光反馈对光纤光栅外腔半导体激光器特性的影响

主要研究了外加光反馈对光纤布拉格光栅外腔半导体窄线宽激光器特性的影响。在研究温度对光纤光栅外腔半导体激光器激射波长影响的基础上,设计了强度可调的外加光反馈系统,并利用延时自外差法测试外腔半导体激光器的线宽,从实验上分析了不同强度的外加光反馈对外腔半导体激光器线宽和噪声的影响。实验结果表明,在外加光反馈强度逐渐增强的过程中,激光器线宽逐渐变窄。当反馈比为-22dB时,激光器线宽被压窄至原始线宽的15%。与此同时,在相同的反馈变化下,激光器的相对强度噪声开始无明显变化,直到反馈比达到-27dB。再继续增大反馈强度,相对强度噪声显著增大,激光器内部发生相干崩塌。     

基于半导体外腔激光器的光反馈研究﹡

以光栅外腔半导体激光器的理论知识为基础,对 Littrow 型的外腔半导体激光器的结构进行了说明。根据等效反射系数的概念,推导出外腔反馈作用下阈值增益的公式和线宽压窄公式,并详细地讨论了外腔半导体激光器的线宽压窄机制。同时,对影响 Littrow 型光栅外腔半导体激光器阈值增益和线宽压窄的各种因素进行了分析,发现外腔的反馈相当于增加了端面的反射率,阈值增益变小,在相同的输出功率下,增大受激辐射,抑制自发辐射,从而使线宽减小。     

准直透镜失调对Littman-Metcalf光栅外腔激光器线宽的影响

以光栅外腔半导体激光器的理论知识为基础,对Littman-Metcalf型外腔半导体激光器的工作原理进行了说明,并详细地讨论了外腔半导体激光器的线宽压窄以及模式选择机制,采用严格的耦合理论和光线变换矩阵推导了系统结构参数对光场耦合效率影响的计算公式。同时,对影响Littman-Metcalf外腔激光器输出激光线宽的几个重要因素进行了分析,重点讨论了系统中准直透镜位置失调导致的线宽变化规律。计算结果表明:合理地控制Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器的外腔参数可以将中心波长为785 nm半导体激光器的本征线宽压窄四个数量级,该外腔系统中准直透镜位置失调会影响系统出射光场与经外腔反馈光场之间的耦合效率,进而影响光栅外腔半导体激光器的输出线宽。     

光纤光栅外腔反馈的高功率半导体激光器光谱特性的研究

对光纤光栅外腔反馈的高功率半导体激光器的光谱线宽特性进行了理论与实验研究。理论分析表明，根据不同的外腔参数，激光器的线宽能被压缩或展宽。外腔反射率对光谱线宽的影响要比外腔腔长灵敏得多。实验实现了激光器的线宽由６ｎｍ到０．８ｎｍ的压缩。光纤光栅外腔反馈不仅能改善高功率半导体激光器的光谱特性，而且可提高激光器主模对次模的抑制比。     

窄线宽的外腔半导体激光器

介绍了使用闪耀光栅作为光反馈元件,与原始线宽大于1200GHz的半导体激光器构成的Littrow型外腔半导体激光器,极大地改善了激光器的性能。实验得到了功率恒定、模式单一稳定、线宽优于1.2MHz的激光输出,压窄线宽比为106,并针对Littrow型外腔结构提出了简洁、紧凑的复合型外腔方式。     

基于片上微腔自反馈注入锁定的窄线宽激光器

对半导体激光器外腔自反馈注入锁定进行了理论分析,研究了片上微腔的自反馈注入锁定对于分布反馈(DFB)激光器输出线宽的影响,分析了决定锁定带宽及线宽压缩系数的关键参数。基于Q值为2.4×10⁶的片上Si₃N₄微腔的后向瑞利散射实现了DFB激光器的自反馈注入锁定,将其输出线宽由自由运转时的556.71 kHz压窄到了92.28 kHz,锁定带宽达到425 MHz。研究结果有助于理解半导体激光器自反馈注入锁定机理,并为实现窄线宽激光器提供了新的结构更简单、集成化潜力更高的方案。     

405nm波段光栅外腔窄线宽蓝紫光半导体激光器

自由运行的半导体激光器由于谱线较宽而无法满足如拉曼散射等对线宽有要求的应用需求,因此获得线宽较窄、波长稳定的半导体激光器十分必要。采用反射式全息光栅作为谱线窄化元件,研究了在Littrow布局下的405 nm外腔半导体激光器。反射式全息光栅的加入,使得光栅面和半导体激光器的输出面组成耦合外腔,这在很大程度上改善了405 nm半导体激光器的线宽性能。实验结果表明,通过加入2400 line/mm的反射式全息光栅形成外腔反馈,半导体激光器的阈值电流由31 m A下降到22 m A,谱线宽度从自由运行时的1 nm减小到0.03 nm以下,实现了窄线宽输出,并且在工作电流为100 m A时,得到窄线宽半导体激光器的输出功率为28 m W,为自由运行半导体激光器输出功率的31.7%。此外,通过调节反馈光栅的角度,实现了较大电流范围的激光波长的连续调谐,最大调谐范围达3.5 nm。     

Littrow型光栅外腔半导体激光器的输出特性分析

在讨论光栅外腔半导体激光器理论的基础上.对影响Littrow型光栅外腔半导体激光器输出功率和线宽压窄的各种因素进行了数值模拟分析.研制了单纵模高质量激光输出的Littrow型光栅外腔半导体激光器,在工作电流为400 mA时,连续输出功率达到180 mW,线宽优于1 MHz.     

一种可降低Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器衍射损耗的结构设计

基于原有Littman-Metcalf型光栅外腔半导体激光器的工作原理,设计了一种可以降低衍射损耗的外腔结构。在Littman-Metcalf结构的基础上增加一个反射镜,将闪耀光栅二次衍射产生的零级衍射光反馈回半导体激光器本征腔。推导了新结构模型外腔损耗的表达式,通过等效腔的概念对两种结构激光器的外腔损耗、阈值电流、输出线宽以及输出功率进行了仿真分析。结果表明：将二次衍射产生的零级光反馈回有源区可有效降低Littman-Metcalf结构激光器的外腔损耗,提高了系统的耦合效率,从而降低阈值电流,提高了激光器的输出功率。同时,由于提高了外腔反射效率,该外腔结构进一步压窄激光器的输出线宽。对影响低损耗Littman-Metcalf外腔激光器输出线宽以及输出功率的因素(端面反射率、内外腔长、闪耀光栅衍射效率以及反射镜反射率等)也进行了仿真分析,为后期激光器制作提高了理论指导。     

浅析元件参数对外腔半导体激光器输出谱宽影响

半导体抽运碱金属蒸气激光器（DPAL）需大功率窄线宽泵浦源,但市售半导体激光器输出线宽远远大于碱金属原子吸收谱宽,难以实现有效泵浦,因此需采用Littrow 外腔法压窄半导体激光器输出谱宽。Littrow 外腔系统中元件参数的选择直接影响大功率半导体激光器输出谱宽。为此文中沿入射光线方向构建外腔压窄模型,利用球面镜替代柱面镜,分析了微柱透镜阵列、光学系统和光栅元件对外腔输出谱宽的影响,模拟结果为微柱透镜阵列焦距越小、光栅刻线越密、球面镜焦距越大,外腔输出谱宽越窄,实验结果符合理论模型。     

外部光反馈对强耦合外腔半导体激光器特性影响的理论分析

本文从理论上分析了外部光反馈对强耦合外腔半导体激光器特性的影响，对相干外部光反馈和非相干外部光反馈两种情形的分析结果均表明强耦合外腔半导体激光器可将半导体激光器所能容忍的临界光反馈强度提高大约２０ｄＢ以上，同时得出了长外腔和强耦合有利于提高外腔半导体激光器抗反馈能力的结论。     

具有强耦合外腔的半导体激光器稳定性极限条件

从理论上分析了强耦合外腔半导体激光器的稳定性。在外腔半导体激光器速率方程分析中引人了强反偏因子近似，通过增益速率－频率平面中的特性分析得到如下结论：对于给定参数的外腔半导体激光器，存在有一个技术不能超越的稳定性的理论极限条件。强反馈和短外腔长度有利于提高外腔半导体激器的稳定性．     

用于干涉测量的光栅外腔半导体激光器

研制了用于光干涉测量的单稳频、窄线宽光栅外腔半导体激光器(LD)。它由出光面镀有增透膜的单管半导体激光器、光束校正准直系统、闪耀光栅、注入电流驱动系统及温度控制系统组成。闪耀光栅作为外腔光反馈元件对单管半导体激光器输出的纵模进行选择，使之工作在单纵模状态。外腔的引入还使输出光的谱线宽度得以大大压窄。注入电流驱动系统为半导体激光器提供工作电流。温度控制系统由双层温控组成。第一层用于控制单管半导体激光器管芯温度；另一层用于及时带走第一层温控产生的热量，并消除环境温度影响，使外腔温度稳定。该温控系统可使所构成激光器的温度稳定在1‰℃量级。对研制的外腔半导体激光器的特性进行测试，其输出功率恒定、模式单一稳定、谱线宽度优于1．4MHz。     

光纤光栅外腔半导体激光器特性的研究

对谐振式集成光学角速率传感器 IORS 的关键器件之一——大功率、窄线宽光源进行了分析与实验 .分析结果表明 ,为达到优于 1°/ h的分辨率 ,光源应选用线宽小于 1MHz的强反馈光纤光栅外腔半导体激光器 FBG- L D ;研究了 FBG- LD的单纵模机制和线宽压窄特性 ,着重考虑了反馈端面的残留反射率对 FBG- L D输出功率的影响 ,以及耦合效率对 FBG- L D线宽的影响 ;在实验研究中采用了大功率、窄线宽、单纵模的 FBG- L D,并应用于光纤谐振腔 ,实测的谐振腔的清晰度与理论计算值是一致的 .     

单纵模耦合腔半导体激光器

八十年代,高数据速率长距离光纤传输和相干光通信的发展,推动了单频半导体激光器的研究,主要的研究工作有分布反馈(DFB)式激光器、解理耦合腔(C~3)激光器和外腔式激光器。连续工作条件下,DFB激光器的线宽光功率乘积约为30MHz·mW,线宽最窄已达4MHz;C~3激光器的线宽功率乘积为2.5～3MHz·mW,10mW     

外腔半导体激光器动态模稳定性的研究

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性,采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益,并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下,在光栅转动调谐时,通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率,推导出最佳的初始外腔长度,并研究了动态模稳定（无跳模调谐）的范围;采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直（耦合）透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明,系统后向耦合效率最大可达99%,极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽,外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%,动态模稳定范围可达6.8nm。     

窄线宽半导体激光器件

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。     

光纤光栅外腔半导体激光器的线宽特性研究

通过构建外腔半导体激光器的等效腔模型,并在修正的肖洛-汤斯线宽公式中引入外腔压窄因子,系统模拟了光纤光栅外腔半导体激光器的电流阈值特性和线宽特性.以等效腔模型为基础,综合考虑外腔压窄因子,利用修正后的肖恩-汤斯公式,使用Matlab对外腔激光器的阈值和线宽特性进行了系统的模拟.模拟结果表明:通过增加外腔反射率,可有效增加光子寿命并降低阈值载流子浓度,进而获得较低的阈值电流,对于0.81的外腔等效反射率,阈值电流低至3.83 mA;通过增加外腔反射率、耦合效率和外腔长度,可显著压窄线宽至千赫兹量级;此外,合理限制增益芯片尺寸也会压窄线宽.激光器工作电流为60 mA时,当外腔光栅反射率由0.1提高至0.9可使阈值电流由9.04 mA降低至4.01 mA,线宽由95.27 kHz降低至1.34 kHz;当外腔长度由2 cm增加至6 cm时,激光器线宽由3.20 kHz降低至0.36 kHz.     

外腔半导体激光器的两种窄谱机制

本文区分和研究外腔半导体激光器的两种窄谱机制,从而简捷地得出了其线宽公式。本文的基本思想对于优化外腔半导体激光器的设计和探索新的外腔结构具有指导意义。     

可连续调谐的窄线宽外腔半导体激光器

可快速连续调谐的小尺寸窄线宽外腔半导体激光器是调频连续波（FMCW）激光雷达、量子技术等领域的核心器件。通过紧凑的反馈光路设计，采用腔长为2.5 mm的法布里-珀罗腔（FP腔）反馈压窄线宽，并结合压电陶瓷（PZT）进行腔长扫描，组装了波长为1550 nm的小型化可调频的激光样机。采用光纤长度为1 m的马赫-曾德尔干涉仪，在重复频率为0.1、1.0、10.0、100.0 kHz下分别测得激光器无跳模的连续调谐范围为25.0、21.6、18.0、10.0 GHz。基于20 km长光纤的延时自外差法，测得3 dB线宽约为10 kHz。未来通过更加紧凑的光路设计，可以获得更大调频范围的超窄线宽激光。