半導體激光器相對光頻偏的干涉測量方法研究

王永晨

摘 要：半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質在能帶間躍遷發光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產生光的輻射放大，輸出激光。本次通過檢測LD輸出激光在干涉場中干涉條紋位移的變化，得到LD在一定時間內相對自身輸出光頻偏情況。

關鍵詞：LD；干涉法；頻偏

中圖分類號：TN365 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0038-02

1 研究背景

半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構成的Pn結或Pin結為工作物質的一種小型化激光器。半導體激光工作物質有幾十種，目前已制成激光器的半導體材料有砷化鎵（GaAs）、砷化銦（InAs）、銻化銦（InSb）、硫化鎘（CdS）、碲化鎘（CdTe）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）、鋁鎵砷（AlxGa1-xAs）等。半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式，絕大多數半導體激光器的激勵方式是電注入，即給Pn結加正向電壓，以使在結平面區域產生受激發射，也就是說是個正向偏置的二極管[1]。因此半導體激光器又稱為半導體激光二極管，對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上，它們所發出的波長在0.3～34Lm之間，其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaAs雙異質結激光器，其輸出波長為750～890nm。

世界上第一只半導體激光器是1962年問世的，經過幾十年來的研究，半導體激光器得到了驚人的發展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，覆蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數也有了很大的提高，其制作技術經歷了由擴散法到液相外延法（LPE），氣相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD方法（金屬有機化合物汽相淀積），化學束外延（CBE）以及它們的各種結合型等多種工藝，其激射閾值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時從最初的低溫（77K）下運轉發展到室溫下連續工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級。它具有效率高、體積小、重量輕、結構簡單、能將電能直接轉換為激光能、功率轉換效率高（已達10%以上，最大可達50%）便于直接調制、省電等優點，因此應用領域日益擴大。目前，固定波長半導體激光器的使用數量居所有激光器之首，某些重要的應用領域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導體激光器所取代。

半導體激光器最大的缺點是：激光性能受溫度影響大，光束的發散角較大（一般在幾度到20度之間），所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學技術的迅速發展，半導體激光器的研究正向縱深方向推進，半導體激光器的性能在不斷地提高。目前半導體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質量也有了很大的提高。以半導體激光器為核心的半導體光電子技術在21世紀的信息社會中將取得更大的進展，發揮更大的作用[2]。

2 研究現狀

從20世紀70年代末開始，半導體激光器明顯向著兩個方向發展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。進入80年代，人們吸收了半導體物理發展的最新成果，采用了量子阱（QW）和應變量子阱（SL-QW）等新穎性結構，引進了折射率調制Bragg發射器以及增強調制Bragg發射器最新技術，同時還發展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出優質量子阱以及應變量子阱材料。于是制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

20世紀90年代出現并特別值得一提的是面發射激光器，在1977年，人們就提出了所謂的面發射激光器，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發射激光器。20世紀90年代末，面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展，且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用。目前，垂直腔面發射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡。為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導體激光器的發展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面。

3 關鍵問題及解決方案

3.1 關鍵問題闡述

引起LD頻率變化的因素主要有兩個，即溫度和驅動電流。溫度變化對LD，輸出特性的影響是比較大的。一般單縱模LD，發射光頻率隨溫度的漂移為20-30GHz/℃。當LD的注入電流發生變化時，輸出光頻特性也將隨之變化，變化范圍約為5GHz/mA。半導體激光器（LD）已廣泛應用于測量系統，然而LD的頻漂已嚴重制約了測量系統精度的提高，尤其在特定計量、光通信、光頻標等應用中，對激光器輸出頻率穩定的要求非常高。故對LD輸出光頻進行測量和控制具有十分重要的意義和實用價值[3]。

本研究通過檢測LD，輸出激光在干涉場中干涉條紋位移的變化而精確測得光頻偏值，從而為LD的自動穩頻奠定了基礎。

將一單色光分為兩束，讓它們經過不同的光程，光程差為ΔL，則相位差為ΔΨ為：，其中c為真空光速，v為光頻率。對于兩束相光束，決定明暗條紋的干涉條件為：，k=0，1，2，3……（加強/減弱），干涉條紋可以用條紋的干涉級k來表征，由上式可得：，如果保持不變，由上式可得，此時干涉級數k只和光頻v有關。如果v有變化，則k也作相應變化。

舉例說明：波長623nm的紅光來說，=4.815409309×1014Hz，若=0.1m，則k=160513.6436。若c有變化，設，使=10-7v=4.815409309×107，則有，則k1=160513.6652，k2= 160513.6286。可見對于如此的光波，當頻率有=10-7v的變化時，確定點所對應的干涉級數k也有變化，變化范圍=0.03。也就說若能檢測到同級干涉條紋3%的位移，就可檢測到10-7v的光頻變化。

3.2 實驗方案及相關結果

實驗系統半導體激光器線性調制干涉方法測量位移的總體方案。如圖1所示。

系統由半導體激光器，光隔離器，光纖分路器，自聚焦透鏡，反射鏡，光探測器組成。受鋸齒波（或三角波）調制的半導體激光器發出的調頻光經光隔離器，Y型光纖分路器后，由自聚焦透鏡準直后平行射出。反射鏡反射回的光束通過自聚焦透鏡耦合回光纖，經過光纖分路器到達光探測器，和自聚焦透鏡出射端面反射回來的光束在光電探測器處發生干涉。光纖分路器、自聚焦透鏡、反射鏡、光探鍘器組成了一個斐索型共光路干涉儀[4]。

在此實驗當中半導體激光器的注入電流對于干涉條紋有影響，首先對注入電流的調制特性做簡要分析：根據注入電流調制頻率的高低，可以將半導體激光器的輸出光頻特性分為兩個區域：當電流調制頻率小于10MHz時，輸出光的頻率偏移主要是由工作區溫度變化而引起的，此時輸出光頻率隨調制電流線性變化；在大于10MHz時，主要是由載流子效應引起的，這時輸出光頻與電流的關系不再是線性的了。

當半導體激光器的注入電流發生變化時，輸出的光頻特性將隨之變化。如當注入電流大于半導體激光器的閡值后，輸出光為激光。又有當注入電流增加，輸出光功率增大，譜線寬度變寬，相干長度增大。移動條紋和注入電流變化的關系，如表1所示。此關系也表明了在干涉場上檢測到條紋的位移，則說明LD的輸出光頻產生了變化，如果測出LD輸出光頻偏值，則可通過改變LD的注入電流大小，使得LD的輸出激光頻率穩定[5]。

4 討論與展望

時至今日，半導體激光器是當前光通信領域中發展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。半導體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產生了重大影響，并加速了它的發展。因此沒有半導體激光器的出現，就沒有當今的光通信。GaAs/GaAlA雙異質結激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統無不都采用分布反饋式半導體激光器（DFB一LD）。由此可見半導體激光器在通信領域當中的重要地位。

此外半導體激光器還廣泛應用于軍事領域，如激光制導跟蹤、激光雷達、激光引信、激光通信電源、激光瞄準告警、激光通信等。目前，世界上的發達國家都非常重視大功率半導體激光器的研制及其在軍事上的應用。

參考文獻

[1]柯常軍.高功率雙包層光纖激光器[J].光學與光電技術，2003，1（5）：43-46.

[2]孫偉濤.半導體激光器相對光頻偏的干涉測量法[D].北京：中國計量科學研究院，2005：5-17.

[3]葉震寰，樓祺洪，薛東.窄線寬光纖激光器[J].光學與光電技術，2004，2（1）：1-8.

[4]程末明.21世紀的半導體激光器[J].光機電信息，2002，（1）：7-8.

[5]黃章勇.光纖通信用光電子器件和組件[M].北京：北京郵電大學出版社，2001，（2）：12-13.