分布式反饋激光器

關(guān)于分布式反饋激光器第1頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目錄分布式反饋激光器的相關(guān)理論

分布式反饋激光器的制造技術(shù)

分布式反饋激光器的性能特點(diǎn) 納米級(jí)的分布式反饋激光器

4123第2頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分布式反饋激光器的提出：前面描述的激光器的光學(xué)反饋都是基于一對(duì)反射面的，但是在光學(xué)集成光路中，很難形成這樣的反射面。有兩種解決辦法：可以通過(guò)刻蝕技術(shù)形成反射面，但晶片的的表面就會(huì)被破壞，使得電氣連接和散熱器的制造變得很困難。利用分布式反饋激光器第3頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)為了保持波前的相位相干性而且避免相消干涉，光線的路程差必須為波長(zhǎng)的整數(shù)倍。即滿足：第4頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)

為了能夠在激光器中通過(guò)光柵實(shí)現(xiàn)180。的反射，只需要滿足此時(shí)，式（15.1）變成式（15.2）（15.2）得到真空中的波長(zhǎng)為第5頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)影響光功率的因素：波導(dǎo)層厚度，光柵的深度，光柵區(qū)的長(zhǎng)度。可見(jiàn)，反射光功率在數(shù)學(xué)上就很復(fù)雜，可采用耦合模理論。假設(shè)光被弱耦合進(jìn)入光柵中。第6頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Yariv[4]給出了耦合系數(shù)：其中l(wèi)為耦合模的階數(shù)：式子（15.5）滿足（15.3）布拉格條件，布拉格反射能夠發(fā)生。15.1理論基礎(chǔ)第7頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)對(duì)于一階模（l=1），光被限制在±z方向傳播，入射波，反射波振幅為：第8頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)對(duì)于高階模，一部分光被耦合到±z軸外，如下圖所示。第9頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)Scifresetal.[6]分析了高階模的反射情況。此時(shí)，光柵周期常數(shù)為：為了保證輸出具有相同的相位，需要滿足：由幾何關(guān)系可知第10頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)對(duì)于二階模，我們可以得到：分析：當(dāng)時(shí)，光前向傳播，當(dāng)時(shí)，光后向傳播，當(dāng)1時(shí)，光波垂直于波導(dǎo)表面?zhèn)鞑?。?jiàn)圖15.4其它高階模的分析類似。第11頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)分布式反饋產(chǎn)生激光光波在光柵結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生180。的反射，如果光傳播的介質(zhì)有光增益，分布式反饋就能產(chǎn)生激光，假設(shè)煤質(zhì)的指數(shù)增益常數(shù)為：入射光和反射光的振幅為：第12頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.1理論基礎(chǔ)DFB激光器的振蕩條件：當(dāng)增益比較大時(shí)，，振蕩模頻率可以寫(xiě)成：最后得到振蕩頻率為：模式頻率間隔為：在布拉格頻率時(shí)無(wú)振蕩產(chǎn)生第13頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.2制造技術(shù)DFB激光器的光柵結(jié)構(gòu)通常在波導(dǎo)表面掩膜，刻蝕形成。但是，在制造過(guò)程中產(chǎn)生的晶格損傷會(huì)降低量子效率，增大閾值電流。避免晶格損傷產(chǎn)生的影響：將光柵和激光器有源層分開(kāi)。本章提供了三種方法。方法1：利用擴(kuò)散方法1.在襯底GaAs上利用離子束刻蝕形成三階光柵2.P區(qū)摻雜Zn3.在交界面1um下產(chǎn)生p-n結(jié)第14頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方法2：利用separatecon?nementheterojunction結(jié)構(gòu)15.2制造技術(shù)1.注入的電子被p-Ga0.83Al0.17As限制在有源層2.光子傳播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面3.有源區(qū)不受晶格損傷的影響第15頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.2制造技術(shù)方法3：利用水平耦合結(jié)構(gòu)1.光通過(guò)橫向和水平方向消逝場(chǎng)的重疊部分來(lái)提供光反饋2.耦合系數(shù)k與脊的深度有關(guān)3.發(fā)射波長(zhǎng)為9217埃，閾值電流為11mA第16頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.2制造技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1.避免由晶格損傷產(chǎn)生的無(wú)輻射復(fù)合2.單端輸出激光器的透射率，反射率為DBR激光器第17頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.3性能特點(diǎn)1.波長(zhǎng)選擇性：在端面激光器中，光的發(fā)射波長(zhǎng)是由增益曲線和激光器的模式特性決定的，當(dāng)達(dá)到閾值電流時(shí)，激光器通常會(huì)激發(fā)許多縱模。在DFB激光器中，發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)受到增益曲線的影響，但主要由光柵周期決定。當(dāng)l階模和l±1階模的間距和增益曲線的線寬相比足夠大時(shí)，只有一個(gè)模式有足夠的增益產(chǎn)生激光。應(yīng)用：波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)第18頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.3性能特點(diǎn)分析：從圖可以看出，將光柵周期從3450埃改變到3476埃時(shí)，波長(zhǎng)有45埃的變化。第19頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.3性能特點(diǎn)2.光發(fā)射線寬線寬窄：發(fā)射譜線寬定義為激光增益曲線和激光器的模式選擇特性的卷積，由于光柵具有很好的波長(zhǎng)選擇特性，因此，發(fā)射譜寬較窄。典型的端面反射型激光器的單模線寬為1到2埃，約50GHz，而帶有光柵結(jié)構(gòu)的DFB的線寬約為50–100kHz。目前商用的DFB激光器在1.55μm處的線寬小于25埃。第20頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.3性能特點(diǎn)3.穩(wěn)定性傳統(tǒng)的端面反射激光器的發(fā)射波長(zhǎng)很容易受到溫度的影響。DFB激光器波長(zhǎng)的穩(wěn)定性較好，因?yàn)楣鈻拍軌蜴i定激光器輸出給定的波長(zhǎng)。分析：（1）波長(zhǎng)漂移：端面反射激光器：3.7埃/攝氏度DFB激光器：0.8埃/攝氏度（2）閾值電流：在m=0時(shí)，J端=JDFB但J1=3J0，并且在模式轉(zhuǎn)換處閾值電流急劇增加（由增益曲線和激光模式在此溫度下不匹配導(dǎo)致的）第21頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.3性能特點(diǎn)商用DFB激光器發(fā)射波長(zhǎng)：730–2800nm輸出功率：10-200mW光譜線寬：2–4mHz，對(duì)特定波長(zhǎng)可達(dá)到100kHz第22頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.4納米級(jí)DFB激光器半導(dǎo)體空氣布拉格反射激光器特點(diǎn)：空氣和半導(dǎo)體的折射率差較大只需要幾個(gè)條就能達(dá)到100%的反射率發(fā)射波長(zhǎng)：1300nm閾值電流：20mA第23頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15.4納米級(jí)DFB激光器量子點(diǎn)DFB激光器量子點(diǎn)：在三維空間上尺寸都小于10nm的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在DF激光器B的光柵區(qū)域引入量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)能夠提高器件的性能。SuandLester[42]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得