可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器為什么是理想光源呢？

自從半導(dǎo)體激光器研制成功以后，波長可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器一直備受行業(yè)關(guān)注?？烧{(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器（ECDL）能夠?qū)崿F(xiàn)波長寬范圍調(diào)諧(大于100 nm)、單模輸出、大激光功率、穩(wěn)定輸出光譜、大邊模抑制比等優(yōu)良性能，并且易與光纖耦合，被廣泛應(yīng)用于白光干涉測量波分復(fù)用系統(tǒng)、光學(xué)相干斷層掃描、相干光通信、氣體檢測、原子物理實驗、原子鐘等領(lǐng)域。尤其是隨著5G和智能時代的到來，可調(diào)諧ECDL憑借其獨特的性能正成為越來越多應(yīng)用領(lǐng)域中的理想光源。

一

可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的基本原理

波長可調(diào)諧激光器的調(diào)諧原理是通過各種技術(shù)手段直接或間接改變激光器腔長，使諧振腔中諧振模式的位置發(fā)生微小移動，并通過波長選擇器件選擇出特定的波長。

可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器（ECDL）由半導(dǎo)體激光器外部引入光學(xué)反饋元件構(gòu)成，通過外部光學(xué)元件的反饋與選頻作用，大大改善了激光器的性能，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ECDL基本結(jié)構(gòu)示意圖

半導(dǎo)體激光器（激光二極管，LD）兩端面構(gòu)成的諧振腔為內(nèi)腔，LD與外腔鏡之間構(gòu)成的諧振腔稱為外腔。外腔鏡將LD部分輸出光反饋回內(nèi)腔，反饋光與內(nèi)腔光場發(fā)生相互作用，外腔鏡選擇特定的單模波長輸出激光。

清華大學(xué)柴燕杰等推導(dǎo)出了ECDL的線寬表達式，引入外腔反饋因子和Henry線寬增強因子，為了得到較窄的線寬，需增強外腔反饋因子，應(yīng)選擇長外腔長度、高衍射光柵反射率和低芯片后端面反射率。通過調(diào)整外腔鏡位置或旋轉(zhuǎn)外腔鏡等方式，改變激光器的外腔長度和外腔鏡選頻模式，使外腔鏡反饋頻率曲線和外腔頻率曲線的移動速率相匹配，得到連續(xù)無跳模可調(diào)諧的單模輸出，如圖2所示。

圖2 外腔激光器波長調(diào)諧示意圖

二

不同類別的可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器

可以作為外腔反饋元件的光學(xué)元件種類很多，常見的有衍射光柵、光纖光柵、體全息光柵、體布拉格光柵、低損耗波導(dǎo)、濾光片、F-P標(biāo)準(zhǔn)具、反射鏡、波導(dǎo)濾波器等。ECDL采用外腔反饋技術(shù)使得線寬得到極大壓窄，一般都能達到千赫茲級別。

根據(jù)諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計和外腔反饋光學(xué)元件的不同，將可調(diào)諧ECDL主要分為 衍射光柵型、光纖光柵型和波導(dǎo)型ECDL等 。表1 對比了幾種ECDL的性能參數(shù)。

Vol.1

衍射光柵型ECDL

衍射光柵ECDL通常使用Littrow或Littman兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖3(a)和(b)所示。

衍射光柵型 ECDL 的激射波長同時滿足激光器相位條件公式和光柵方程:

式中，λ為激射波長，L為外腔激光器腔長，q為模式數(shù)，d為光柵常數(shù)，θ為入射角(與一級衍射角相等)

Littrow結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)衍射光柵，Littman結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)反射鏡，同時改變光柵的一級衍射角和外腔腔長進行選模，實現(xiàn)激光調(diào)諧。

(a) Littrow-ECDL

(b) Littman-ECDL

圖3 衍射光柵ECDL結(jié)構(gòu)示意圖

（1）Littrow型外腔半導(dǎo)體激光器

Littrow結(jié)構(gòu)一般由LD增益芯片、準(zhǔn)直透鏡和衍射光柵組成，增益芯片前端面出射激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直光束后進入衍射光柵發(fā)生衍射，一級衍射光沿原光路返回至增益芯片，激光從光柵零級衍射方端面反射率。通過調(diào)整外腔鏡位置或旋轉(zhuǎn)外腔鏡等方式，改向或芯片后端面輸出。

Littrow型外腔半導(dǎo)體激光器（Littrow-ECDL）具有窄線寬、寬調(diào)諧范圍、結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大等優(yōu)點。科研人員對其進行了不少的研究，如使用鋯鈦酸鉛鑭陶瓷（PLZT）電光偏轉(zhuǎn)器作為波長可調(diào)諧元件構(gòu)成的穩(wěn)定可調(diào)諧Littrow-ECDL、基于衍射光柵的二階Littrow-ECDL、采用普通的商用LD構(gòu)建Littrow-ECDL、使用SAF增益芯片和衍射閃耀光柵構(gòu)成 Littrow-ECDL、雙波長Littrow-ECDL、基于GaN LD的Littrow- ECDL、使用反射全息光柵構(gòu)建藍光Littrow-ECDL等，擴大了波長調(diào)諧范圍，進一步抑制內(nèi)腔FP振蕩模式，提高了激光器的穩(wěn)定性和功率，實現(xiàn)了高功率藍紫色激光的輸出。

（2）Littman型外腔半導(dǎo)體激光器

Littman結(jié)構(gòu)是在Littrow結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個反射鏡，一級衍射光經(jīng)反射鏡反射發(fā)生第二次衍射，然后反饋進入增益芯片，形成諧振。經(jīng)過模式競爭，一級衍射光模式得到放大，其他振蕩模式得到抑制，激光器實現(xiàn)單模輸出。

隨著半導(dǎo)體制備工藝和光學(xué)鍍膜技術(shù)的發(fā)展Littman型外腔半導(dǎo)體激光器(Littman-ECDL)在實現(xiàn)窄線寬的同時可以獲得高激光輸出功率。隨著研究的深入，星形柔性鉸鏈調(diào)諧結(jié)構(gòu)的Littman-ECDL、MEMS-ECDL等紛紛被研制出來，提高了激光器的偏振性能，實現(xiàn)外腔激光器的小型化，尤其是基于微型Littman結(jié)構(gòu)、體全息光柵和微透射光柵三種結(jié)構(gòu)的小型可調(diào)諧 ECDL，具有輸出功率高、窄線寬、可調(diào)諧、邊模抑制比大等特點，可實現(xiàn)便攜性和手持設(shè)備操作，克服了傳統(tǒng)外腔激光器不可攜帶的缺點。

同時不可忽視的是，衍射光柵ECDL通過改變光柵角直接獲得大的調(diào)諧范圍，輸出光功率大， 但是一般采用機械調(diào)諧，調(diào)諧速度較慢， 雖然研究人員對此進行了許多改進，但是調(diào)諧速度依然僅達到幾十毫秒以上。

衍射光柵 ECDL的另一個缺點是體積較大，光路準(zhǔn)直和激光穩(wěn)定困難 ，通過結(jié)合MEMS技術(shù)來降低光路系統(tǒng)復(fù)雜性和提高穩(wěn)定性，可以制作出結(jié)構(gòu)緊湊堅固的激光器，甚至實現(xiàn)可攜帶的蝶形封裝。

Vol.2

光纖光柵型 ECDL

光纖光柵型外腔半導(dǎo)體激光器（FBG-ECDL）由LD增益芯片輸出端耦合FBG組成，如圖4所示。FBG 的功能本質(zhì)是具有窄帶高反特性的反射鏡，將布拉格反射峰帶寬內(nèi)的特定波長反饋射入增益芯片，與有源區(qū)光相互作用，增加該振蕩模式光子壽命，降低其閾值,通過模式競爭從而得到單模輸出。利用錐形光纖耦合LD和FBG可以有效減小LD端面的反射光，抑制內(nèi)腔F-P振蕩模式。

圖4 光纖光柵 ECDL結(jié)構(gòu)示意圖

隨著光纖光柵的刻寫工藝不斷成熟，F(xiàn)BG- ECDL不斷受到國內(nèi)外的關(guān)注。在單模光纖中形成FBG的單頻可調(diào)諧ECDL、FBG-FP外腔半導(dǎo)體激光器、基于增強熱敏性FBG的緊湊無跳模ECDL、集成 FBG-ECDL等技術(shù)相繼推出，在波長調(diào)諧范圍、輸出功率、相位和頻率的噪聲和抑制等方面都得到了較大提升。FBG-ECDL通常使用機械、溫度、電流等方式拉伸FBG以實現(xiàn)波長的調(diào)諧。

光纖光柵 ECDL雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、波長穩(wěn)定性和可控性好、易與光纖耦合的特點，常被應(yīng)用在許多光纖通信和傳感系統(tǒng)中，但是 激光器的調(diào)諧范圍僅有幾納米，這也是在其他應(yīng)用領(lǐng)域沒有得到廣泛應(yīng)用的最大限制因素 。

Vol.3

波導(dǎo)型ECDL

得益于硅基光子技術(shù)的發(fā)展，加上波導(dǎo)ECDL具有外腔的窄線寬和寬調(diào)諧范圍特性，同時具備單片集成激光器的低損耗、高集成度和高可靠性的特點，近年來受到了人們的廣泛關(guān)注。相繼出現(xiàn)了硅基波導(dǎo)ECDL、雙環(huán)諧振器（MRR）硅基波導(dǎo)ECDL、硅基混合MRR可調(diào)諧ECDL、單片集成 ECDL、Mach-Zehnder干涉儀（MZI）集成ECDL、InP-RSOA和Si3N4外腔波導(dǎo)集成的ECDL、低損耗氮化硅單環(huán)形波導(dǎo)的緊湊型窄線寬ECDL等技術(shù)。

波導(dǎo)型可調(diào)諧ECDL通常由半導(dǎo)體光放大器（SOA）和集成光子芯片外腔耦合組成，SOA提供增益放大，集成光子芯片外腔負(fù)責(zé)波長選擇，圖5給出了硅基波導(dǎo)的ECDL的典型結(jié)構(gòu)。

圖5 雙MRR的硅基波導(dǎo)ECDL結(jié)構(gòu)示意圖

SOA耦合到硅基線波導(dǎo)的光波通過兩個微環(huán)諧振器（MRR）發(fā)生濾波，其原理是設(shè)置兩個 MRR的半徑略微不同，自由光譜范圍（FSR）也不同：

其中，λ為激光波長，r為 MRR半徑，neff 為MRR硅波導(dǎo)有效折射率。兩個MRR的透射光譜相互疊加，相互匹配峰的波長通過模式競爭決定激射波長，通過熱光效應(yīng)，調(diào)節(jié)Pt加熱器，MRR的FSR發(fā)生變化，導(dǎo)致傳輸峰移動，然后通過游標(biāo)效應(yīng)，可以在寬范圍內(nèi)進行波長調(diào)諧（如圖6所示）。

圖6 雙MRR的波長調(diào)諧工作原理

硅基波導(dǎo)ECDL因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)、封裝一體化、體積小等優(yōu)良特性，在實現(xiàn)窄線寬的同時具有寬的調(diào)諧范圍，且MRR的FSR可以設(shè)置為WDM系統(tǒng)中ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的波長間隔,被認(rèn)為是未來WDM系統(tǒng)的最佳選擇。

目前硅基波導(dǎo)ECDL 的技術(shù)難點是如何提高耦合效率和降低耦合處反射率。 另外，熱光效應(yīng)調(diào)諧過程中的熱積累和消散需要一定的時間，影響了高速調(diào)諧，如何進一步提高調(diào)制速度是一大挑戰(zhàn)。

除了硅基波導(dǎo)ECDL外，長/短腔體全息光柵(VHG)ECDL、雙光纖環(huán)的 DBR-ECDL、反饋量可調(diào)諧的雙濾光片ECDL也是近些年受關(guān)注比較多的波導(dǎo)型ECDL。

三

小 結(jié)

可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器正朝著窄線寬、寬調(diào)諧范圍、高輸出功率等方向發(fā)展。通過新材料（光學(xué)反饋元件、半導(dǎo)體激光器）的選擇、新的外腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及主動穩(wěn)頻等技術(shù)來改善激光器的光譜質(zhì)量，滿足各種應(yīng)用的要求，實現(xiàn)體積小、線寬窄、調(diào)諧范圍寬、無模式跳變、掃描頻率快、頻率和波長穩(wěn)定、相位和頻率噪聲低，以及與光纖耦合的高性能激光器，在未來光通信和精密測量等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)對可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的研究正逐漸向國際先進水平靠攏，但在產(chǎn)品化和封裝技術(shù)方面還有一定的差距，如何實現(xiàn)激光器產(chǎn)品化、小型化、集成化、封裝化和提高制作生產(chǎn)工藝是今后的重點研究方向。