窄线宽半导体激光器件.doc

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1、维普资讯 http:/www.cqvip.第36卷第2期红外与激光工程2007年4月vl.36 No.2Infrared and Laser EngineeringApr. 2007窄线宽半导体激光器件 罗毅，黄缙，孙长征(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室，北京100084)摘要：分布反馈半导体激光器的线宽一般较大，难以满足光纤传感等领域的要求。根据C.H. Henry于1982年提出的半导体激光器的线宽理论，通过适当设计DFB半导体激光器的腔长、耦合系 数、微分增益、光限制因子，能有效地减小激光器的线宽。同时，空间烧孔现象也可限制DFB半导体激 光器的线宽，为此需要合理设计光栅结

2、构。在此基础上，DFB激光器的线宽能达到几十千赫兹的量 级。此外，采用DBR结构或者外腔结构，也可以获得相当窄的线宽。关键词.窄线宽；DFB激光器；DBR激光器；外腔激光器中图分类号：TN248.4文献标识码：A文章编号：1007-2276(2007)02-0147-05Narrow linewidth semiconductor laser diodesLUO Yi, HUANG Jin, SUN Chang-zheng(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Department of Electronic Engineeri

3、ng, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The linewidth of distributed feedback (DFB) semiconductor lasers is usually too wide to meet the requirement of fiber-optic sensing. According to the linewidth theory of semiconductor lasers proposed by C. H. Henry in 1982, reduced linewidth c

4、an be obtained with proper design of key parameters of a DFB laser, such as cavity length, coupling coefficient, differential gain and optical confinement factor. Meanwhile, spatial-hole-burning is also detrimental to linewidth-narrowing, and special care must be paid to grating structure design to

5、achieve narrow linewidth. By taking the above issues into consideration, DFB semiconductor lasers with a linewidth of 10-kHz have been demonstrated. In addition, ultra-narrow linewidth can be also realized by adopting DBR structure or external cavity structure.Key words: Narrow linewidth; DFB lasers

6、; DBR lasers; External cavity lasers引言半导体激光器由于具有电光直接转换、体积小、 寿命长等优点，已经广泛应用于许多领域，然而其线 宽通常比较大，例如分布反馈(DFB)半导体激光器的 线宽在兆赫兹量级。而光纤传感等领域对光信号的相 干性要求很高，需要几十千赫兹的量级1_3。最近20 多年来，如何减小半导体激光器的线宽，尤其是减小 DFB激光器的线宽成为研究的热点。此外，利用DBR 激光器和外腔激光器等来实现窄线宽也是一个重要 的研究方向。文中首先介绍半导体激光器的线宽理论，然后根 据这一理论，分析影响DFB激光器线宽的因素和减 小线宽的手段，并介绍相应的研究

7、成果。最后简要地 介绍DBR结构和外腔结构在实现窄线宽中的应用。1影响半导体激光器线宽的因素以及窄线宽 DFB激光器的研究进展对于激光器来说，受激辐射占据支配地位,但不可 避免地存在自发辐射。这会造成频率噪声，使激光频谱 发生展宽。对于气体、固体等类型的激光器，其线宽可收稿日期：2006-08-25;修订日期：2006-09-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（60536020);国家重点基础研究发展计划“973”资助项目（2006CB302801)作者简介：罗毅（I960-),男，四川资阳人，教授，主要从事半导体光电子学的教学与科研工作。Email:lUOytSinghUa.eduxn第

8、36卷红外与激光工程. 0987654 3 7-ZH5/-p-$=n以由Schawlow-Townes公式进行描述，但是人们发现 半导体激光器线宽的测量值比Schawlow-Townes公式 给出的估算值大了 50倍。1982年，C. H. Henry指出 自发辐射会随机地造成光场相位和强度的改变，为恢 复稳态场强，激光器将经历一段弛豫振荡，产生一个净 的增益变化：A 沙)=(-2w/c)A(1)式中：An(f)是折射率虚部相对于稳态值的变化，是由载 流子浓度的变化引起的。载流子浓度的变化同时也会造 成折射率实部的变化，从而导致光场的附加相移，引 起激光器线宽展宽。Henry引人了线宽展宽因子

9、：dn/dN _ 4,71 Anm dn/dN a dN式中:iV为载流子浓度;a为微分增益;人是真空中波长。 在考虑线宽展宽因子的影响后，半导体激光器的线宽为：Av=Hl+a2)(3)式中：二为光限制因子；为自发辐射速率；鸠为光 子密度。公式(3)中，是只考虑自发辐射时 激光器的线宽。即，由于载流子浓度涨落的影响，半导体激光器的线宽展宽了 (1+2)倍。为便于分析，公式 (3)还可以进一步写为3i:Av=yX(1+a2)(4)式中：vg是群速度；是自发辐射因子；弘是腔内损耗 (包括吸收、衍射、散射等）；是谐振腔损耗；A是输 出光功率。该式称为修正的Schawlow-Townes公式。 Hen

10、ry的理论很好地解释了早期人们观测到的半导体 激光器线宽与Schawlow-Townes公式的矛盾。下面根据修正的Schawlow -Townes公式，对影响 DFB半导体激光器线宽的各种因素进行分析。1.1输出光功率线宽Av与输出光功率P。成反比，当光功率增加 时，自发辐射的比例降低，于是线宽减小。但当输出功 率不断增加时，由多种非线性因素导致的模式竞争会 加剧，从而增大了线宽。因此，不可能无限制地通过增 加光功率来减小线宽。1.2谐振腔损耗与腔内损耗减小谐振腔损耗和腔内损耗Oi都可以减小 线宽Av。F-P腔激光器的谐振腔损耗为：ccm=(l/L)ln(im(5)式中:L是激光器腔长;是端面

11、反射率。由公式(4)可知，Av是L的减函数，增加L可以减小Av。对于DFB 激光器来说，通常要在两个端面上镀抗反膜，因此不 存在真正意义上的端面反射。一般用耦合系数k来表 征DFB激光器中分布反馈的强弱，增大k就可以减 小tm，进而减小Av。K. Kojima等人分析指出，忽略DFB激光器的端面反射，在归一化耦合系数kL1的 情况下，Av与WL3成反比w。20世纪80年代，人们研究的重点是通过增加 DFB激光器的腔长和耦合系数来减小线宽。K.-Y. Liou等人制作了不同腔长的1.3 jjim InGaAsP掩埋异 质结DFB激光器，并测量了它们在不同功率下的线 宽如图1所示。1 /P/ mW

12、 1图1不同腔长DFB激光器（实线）在不同功率下的线宽 与波长失谐DFB激光器（虚线）Fig.l Measured linewidths vs inverse output power for DFB lasers with various cavity lengths (solid lines) and for a wavelength detuned DFB lasers (dashed line)可以看出线宽基本上与功率P成反比，并随腔长 的增加而减小。腔长250 jjim的激光器（a)在lmW 下的线宽约为150 MHz，而腔长780 jjim的激光器(d) 在6 mW下线宽减小到了

13、3 MHz。腔内损耗包括由于材料的吸收、衍射、散射等造 成的损耗，一般难以通过DFB激光器结构设计的改 变来减小。1.3线宽展宽因子线宽展宽因子是半导体激光器的特有参数，减 小可以有效地减小线宽。由公式(2)可知，提高微分 增益a能减小a。多量子阱激光器由于有较大的i因 而a较小，典型值为2 5,而体材料半导体激光器的 a为5 10。随着材料生长技术的进步，目前多量子 阱激光器已经得到了广泛的应用。在多量子阱激光器中引人增益耦合，可以使线宽 展宽因子进一步减小。R. Schreiner等人报道了一个 1.55 jjim 混合耦合 DFB (Complex Coupled DFB，CC-第2期罗

14、毅等：窄线宽半导体激光器件149DFB)激光器61，如图2所不。激光器腔长为375 pm,InP: pInGaAsP (2)(x-=l. 32 nm-RT)S MW InGaAsP compressive,InGaAsP (1)U:l.()5 nm,RT)InP: n图2 CODFB激光器有源区的结构Fig.2 Schematic diagram of the active layer of the CC-DFB laser有源区为8层1.2%压应变的InGaAsP量子阱，其平 均折射率为。制作光栅时，用低损伤的干法刻蚀部 分去除顶部4层量子阱，然后用MOVPE生长上一层 折射率为2的InGa

15、AsP覆盖层，且叱。由此形成 的折射率的耦合与增益的耦合是反相的，即折射率大 的地方增益小，折射率小的地方增益大。据测量，该激 光器的归一化耦合系数为1.4S,输出光功率为4 mW 时，线宽约为250 kHz,线宽-功率积为1 MHz*mW, 如图3所示。600l/P/mW 图3线宽测量结果Fig.3 Measured linewidths激光器工作波长的设定对于微分增益也有一定 影响。如果通过设计DFB激光器光栅的周期，使工作 波长往短波长方向偏离增益谱的峰值，那么微分增益 会变大，线宽随之减小51。在图1中，虚线(e)是一个腔 长250 pm、工作波长向短波长方向失谐15 nm的 DFB激

16、光器的测量结果，其线宽大约是无失谐时(a) 的1/4。据计算，激光器(e)和(幻的a分别为2.6和6。理论上,采用更高维的量子限制可以实现更高的微 分增益，从而进一步减小线宽展宽因子，但由于制作工 艺还不成熟,量子线、量子点激光器还处于研究阶段。1.4光限制因子由公式(4)可知，减小光限制因子，可以减小激 光器的线宽。Y. Inaba等人首次在实验上验证了这一 点7。他们在工作波长为1.3的增益耦合InGaAsP多量子阱激光器通过改变量子阱的层数和P型分别 限制层的厚度来调节光限制因子rw。当减小为 0.4%时，输出光功率60 mW下可以获得74 kHz的线 宽，相应的线宽-功率积约为3MHm

17、W。这是目前 报道的线宽最窄的增益耦合DFB激光器，也是 线宽最窄的1.3半导体激光器。1.S光栅结构虽然理论上，提高耦合系数k可以减小线宽，但K 过大，也将引起空间烧孔，造成模式竞争加剧，导致线 宽展宽，而且还会减小激光器的外量子效率，不利于大 功率工作，因此必须在制作器件时，适当控制光栅深 度，以使归一化耦合系数适中。根据这一结论，H. Bissessur等人于1992年报道了一个腔长1 450 (JLm的 InGaAsP应变量子阱DFB激光器该激光器的光栅结 构均匀，没有加人任何相移。通过适当控制光栅深度， 使约为20 cnr1。当输出光功率为10 mW时，其线宽 达到了 70 kHz,

18、线宽-功率积为0.2 MHz.mW,这是目 前均匀光栅DFB激光器达到的最窄线宽。由于折射率耦合DFB激光器可能会出现双模工 作，通常需要对光栅结构进行一些特殊的设计，以增大 不同模式之间的阈值增益差。最常用的方法是引人A/4 相移，也可以在光栅中加人多处相位突变，即多相移 (Multiple-Phase3hift,MPS)DFB 激光器但这些方法的 缺点是，在相位突变处有一个光场强度的峰值,加剧了 空间烧孔现象。M.Okai等人提出了周期调制光栅 (Corrugation -Pitch -Modulated Grating，CPM Grating)结 构，有效地抑制了大功率工作时DFB激光器

19、谐振腔中 的空间烧孔效应。众所周知,A/4相移光栅是在光栅的 某一点处引人tt相位的突变，而CPM光栅中，A/4相移 是通过一段长度为Lp、周期较大的光栅而逐渐获得的。 Lp越大,CPM光栅对空间烧孔现象的抑制效果越好，但 是b过大不利于稳定的单模工作，因此需要优化b与 腔长L之比的大小。图4为CPM-DFB激光器的结构示 意图。该激光器腔长为1 200优化至0.3,kL约为3.5,工作波长在1 550 nm附近。对于晶格匹配多量 子阱材料的CPM-DFB激光器，在输出光功率为25 mW 时,线宽为56 kHz,如图5所示。同时，他们还制作了采用 1.0%压应变量子阱作为有源层的CPM-DFB

20、激光器，在 输出光功率为55 mW时，线宽达到了 3.6 kHz，其最小线 宽为2 kHz,相应的线宽-功率积为140 kHz.mW。这是 目前报道的DFB激光器中线宽最窄的。p-electrode红外与激光工程第36卷+1.0% strained InGaAs well (3. 5 nrtixS)200InGaAsPn InP?p- InP?n InPn electrodeNHV-p!?o=np InGaAsP n-InGaAsP-:InGaAsP barrier ；(8 nm,/p=l. 17 fimK,，241. 08 nmk、?41. 00 nm360 nm Phase-arrangi

21、ng region图4 MQWCPM-DFB激光器结构示意图Fig-4 Schematic diagram of the MQW-CPM-DFB laser图5晶格匹配和1.0%压应变时线宽的测量结果 Fig.5 Measured linewidths for a lattice-matched laser and a 1.0% strained laser2其他窄线宽激光器件2.1 DBR激光器大功率工作时的空间烧孔是限制DFB激光器线 宽的一个重要因素，而DBR激光器的反射区位于有源 区之外，空间烧孔的影响要小得多。1996年，G.M. Smith等人报道了采用非对称覆盖层结构的InGaA

22、s- GaAs脊波导DBR激光器。他们采用一次外延，利用 电子束曝光和干法刻蚀制作出二级光栅，最后用湿法 腐蚀制作出脊波导。如图6所示，该激光器的增益区长 500 fjLm，DBR 区长 120 fjum,工作波长在 |1 010 nm 附 近。输出光取解理面一侧，测量结果如图V所示，输出 光功率为24 mW时，线宽最小值达到39 kHz。Wgainf ABRAIGaAs: piniiiiiiiuuuiAlGaAs: nKInCiaAs-GaAs active layerGaAs: n图6非对称覆盖层结构的脊波导DBR激光器的结构示意图 Fig.6 Schematic diagram of t

23、he asymmetric cladding ridge waveguide DBR lasero o o o o o641210WmrIe041图7线宽测量结果Fig. 7 Measured line widths2.2外腔激光器将普通的F-P激光器的一端或两端镀上抗反膜, 然后耦合到外反射镜或者光栅上，就构成了一个外 腔激光器。如果F-P激光器内的损耗为，其长度为 而整个外腔激光器的腔长为L，忽略掉有源部分 以外光程中的损耗，则整个外腔的腔内平均损耗为:ai=ai.LJL(6)即，采用外腔结构可以减小腔内损耗根据公式(4) 可知，激光器的线宽随之减小。由于光栅具有窄带滤 波作用，有利于选择

24、单个纵向模式，因此光栅型外腔 激光器经常用于窄线宽的实现。3结论分析了影响DFB半导体激光器线宽的因素，并 讨论了减小该激光器线宽的途径。通过增加腔长、控 制光栅的耦合系数、引人增益耦合、提高微分增益、减 小光限制因子、合理设计光栅结构等手段，可以获得 具有几十千赫兹量级或者更小线宽的DFB激光器。 此外，还对采用DBR结构及外腔结构获得窄线宽的 方案进行了简要的讨论。参考文献：1 KOJIMA K, KYUMA K, NAKAMURA T.Analysis of the spectral linewidth of distributed feedback laser diodes J. Jo

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26、Zhen wu, HU Zhao -yang,Ma Xin al.Study of light source for resonant integrated optical rotation sensor J. Infrared and Laser Engineering(潘珍吾，胡朝阳，马新宇，等.谐振式 集成光学角速率传感器光源的研究.红外与激光工程2000, 第2期罗毅等：窄线宽半导体激光器件15129(3): 56-59.HENRY C H. Theory of the llnewidth of semiconductor lasers J. IEEE Journal Of Quant

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31、mmetric cladding InGaAs -GaAs ridge waveguide distributed Bragg reflector lasers J. IEEE Photonics Technology Letters, 1996, 8(4): 476-478.“2007年光电探测与制导技术的发展与应用研讨会”征文通知随着精确制导武器在现代化战争中的地位不断提高，光电探测与制导技术的研发与应用也越来越受到关 注。鉴于此形势，中国宇航学会光电技术专业委员会拟定于2007年10月在湖南省长沙市召开“光电探测与制 导技术的发展与应用研讨会”。本次会议旨在为该技术领域及相关领域的专家、

32、学者和科研人员提供一个交流 技术、谋求创新的平台，共同探讨光电探测与制导技术的最新发展。欢迎踊跃投稿。会议投稿一经录用将以红外与激光工程(EI收录）增刊的形式正式出版。征文截稿日期： 2007年7月15日。主办单位：中国宇航学会光电技术专业委员会 承办单位：中国航天科工集团第八三五八研究所精确制导自动目标识别国防科技重点实验室 协办单位：中国航天科工集团二院二部中国航天科工集团三院三部哈尔滨工业大学航天学院华中科技大学图像所中国空空导弹研究院中国航空工业第一集团洛阳电光设备研究所征文范围：光电探测与制导系统总体技术光学头罩材料与加工技术光电探测与制导信息处理技术光电探测与制导系统测试与评估、建模与仿真技术目标环境特性与大气传输、气动光学效应研究光电探测与制导技术的发展现状和趋势 光电探测与制导系统的光学设计与制造技术 光电探测与制导系统视稳定跟踪技术 目标检测、识别与跟踪技术 多模多色复合制导技术 光电对抗技术会务组联系人：刘艳吴迪李瑾王红琨联系电话：022-23669275,022-23009708,022-23009840 传 真：022-23666400，联系地址：天津市225信箱32分箱（300192)投稿邮箱：Uuyan