分布式反馈激光器

1、关于分布式反馈激光器第1页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四目录分布式反馈激光器的相关理论 分布式反馈激光器的制造技术 分布式反馈激光器的性能特点纳米级的分布式反馈激光器 4123第2页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四分布式反馈激光器的提出：前面描述的激光器的光学反馈都是基于一对反射面的，但是在光学集成光路中，很难形成这样的反射面。有两种解决办法：可以通过刻蚀技术形成反射面，但晶片的的表面就会被破坏，使得电气连接和散热器的制造变得很困难。利用分布式反馈激光器第3页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础为了保持波前

2、的相位相干性而且避免相消干涉，光线的路程差必须为波长的整数倍。即满足：第4页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础 为了能够在激光器中通过光栅 实现180。的反射，只需要满足此时，式（15.1）变成式（15.2）（15.2）得到真空中的波长为第5页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础影响光功率的因素：波导层厚度，光栅的深度，光栅区的长度。可见，反射光功率在数学上就很复杂，可采用耦合模理论。假设光被弱耦合进入光栅中。第6页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四Yariv 4 给出了耦合系数：其中l为耦合模

3、的阶数：式子（15.5）满足（15.3）布拉格条件，布拉格反射能够发生。15.1 理论基础第7页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础对于一阶模（l=1），光被限制在z方向传播，入射波，反射波振幅为：第8页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础对于高阶模，一部分光被耦合到z轴外，如下图所示。第9页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础Scifres et al. 6 分析了高阶模的反射情况。此时，光栅周期常数为： 为了保证输出 具有相同的相位，需要满足：由几何关系可知第10页，共25页，

4、2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础对于二阶模，我们可以得到：分析：当 时，光前向传播，当 时，光后向传播，当 1 时，光波垂直于波导表面传播。见图15.4其它高阶模的分析类似。第11页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础分布式反馈产生激光光波在光栅结构中能够产生180。的反射，如果光传播的介质有光增益，分布式反馈就能产生激光，假设煤质的指数增益常数为 ：入射光和反射光的振幅为：第12页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.1 理论基础DFB激光器的振荡条件：当增益比较大时，振荡模频率可以写成：最后得到振荡

5、频率为：模式频率间隔为：在布拉格频率时无振荡产生第13页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.2 制造技术DFB激光器的光栅结构通常在波导表面掩膜，刻蚀形成。但是，在制造过程中产生的晶格损伤会降低量子效率，增大阈值电流。避免晶格损伤产生的影响：将光栅和激光器有源层分开。本章提供了三种方法。方法1：利用扩散方法1.在衬底GaAs上利用离子束刻蚀形成三阶光栅2.P区掺杂Zn3.在交界面1um下产生p-n结第14页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四方法2：利用separate connement heterojunction 结构15.2 制造技术1.注

6、入的电子被p-Ga0.83Al0.17As限制在有源层2.光子传播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面3.有源区不受晶格损伤的影响第15页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.2 制造技术方法3：利用水平耦合结构1.光通过横向和水平方向消逝场的重叠部分来提供光反馈2.耦合系数k与脊的深度有关3.发射波长为9217埃，阈值电流为11mA第16页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.2 制造技术优点：1.避免由晶格损伤产生的无辐射复合2.单端输出激光器的透射率，反射率为DBR激光器第17页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四

7、15.3 性能特点1.波长选择性：在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模。在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期 决定。当 l 阶模和 l1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。应用：波长复用技术第18页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.3 性能特点分析：从图可以看出，将光栅周期从 3450埃改变到 3476 埃时，波长有45埃的变化。第19页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.3 性能特点2.光发射线宽线宽窄

8、：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到2埃，约 50 GHz，而带有光栅结构的DFB的线宽约为50100 kHz。目前商用的DFB激光器在1.55m处的线宽小于25埃。第20页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.3 性能特点3.稳定性传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响。DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。分析：（1）波长漂移： 端面反射激光器：3.7埃/摄氏度 DFB激光器：0.8埃/摄氏度（2）阈值电流：在m

9、=0时，J端=JDFB 但J1=3J0，并且在模式转换处阈值电 流急剧增加（由增益曲线和激光模式在此温度下不匹配导致的）第21页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.3 性能特点商用DFB激光器发射波长：7302800 nm输出功率：10 - 200 mW光谱线宽：24 mHz，对特定波长可达到 100 kHz第22页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.4纳米级DFB激光器半导体空气布拉格反射激光器特点：空气和半导体的折射率差较大只需要几个条就能达到100%的反射率发射波长：1300nm 阈值电流：20mA第23页，共25页，2022年，5月20日，11点17分，星期四15.4纳米级DFB激光器量子点DFB激光器量子点：在三维空间上尺寸都小于10nm的半导体结构。在DF激光器B的光栅区域引入量子点结构能够提高器件的性能。Su and Lester 42通过实验得到:在相同的输出功率下，