技術(shù)分享｜半導(dǎo)體激光器為什么需要窄線寬？

半導(dǎo)體激光器為什么需要窄線寬？

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)流量的需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，光纖通信傳輸速率得到大幅提升，其中一種提升傳輸速率的方式就是通過更高更復(fù)雜的調(diào)制格式，這對(duì)激光器的線寬要求變得更高。

此外，在光譜學(xué)、計(jì)量學(xué)和生化傳感等領(lǐng)域?qū)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/激光器">激光器的線寬提出了更高的要求。例如，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的線寬必須足夠小，從而保證在200 m以外反射回來的光也能與參考光相干。

圖1  FMCW激光雷達(dá)原理圖

半導(dǎo)體激光器的線寬是怎么來的？

關(guān)于半導(dǎo)體激光器的線寬理論大部分討論都是基于1982年C.H.Henry的文章“Theory of the  Linewidth of Semiconductor Lasers”，這篇文章較詳細(xì)的給出了影響激光器線寬的因素，提出了由場(chǎng)振幅和場(chǎng)相位耦合效應(yīng)導(dǎo)致的線寬增強(qiáng)因子。即相位和振幅會(huì)相互影響從而使線寬展寬。線寬公式如下:

式中，Vg為等效群速度，hv是激光線的能量，g是激光器的增益，nsp是自發(fā)輻射因子，alpham是端面損耗，Po是端面的輸出功率，alpha是線寬增強(qiáng)因子。

根據(jù)1982年Henry闡述的半導(dǎo)體激光器的線寬理論，激光器的線寬大致可以歸因于光場(chǎng)的相位抖動(dòng)。相位抖動(dòng)一部分來源于自發(fā)輻射引起的相位變化，另一部分來源于光強(qiáng)的變化以及載流子密度的改變引起的相位變化。自發(fā)輻射光的相位和振幅會(huì)瞬時(shí)改變；而振幅又會(huì)反過來影響相位的大小。所以，相位的改變可以認(rèn)為來自兩個(gè)方面，一是自發(fā)輻射自身相位的改變；二是振幅的改變導(dǎo)致光場(chǎng)相位的改變。

圖2 由于自發(fā)輻射導(dǎo)致的光場(chǎng)的復(fù)振幅發(fā)生的變化

上面，圖2這顯示的是由于自發(fā)輻射導(dǎo)致的光場(chǎng)的復(fù)振幅發(fā)生的變化。通過利用上圖中構(gòu)建三角形，利用三角公式可以推出來自身相位的變化（公式1），通過三角公式和速率方程可以推出振幅的改變導(dǎo)致的光場(chǎng)相位的變化（公式2）。

(1)

(2)

(3)

第一項(xiàng)是常數(shù)項(xiàng)，第二項(xiàng)是線寬展寬。洛倫茲線寬的表達(dá)式是：

tcoh相干時(shí)間可以表示為

而相位的變化可以通過（3）式積分得來

把自發(fā)輻射速率R，再用群速度、自發(fā)輻射因子、增益等替換，光強(qiáng)I用功率P來替換，得到了最后的公式：

常見的激光器壓窄線寬的方法

減小損耗和提高功率是相輝映的，根據(jù)公式來看對(duì)線寬有壓窄效果。增大光子壽命可以提高相干時(shí)間，也可以壓窄線寬。

圖3 五種壓窄線寬的方式

下面主要對(duì)外腔、增加外腔、自注入、負(fù)反饋、互注入鎖定五種方式作詳細(xì)介紹。

· 外腔

圖4 利用硅基的外腔來壓窄線寬

如圖4所示，利用硅基的外腔來壓窄線寬，最近用這樣的方法還是挺多的，因?yàn)榛旌霞傻墓に嚤辉絹碓綇V泛的用到。用硅基的外腔來做有兩個(gè)好處：一是硅基外腔損耗??；二是外腔用來增加腔長(zhǎng)；這兩個(gè)特點(diǎn)都可以用來壓窄線寬。

· 增加腔長(zhǎng)

增加腔長(zhǎng)分為增加物理腔長(zhǎng)和增加有效腔長(zhǎng)。增加腔長(zhǎng)有缺點(diǎn)，不能無限增加，因?yàn)榍婚L(zhǎng)太長(zhǎng)會(huì)使縱模間隔太近對(duì)濾波器要求變高。

物理腔長(zhǎng)就是增加腔內(nèi)波導(dǎo)的長(zhǎng)度，如圖5所示，埃因霍溫理工大學(xué)設(shè)置的物理腔長(zhǎng)增大，通過兩個(gè)由MMI以及波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)來濾波以及游標(biāo)效應(yīng)擴(kuò)大調(diào)諧范圍，上面還有一個(gè)非對(duì)稱的MZI濾波。

圖5 物理腔長(zhǎng)增大示例圖

有效腔長(zhǎng)一般是通過高Q值的環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，通過控制環(huán)與直波導(dǎo)的耦合系數(shù)可以控制有效腔長(zhǎng)，上面圖4就是增加了有效腔長(zhǎng)。

· 自注入

自注入是指激光從激光器輸出后，經(jīng)過外腔反射再次注入諧振腔中進(jìn)行進(jìn)一步的受激輻射，腔內(nèi)載流子發(fā)生改變，導(dǎo)致其他模式的增益減少，反饋模式的增益變大、強(qiáng)度增益大大提高，抑制了其他模式。它與第一種外腔方式的區(qū)別是，第一種方式的外腔是諧振腔的一部分，而這里的外腔不是。

圖6 通過外腔反饋產(chǎn)生諧振峰

如圖6所示，這里由于外腔反饋也會(huì)產(chǎn)生一些諧振峰，所以又用到兩個(gè)環(huán)產(chǎn)生的游標(biāo)效應(yīng)來抑制這些諧振峰。

· 負(fù)反饋

不需要高Q的腔，只需要一個(gè)filter。這種方法，工作點(diǎn)必須在其filter反射譜的上升沿，如圖7（b）所示。負(fù)反饋的形成如最右邊的圖，如果頻率上升，則反射率上升，DFB腔內(nèi)光子濃度增加，DFB腔內(nèi)載流子濃度下降，由于plasma效應(yīng)折射率上升，則出射頻率下降。

圖7 負(fù)反饋的形成過程

· 互注入鎖定

這種方式，如圖8所示，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)不帶隔離器的DFB、一個(gè)光衰減器、兩個(gè)1*2的功分器、兩個(gè)光隔離器組成。其中，兩個(gè)激光器之間的光纖鏈路時(shí)延為10 ns。耦合效率通過光衰減器調(diào)節(jié)，在端口1和2測(cè)量頻率噪聲。固定其中一個(gè)激光器電流，調(diào)節(jié)另一激光器電流以及耦合強(qiáng)度，來找到MIL模式。

圖8 互注入鎖定系統(tǒng)

基本上最近一些相關(guān)的論文都是用以上幾種方法實(shí)現(xiàn)壓窄線寬，大同小異，有一些不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤竭€望大家不吝指出。