技術分享｜半導體激光器為什么需要窄線寬？

半導體激光器為什么需要窄線寬？

目前，隨著網絡流量的需求爆發式增長，光纖通信傳輸速率得到大幅提升，其中一種提升傳輸速率的方式就是通過更高更復雜的調制格式，這對激光器的線寬要求變得更高。

此外，在光譜學、計量學和生化傳感等領域對激光器的線寬提出了更高的要求。例如，FMCW激光雷達的線寬必須足夠小，從而保證在200 m以外反射回來的光也能與參考光相干。

圖1  FMCW激光雷達原理圖

半導體激光器的線寬是怎么來的？

關于半導體激光器的線寬理論大部分討論都是基于1982年C.H.Henry的文章“Theory of the  Linewidth of Semiconductor Lasers”，這篇文章較詳細的給出了影響激光器線寬的因素，提出了由場振幅和場相位耦合效應導致的線寬增強因子。即相位和振幅會相互影響從而使線寬展寬。線寬公式如下:

式中，Vg為等效群速度，hv是激光線的能量，g是激光器的增益，nsp是自發輻射因子，alpham是端面損耗，Po是端面的輸出功率，alpha是線寬增強因子。

根據1982年Henry闡述的半導體激光器的線寬理論，激光器的線寬大致可以歸因于光場的相位抖動。相位抖動一部分來源于自發輻射引起的相位變化，另一部分來源于光強的變化以及載流子密度的改變引起的相位變化。自發輻射光的相位和振幅會瞬時改變；而振幅又會反過來影響相位的大小。所以，相位的改變可以認為來自兩個方面，一是自發輻射自身相位的改變；二是振幅的改變導致光場相位的改變。

圖2 由于自發輻射導致的光場的復振幅發生的變化

上面，圖2這顯示的是由于自發輻射導致的光場的復振幅發生的變化。通過利用上圖中構建三角形，利用三角公式可以推出來自身相位的變化（公式1），通過三角公式和速率方程可以推出振幅的改變導致的光場相位的變化（公式2）。

(1)

(2)

(3)

第一項是常數項，第二項是線寬展寬。洛倫茲線寬的表達式是：

tcoh相干時間可以表示為

而相位的變化可以通過（3）式積分得來

把自發輻射速率R，再用群速度、自發輻射因子、增益等替換，光強I用功率P來替換，得到了最后的公式：

常見的激光器壓窄線寬的方法

減小損耗和提高功率是相輝映的，根據公式來看對線寬有壓窄效果。增大光子壽命可以提高相干時間，也可以壓窄線寬。

圖3 五種壓窄線寬的方式

下面主要對外腔、增加外腔、自注入、負反饋、互注入鎖定五種方式作詳細介紹。

· 外腔

圖4 利用硅基的外腔來壓窄線寬

如圖4所示，利用硅基的外腔來壓窄線寬，最近用這樣的方法還是挺多的，因為混合集成的工藝被越來越廣泛的用到。用硅基的外腔來做有兩個好處：一是硅基外腔損耗??；二是外腔用來增加腔長；這兩個特點都可以用來壓窄線寬。

· 增加腔長

增加腔長分為增加物理腔長和增加有效腔長。增加腔長有缺點，不能無限增加，因為腔長太長會使縱模間隔太近對濾波器要求變高。

物理腔長就是增加腔內波導的長度，如圖5所示，埃因霍溫理工大學設置的物理腔長增大，通過兩個由MMI以及波導構成的環來濾波以及游標效應擴大調諧范圍，上面還有一個非對稱的MZI濾波。

圖5 物理腔長增大示例圖

有效腔長一般是通過高Q值的環來實現的，通過控制環與直波導的耦合系數可以控制有效腔長，上面圖4就是增加了有效腔長。

· 自注入

自注入是指激光從激光器輸出后，經過外腔反射再次注入諧振腔中進行進一步的受激輻射，腔內載流子發生改變，導致其他模式的增益減少，反饋模式的增益變大、強度增益大大提高，抑制了其他模式。它與第一種外腔方式的區別是，第一種方式的外腔是諧振腔的一部分，而這里的外腔不是。

圖6 通過外腔反饋產生諧振峰

如圖6所示，這里由于外腔反饋也會產生一些諧振峰，所以又用到兩個環產生的游標效應來抑制這些諧振峰。

· 負反饋

不需要高Q的腔，只需要一個filter。這種方法，工作點必須在其filter反射譜的上升沿，如圖7（b）所示。負反饋的形成如最右邊的圖，如果頻率上升，則反射率上升，DFB腔內光子濃度增加，DFB腔內載流子濃度下降，由于plasma效應折射率上升，則出射頻率下降。

圖7 負反饋的形成過程

· 互注入鎖定

這種方式，如圖8所示，整個系統由兩個不帶隔離器的DFB、一個光衰減器、兩個1*2的功分器、兩個光隔離器組成。其中，兩個激光器之間的光纖鏈路時延為10 ns。耦合效率通過光衰減器調節，在端口1和2測量頻率噪聲。固定其中一個激光器電流，調節另一激光器電流以及耦合強度，來找到MIL模式。

圖8 互注入鎖定系統

基本上最近一些相關的論文都是用以上幾種方法實現壓窄線寬，大同小異，有一些不嚴謹的地方還望大家不吝指出。