Paoli方法计算增益的重要补充, 对判断不同电流下的增益是否饱和具有重要作用。对最大模式增益求导数, 当电流为50 mA时, 差分增益最大值为1.33 cm-1/mA, 然后迅速减小到0.34 cm-1/mA, 此时电流为57 mA (≈0.99Ith)。第一次使用加权波长来计算中心波长的移动, 发现Δλ慢慢减小直至接近于0。整个计算方法避免了在直接选取数据点时造成的误差, 线宽展宽因子计算值为0.12~2.75。

采用解析方法，在考虑材料损耗和色散的情况下，详细研究了无啁啾高斯脉冲和啁啾高斯脉冲在半导体光放大器中传输的物理过程，分析了强度增益、脉冲宽度和频率啁啾与线宽增强因子、色散系数、小信号增益特征参数及初始啁啾之间的关系。结果表明：当输入变换极限的高斯脉冲时，色散会引起增益压缩，脉冲展宽和频率啁啾；同样情况下，线宽增强因子越大，脉宽加宽越明显，输出脉冲啁啾越大，且随着线宽增强因子的增大，输出脉冲啁啾极大值向特征参数值较小的一边移动。当输入啁啾高斯脉冲时，初始脉冲啁啾越大，增益压缩越明显，啁啾系数为正时，脉冲单纯展宽，输出啁啾随特征参数的增大而逐渐减小，啁啾系数为负时，初始啁啾与群速度色散导致的啁啾相互竞争，致使脉冲先被压缩后被展宽；脉冲最窄处对应的特征参数随线宽增强因子的增大而先增大后减小，输出啁啾随特征参数的增大而经历振荡后趋于平稳。

线宽增强因子是影响半导体激光器输出特性的一个重要参量，不同材料不同结构类型的半导体激光器的线宽增强因子有较大的差异.利用光注入半导体激光器的单模速率方程模型，数值研究了线宽增强因子对外光注入半导体激光器的非线性单周期振荡特性的影响.结果表明：外光注入半导体激光器的动态特性对线宽增强因子的变化极为敏感，随着线宽增强因子的增加，在负失谐注入范围内单周期振荡区域显著增大，同时注入锁定的稳态输出被大大抑制.分析了线宽增强因子对非线性单周期振荡光谱特性和振荡频率的影响，结果表明：随着半导体激光器线宽增强因子的增大，单周期振荡的频率越大；当线宽增强因子不变时，单周期振荡的频率随注入光强度和频率失谐的增加而增加.

本文利用简单模型综合考虑了带间跃迁、自由载流子吸收和带隙收缩对半导体激光器线宽展宽因子的影响，给出了半导体激光器线宽展宽因子的一种较为简便的计算方法.首先从理论上推导出线宽展宽因子的计算公式，分析并计算了GaAs半导体激光器的增益特性，并使用MATLAB软件中的Mupad工具包求解费米积分的数值解.然后根据得到的增益拟合曲线峰值的变化计算了带间跃迁对线宽展宽因子的影响.最后，分别讨论和计算了自由载流子吸收和带隙收缩对线宽展宽因子的影响.结果表明，带间跃迁和带隙收缩对线宽展宽因子的影响较大(α因子值分别为22.562，-6.853)，而自由载流子吸收对线宽展宽因子的影响较小(只有-0.605).

为了提高对称折叠算法的精度,通过对仿真信号的测量,分析了影响算法精度的几种因素(光反馈水平因子,外腔的非线性运动,抽样速率和转折点的定位),并且给出了改进方法。仿真结果表明,在测量线宽展宽因子之前,需保证光反馈水平因子的准确测量,利用中间干涉条纹进行测量可以减少外腔非线性运动所带来的误差。这一结论对利用对称折叠算法处理实验信号有一定的帮助。

光反馈自混合干涉技术是一种新出现的有别于传统双光束干涉的测试技术。文章基于此技术对半导体激光器进行线宽展宽因数的测量，以激光器HL7851G为对象进行了大量的实验，实验结果与线宽测量法基本一致，相对误差只有3.22%。相比线宽测量法，光反馈自混合法具有成本低、精度高的优点，是一种更加简洁有效的测量方法。

为了精确估计带外腔半导体激光器的线宽展宽因数，采用了光反馈自混合技术和梯度最优算法，可以达到数据－理论的最佳拟合，同时提出了改进的梯度迭代公式，并在参量迭代时引入可变步长，取得了仿真和实验数据。该算法不仅测量精度较高，而且抗噪声性能较好。仿真结果表明，当信噪比大于20dB时，线宽展宽因数的相对标准差小于2．55%。实验数据处理结果表明，线宽展宽因数的相对标准差小于5．1%，对半导体激光器的应用是有帮助的。

为了提高参数估计的精确度，根据光反馈自混合干涉信号的特点，采用对原始光反馈自混合实验信号进行滤波和归一化等预处理方法，有效地滤除了噪声，使信号平坦化，而且预处理后的实验信号与理论模型仿真数据更加吻合。分别利用原始实验信号和预处理后的信号对参数进行估计，比对结果表明，使用预处理后的光反馈自混合信号进行参数估计，线宽展宽因数和光反馈水平因子C的测量精度分别提高了5．52%和4．55%。

介绍了光反馈自混合干涉(OFSMI)法测量半导体激光器线宽展宽因数(LEF)的基本原理。针对不同参数条件, 分析了该测量方法的理论误差, 找出了最佳测量条件和最佳测量条纹位置。并根据光反馈自混合干涉信号特点, 设计了一个自动测量算法。该算法可以自动识别提取一个振动周期内的光反馈自混合干涉信号所有特征值, 采用最佳测量条纹位置所对应的特征值, 就可以精确得到线宽展宽因数。仿真数据验证了自动测量算法的正确性。实验结果表明, 自动测量算法在实际数据处理时测量参数的精确度较好, 当自混合信号的峰-峰值为1.75 V时, 线宽展宽因数的相对标准差只有3.26%。