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DFB半導體激光器原理與特性
發表時間:2021-05-08     閱讀次數:     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(法國物理學家法布里和珀羅);它是一種多縱模激光器;

激光形成過程滿足三個條件:

1.受激輻射

藍色粒子→高能級軌道上運動,綠色粒子→低能級軌道上運動,紅色色箭頭→光照通過時,

藍色粒子→躍遷成綠色粒子在低能級運動,同時→釋放一個紅色光子;

2.受激放大

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

3.超過閾值,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;

半導體激光器由于邊界條件,存在三個方向的模式: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。

TEM00稱作基橫模m>=1n>=1的模稱作高階模。

橫模指數n代表光斑的“光環”數量,n=0時光斑為集中的一點,沒有光環;n=2時則有兩圈“光環”;

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

對于FP激光器來說,橫模控制比較容易實現通過控制有源層的厚度(上圖0.1um)條寬(上圖200um),常用的結構有掩埋異質結、脊波導等。

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大。

FP激光器,當注入電流在閾值電流Ith附近時,可以觀察到多個縱模;進一步加大電流,譜峰處的某個波長首先激射,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;當對FP激光器進行高速調制時,原有的激射模式就會發生變化,出現多模工作;

因此,FP激光器不適用于高速長距離光纖通信系統;但其結構和制作工藝最簡單,成本最低,仍得到廣泛應用。

FP激光器的關鍵指標P-I-V曲線

FP激光器典型參數表

目前FP激光器的主要發展趨勢在于研發無制冷器件進一步降低制作成本

傳統的FP激光器的諧振腔通過解理實現,性能測試時,需對解理過的單個尺寸~幾百um進行操作,生產效率較低。

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

FP激光器基礎上,將布拉格光柵集成到激光器內部的有源層中(也就是增益介質中),在諧振腔內形成選模結構,實現單模工作。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,衍射過程其實就是選頻;即,DFB的原理:光柵選頻實現單模工作

FP激光器:多縱模工作,只能用于短距離傳輸。

DFB激光器,高速調制時也能保持單模特性,可用于遠距離傳輸。盡管DFB激光器在高速調制時存在啁啾(譜線展寬),但比FP激光器的動態譜線的展寬要改善一個數量級左右。

此圖為DFB激光器縱模頻譜圖,不同頻率(波長)對應的光強不同,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激光器多了一個衡量光柵提高主模、抑制邊模能力的指標:

邊模抑制比(SideMode Suppression Ratio:簡稱SMSR,其值 =10 lg(Pmax/Pmin);現在DFB一般能做到SMSR>40dB,甚至SMSR>50dB

FP激光器,峰值波長下降20dB處的全譜線寬度(各縱模加權平均值):

FP的譜寬較寬,規格書指標<3.5nm,實測一般1nm左右;

DFB的譜寬較窄,規格書指標<1nm,實測一般0.1nm左右;

DFBFP的優勢:發光功率大,發散角小,譜寬窄,低速,調制速率高,可用于長距離傳輸;其余參數規格,DFB激光器類似FP激光器。

本文來源:光纖測試、今日光電


 
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