基本介紹
- 中文名：單頻雷射器
- 外文名：single-frequency laser SFL
- 套用學科：光纖通信技術
常見的動態單縱模雷射器,工作原理,器件結構,理論基礎,雷射模式,縱模與橫模,選模方法,多縱模的形成原因,單縱模的選頻方法,單橫模的實現方法,諧振腔組成元件,套用領域,
常見的動態單縱模雷射器
常見的動態單縱模雷射器有：①短腔雷射器，通過縮短腔長加大縱模間隔來實現單縱模工作的。常規結構和工藝的短腔極限在50μm左右，此時尚難避免多縱模出現。腔長為數微米量級的豎直腔面發射雷射器則是短腔的重大突破，已可做到毫安級閾值電流並能動態單縱模工作。②複合腔雷射器，通過外腔、腐蝕腔或解理耦合腔實現縱模選擇。③具有光柵反饋的雷射器，它是通過腔內的周期性折射率變化來實現光反饋的。當光柵置於有源區內時，稱為分布反饋（DFB）半導體雷射器；當光柵置於有源區外時，稱為布拉格反射（DBR）半導體雷射器。以下重點介紹最有實用價值的DFB半導體雷射器，它是高速大容量光纖通信廣泛使用的光源，有著廣闊的市場前景。
工作原理
分布反饋雷射器的光柵周期為
Λ=lλB/2nr
式中λB是布拉格波長；nr是有效折射率；l是正整數。DFB雷射器的激射波長為
λ0=λB±[(q+
)λ
/2nrL]
式中L是DFB雷射器長度；q=0，1，2，3…，也允許有許多縱模存在。不過最靠近布拉格波長的兩個縱模損耗最低。它們和次相鄰布拉格波長的模式損耗差至少在5cm-1以上，所以對於無端面反射調節選模的對稱光柵DFB雷射器，可能出現雙模。一般可通過控制端面反射率或通過雷射器中心光柵的λ/4相移來解決，已提出的增益耦合DFB雷射器也可解決雙模問題。
器件結構
分布反攢雷射器縱向結構與常規異質結雷射器類似（見半導體雷射器），只是引入了光柵以實現反饋功能。圖1給出掩埋條形的分布反饋雷射器結構。
光柵的設計，應考慮激射波長、波導層厚度、光柵深度以及光柵長度等因素，以提高光柵的耦合係數，改善光反饋功能。要求光柵均勻、表面完整，有預期的深度和組形。
圖1 InGaAsP/Inp分布反饋雷射器結構圖
圖1 InGaAsP/Inp分布反饋雷射器結構圖器件特性：①縱模特性，分布反饋雷射器最具特色性能為單縱模特性。經過光柵選模，其光發射譜一般是雙模或單模，主邊模抑制比可達30～40dB。②溫度特性，常規的異質結雷射器發射波長的溫度變化率為0.3nm/k，而DFB雷射器則為0.lnm/k以下，而且在數十度範圍不跳模。③高速調製特性，在高速調製下仍保持單縱模特性，最高調製速率已達l0Gbit/s量級。④光譜線寬窄，一般分布反饋雷射器線寬為數十兆赫，已達到的最高水平低於100kHz。
理論基礎
雷射模式
電磁場理論表明，在具有一定邊界條件的腔內，電磁場只能存在於一系列分立的本徵狀態之中。將雷射腔內可能存在的電磁場的本徵態稱為腔的模式，也就是雷射模式。
縱模與橫模
選模方法
多縱模的形成原因
當光波在腔鏡上反射時，入射波和反射波會發生干涉，多次往復反射將發生多光束干涉。為了能在腔內形成穩定振盪，要求光波因干涉而得到加強。由多光束干涉理論可知，發生相長干涉的條件是：波從某一點出發，經腔內往返一周再回到原來位置時，應與初始出發波同相。雷射沿腔的軸線方向形成駐波，不同的駐波有不同的波節數。由於諧振腔的腔長遠大於光波波長，一般波節數具有10~10數量級。所以，一般對縱膜不加以控制的雷射器，具有成千上萬個不同的縱模。
單縱模的選頻方法
1.短腔長法，縮短諧振腔長使縱模間隔大於增益曲線。
2.色散腔法，在諧振腔內加入稜鏡或光柵構成色散腔，使只有某一特定頻率的縱模能夠振盪。
3.標準具法，在諧振腔內插入一參數合適的標準具，使只有單一縱模能通過標準具振盪。
4.濾光片法，在腔內插入一雙折射濾光片，使通過濾光片的光頻率間隔大於增益線寬。
單橫模的實現方法
獲得單橫模的主要方法是採取適當措施抑制高階橫模，保證諧振腔內只有基橫模能夠振盪，以保證單橫模輸出。
諧振腔組成元件
半導體雷射器、耦合鏡組、雷射晶體、偏振片、複合腔鏡、端面腔鏡、雷射晶體支架、偏振片支架、複合腔鏡架、輸出腔鏡座、端面腔鏡架、殼體，在諧振腔體內同時含有偏振片和複合腔鏡二種選縱模器件。
套用領域
單頻雷射器憑藉它光束質量好、相干長度長、譜線寬度窄的特點在雷射雷達、雷射測距、雷射遙感、全息影像、雷射醫療、光譜學、光頻標準和非線性光學頻率變換等領域中具有廣泛的套用。其中小型紅光單縱模雷射器在精密測量、全息、照片沖印等領域有著重要的套用前景。
單頻雷射器套用於全息成像