关于分布式反馈激光器第一页，共二十五页，2022年，8月28日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第二页，共二十五页，2022年，8月28日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
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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三页，共二十五页，2022年，8月28日15.1理论基础为了保持波前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：第四页，共二十五页，2022年，8月28日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五页，共二十五页，2022年，8月28日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。第六页，共二十五页，2022年，8月28日Yariv[4]给出了耦合系数：其中l为耦合模的阶数：式子（15.5）满足（15.3）布拉格条件，布拉格反射能够发生。15.1理论基础第七页，共二十五页，2022年，8月28日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：第八页，共二十五页，2022年，8月28日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。第九页，共二十五页，2022年，8月28日15.1理论基础Scifresetal.[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：由几何关系可知第十页，共二十五页，2022年，8月28日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。第十一页，共二十五页，2022年，8月28日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：第十二页，共二十五页，2022年，8月28日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：最后得到振荡频率为：模式频率间隔为：在布拉格频率时无振荡产生第十三页，共二十五页，2022年，8月28日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结第十四页，共二十五页，2022年，8月28日方法2：利用separateconfinementheterojunction结构15.2制造技术限制在有源层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十五页，共二十五页，2022年，8月28日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第十六页，共二十五页，2022年，8月28日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激光器第十七页，共二十五页，2022年，8月28日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l±1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：波长复用技术第十八页，共二十五页，2022年，8月28日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。第十九页，共二十五页，2022年，8月28日15.3性能特点2.光发射线宽线宽窄：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50GHz，而带有光栅结构的DFB的线宽约为50–100kHz。目前商用的DFB激光器在1.55μm处的线宽小于25埃。第二十页，共二十五页，2022年，8月28日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=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）第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日15.3性能特点商用DFB激光器发射波长：730–2800nm输出功率：10-200mW光谱线宽：2–4mHz，对特定波长可达到100kHz第二十二页，共二十五页，2022年，8月28日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第二十三页，共二十五页，2022年，8月28日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。SuandLester[42]通过实验得到:在相同的输出功率下，量子点DFB激光器的线宽比传统的量子井结构小一个数量级。Kampetal.[43]制造出了量子点激光器：阈值电流为14mA，单模抑制比高达50dB第二十四页，共二十五页，2022年，8月28日ThankYou!第二十五页，共二十五页，2022年，8月28日
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