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DFB半導(dǎo)體激光器原理與特性
發(fā)表時(shí)間:2021-05-08     閱讀次數(shù):     字體:【

介紹DFB激光器之前先聊下FP激光器。

FP:多量子阱FP 腔激光器(Fabry-Pero Laser

激光(Laser):Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

即:光→受激→輻射→放大;

FPFabry-Pero(法國(guó)物理學(xué)家法布里和珀羅);它是一種多縱模激光器;

激光形成過(guò)程滿足三個(gè)條件:

1.受激輻射

藍(lán)色粒子→高能級(jí)軌道上運(yùn)動(dòng),綠色粒子→低能級(jí)軌道上運(yùn)動(dòng),紅色色箭頭→光照通過(guò)時(shí),

藍(lán)色粒子→躍遷成綠色粒子在低能級(jí)運(yùn)動(dòng),同時(shí)→釋放一個(gè)紅色光子;

2.受激放大

光子在諧振腔中來(lái)回振蕩,放大(不同顏色的小球代表不同頻率,即不同波長(zhǎng)的光子);

3.超過(guò)閾值,激光輸出

得到光譜圖:

其分頻就形成了如下,FP激光器的光譜儀輸出顯示:

光譜儀顯示的光譜圖,其實(shí)就是FP的縱模頻譜圖,縱模在頻譜圖上是等間隔排列的;

半導(dǎo)體激光器由于邊界條件,存在三個(gè)方向的模式:橫模-水平,橫模-垂直,縱模。

橫模-水平:平行于有源層方向的模式;橫模-垂直:垂直于有源層方向的模式;縱模:沿激光器輸出方向的駐波模式;橫模以TEMmn表征,m、n為為橫模指數(shù)。

TEM00稱作基橫模,m>=1n>=1的模稱作高階模。

橫模指數(shù)n代表光斑的“光環(huán)”數(shù)量,n=0時(shí)光斑為集中的一點(diǎn),沒(méi)有光環(huán);n=2時(shí)則有兩圈“光環(huán)”;

橫模指數(shù)m則代表光斑的“線切割”次數(shù),m=1即把光斑線切割一次;m=2即把光斑線切割兩次;

對(duì)于FP激光器來(lái)說(shuō),橫模控制比較容易實(shí)現(xiàn),通過(guò)控制有源層的厚度(上圖0.1um)條寬(上圖200um),常用的結(jié)構(gòu)有掩埋異質(zhì)結(jié)、脊波導(dǎo)等。

縱模控制則有一定的困難,因其用相互平行的反射鏡(前后解理面)進(jìn)行縱模選擇(即諧振腔選頻),衍射損耗大,平行精度要求高,多縱模激射的可能性相當(dāng)大。

FP激光器,當(dāng)注入電流在閾值電流Ith附近時(shí),可以觀察到多個(gè)縱模;進(jìn)一步加大電流,譜峰處的某個(gè)波長(zhǎng)首先激射,消耗了大部分載流子,壓制其它模式的激射,有可能形成單縱模工作;當(dāng)對(duì)FP激光器進(jìn)行高速調(diào)制時(shí),原有的激射模式就會(huì)發(fā)生變化,出現(xiàn)多模工作;

因此,FP激光器不適用于高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng);但其結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡(jiǎn)單,成本最低,仍得到廣泛應(yīng)用。

FP激光器的關(guān)鍵指標(biāo)P-I-V曲線

FP激光器典型參數(shù)表

目前FP激光器的主要發(fā)展趨勢(shì)在于研發(fā)無(wú)制冷器件進(jìn)一步降低制作成本。

傳統(tǒng)的FP激光器的諧振腔通過(guò)解理實(shí)現(xiàn),性能測(cè)試時(shí),需對(duì)解理過(guò)的單個(gè)尺寸~幾百um進(jìn)行操作,生產(chǎn)效率較低。

DFB激光器:分布反饋激光器(DistributedFeedback Laser

FP激光器基礎(chǔ)上,將布拉格光柵集成到激光器內(nèi)部的有源層中(也就是增益介質(zhì)中),在諧振腔內(nèi)形成選模結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)單模工作。諧振腔選頻決定的是縱模,所以DFB的單模指的是單縱模。

光柵的作用是衍射,按照傅立葉理論,衍射過(guò)程其實(shí)就是選頻;即,DFB的原理:光柵選頻實(shí)現(xiàn)單模工作

FP激光器:多縱模工作,只能用于短距離傳輸。

DFB激光器,高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性,可用于遠(yuǎn)距離傳輸。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾(譜線展寬),但比FP激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

此圖為DFB激光器縱模頻譜圖,不同頻率(波長(zhǎng))對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)不同,PmaxPower最大)的縱模稱為主模,其余縱模稱為邊模,PminPower最大)的縱模為最大邊模;相比FP激光器,DFB激光器多了一個(gè)衡量光柵提高主模、抑制邊模能力的指標(biāo):

邊模抑制比(SideMode Suppression Ratio:簡(jiǎn)稱SMSR,其值 =10 lg(Pmax/Pmin);現(xiàn)在DFB一般能做到SMSR>40dB,甚至SMSR>50dB;

FP激光器,峰值波長(zhǎng)下降20dB處的全譜線寬度(各縱模加權(quán)平均值):

FP的譜寬較寬,規(guī)格書指標(biāo)<3.5nm,實(shí)測(cè)一般1nm左右;

DFB的譜寬較窄,規(guī)格書指標(biāo)<1nm,實(shí)測(cè)一般0.1nm左右;

DFBFP的優(yōu)勢(shì):發(fā)光功率大,發(fā)散角小,譜寬窄,低速,調(diào)制速率高,可用于長(zhǎng)距離傳輸;其余參數(shù)規(guī)格,DFB激光器類似FP激光器。

本文來(lái)源:光纖測(cè)試、今日光電


 
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