ECL外腔半导体

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1、激光器工作需要两个要素：（1）主动增益介质放大光学信号，和（2）反馈机制，以提供持续的激光振荡。 在法布里-珀罗激光器中，两个反射镜的反射系数分别是r和r （功率反射率R =匚和R =匚），给光场 1 2 11 2 2提供反馈，如图1所示。LMirror 2Miiror 1vT利在）Output 1A応Output 27图1：法布里-珀罗激光器结构公式1：光场的往返增益其中g和a分别是增益和内损耗系数,i相位条件的结果为：公式2：振幅条件公式3：相位条件 其中a定义为镜面损耗，N是整数下标，代表模式数。m在半导体（二极管）激光器中，增益介质是通过向正向偏置二极管的结区域注入电流来激发的。半导体

2、激 光器的人工量子阱结区内的高浓度电子和空穴使产生实现光学增益所需的粒子数反转成为可能。当增益介质是半导体材料时，可以通过芯片的两个解理面之间的菲涅耳反射建立法布里-珀罗谐振腔。结区 实际上是一个波导，从一个面延伸到另一面。一个垂直于波导的未镀膜的解理面的反射率R大约为30%。 然而，器件的最大输出功率可以通过对端面镀膜，改变端面的反射率来进行优化。法布里-珀罗激光二极管 的最大功率通常是通过在后端面镀高反（HR）膜，在前端面镀低反（LR）膜得到的。法布里-珀罗激光二极管器件的发射谱将依赖于注入电流。当偏置小于阈值时g a，根据相位公式定义，i发射谱包含一系列的峰，这些峰对应法布里-珀罗腔的纵

3、模。不断增加注入电流，直到满足g = a + a,才im会产生激光。激光波长是由第一个满足阈值条件的纵模决定的。输出光谱并不总是压缩为单一的辐射波长， 也可是纵模组成的窄带光谱。图2：法布里-珀罗激光器增益曲线这对基于InP的法布里-珀罗激光器尤其有效，通常它的光学带宽为5到10纳米。基于GaAs的器件能工 作在单纵模模式，但这取决于波长和输出功率，通常它们的输出带宽小于2纳米。典型的850纳米激光二极管的腔长在300微米左右，群折射率在4左右，其纵模间隔将为0.3纳米，这与 1毫米长的1550纳米激光二极管相似。改变谐振腔的长度或者折射率，比如通过对激光二极管加热或制冷， 将会移动整个模式梳

4、，相应地移动了输出波长。激光器线宽半导体激光器的单纵模激射线宽（FWHM）由修正的Schawlow和Townes公式定义，公式中加入了 Henry 线宽增强因子a 1：H1 + 0；）乂二加v； d+丿护V*吧公式 4： Schawlow-Townes-Henry 激光线宽其中hv是光子能量，v是群速度，n是粒子数反转因子，P是单面输出功率。这个公式描述了相位和振 gspout幅波动引起的激光线宽的光谱展宽，光谱展宽是由对相干激射模式不可避免的自发发射光子引起的。这些 所谓的量子噪声波动定义了激光线宽的下限，而这种微小的波动可能会被机械/声音变化或者热变化引起的 更大的波动所掩盖。增加谐振腔的

5、长度将会减小a （见公式2）,从而减小线宽。这可以通过量子噪声极限线宽理解（见公式 m4），量子噪声极限线宽与激射模式中的自发辐射光子数成正比。增加谐振腔的长度既减少了的自发辐射光 子数（通过减少每个纵模的冷腔光谱宽度），又增加了谐振腔中的总光子数，实现固定输出功率。这就 是为何Schallow-Townes公式中谐振腔长度项出现两次的原因。腔长为0.3毫米的单频分布式反馈（DFB）二极管激光器的将通常具有1MHz到10MHz的发射线宽。举例 来说，如果把腔长增加到3厘米，将会使发射线宽变窄超过100倍。已有报导2显示腔长增加的半导体激 光器的发射线宽可降低至单波长工作和调谐对于许多应用，我们

6、希望得到单纵模（单频）激光，能够调节激光波长，或者两点都能满足。为了满足这 种需求，可在半导体激光器芯片的外部加入波长选择反馈元件，用于选择激射波长。为了实现这种外腔激 光器（ECL）的正确工作，需要抑制半导体芯片法布里-珀罗腔产生的本征光学反馈，从而使它不会干扰外 部反馈。通过在芯片的一个端面镀光学减增透膜（AR）,可以减少增益芯片的法布里-珀罗腔效应。Mirrork30%R 0-1%图3：基于增益芯片的外腔运行在最小值时，芯片端面反射（R）应该比外部反馈（R ）小20 dB；也就是，R 0级衍射，衍射光栅将会再 空间上分离同一级衍射光中的不同波长成分，因为衍射角e与波长有关。一旦增益芯片的

7、光谱成分被空间 分离，可以通过很多方法来选择被反射回增益介质的特定光波长。Littrow谐振腔ECL结构最简单的方法之一就是使用Littrow结构，此时衍射光栅的朝向是固定的，所以一级衍射沿入射光方向原路 返回到增益芯片中（即上述的公式（5）中e = e）：nA=2dQsinO）公式6：光栅公式，Litt row结构激光器的输出功率可以从光栅的零级反射光得到，通常采用这种方法，因为这种方法构建ECL所需的光学 元件最少（只需要一个准直透镜和一个衍射光栅）。波长调谐是通过旋转衍射光栅实现的，旋转光栅改变反射回波导的光波长。当选定衍射光栅（光栅常数）、 准直透镜和腔长后，在波导的接收角范围内，只有

8、一个纵模被反射回增益芯片，外腔激光器将产生单频激 光光谱。注意准直透镜的选择非常重要，因为准直透镜会影响照射到光栅上的面积，也会影响耦合进半导 体增益芯片的聚焦点尺寸。这种结构的一个缺点是零级输出光的角度随波长的变化而变化。然而，如果ECL 输出是从SAF增益芯片的垂直面出射的话，这个问题就可以避免。在这个结构中，SAF垂直面的反射率通 常会减少到R 10%，并选择对所用的衍射级有效衍射的光栅，从而使ECL的输出功率最大。图5： Littrow外腔激光器Littman-Metcalf ECL 结构另一种常用的ECL实现方法是Littman-Metcalf结构,该结构使用额外的可调节反射镜来选择

9、反馈波长5。 相比前一种结构，Littman-Metcalf结构中入射角增加，并在光栅上发生两次衍射，从而使外腔具有更好的 波长选择性。正因如此，Littman-Metcalf ECL的输出光束的线宽通常比类似的Littrow结构的线宽更窄。在 Littma n-Metcalf结构中，激光的输出光束通常是衍射光栅的零级反射，这是因为当波长调谐时，传输方向 保持不变。在这种情况下，为了使ECL内的损耗最小，在SAF的垂直面上镀上高反（HR）膜，一般90%, 使输出功率最大。图6: Littman-Metcalf外腔激光器对于一些应用，可能还是会希望使用SAF芯片的垂直面作为激光器的耦合输出器。对于这些应用，需要SAF 芯片垂直面镀低反射率膜，来使激光器的输出功率最大。Littman-Metcalf设计的一个缺点是其内部损耗要高于Littrow结构，所以通常激光器的输出功率也较低。其 内部损耗增加主要是因为从转向镜反射的零级光束的损耗，以及当用于大角度反射光时，光栅的效率降低 引起的损耗增加。创新的ECL设计SAF芯片的创新设计非常适合用于外腔激光器，因为它几乎消除了来自增益芯片腔内端面的有害反馈。Thorlabs提供在垂直面上镀低反膜和高反膜的SAF芯片，以支持各种各样的外腔结构。关于自定义镀膜来 优化特殊外腔激光器结构的性能的信息，请联系技术支持