（电磁场与微波技术专业论文）光纤光栅外腔半导体激光器智能调谐的研究.pdf

中文摘要 本论文主要对光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐进行了研究，将激射波长 为1 5 3 4 8 8 n m 的半导体激光器与中心波长为1 5 3 4 5 0 1 n m 的光纤光栅耦合成弱反 馈超长外腔半导体激光器，实现了窄线宽可调谐的激光输出。 论文首先介绍了光纤光栅外腔半导体激光器的应用领域，并概述了激光器的 国内外发展状况及趋势，阐述了光纤光栅外腔半导体激光器的发光原理和选模原 理，以及影响外腔半导体激光器光谱特性的主要因素，探讨了使用光纤光栅作外 腔反馈元件对线宽的压窄作用和实现波长调谐的条件，对中心波长为1 5 3 4 8 8 n m 的光纤光栅弱反馈超长外腔半导体激光器进行了理论与实验研究，实现了线宽压 窄，获得了单模的激光输出，并在1 5 3 4 5 n m 1 5 3 6 0 n m 范围内进行了波长调谐， 同时还分析了外腔长度、注入电流及温度等因素对激光输出的影响。实验中采用 了单片机控制步进电机拉伸光纤光栅的技术实现了激光器的智能调谐。本论文给 出了智能调谐以及波长输入显示的硬件设计电路和软件实现方法。在调谐过程 中，通过对步进电机的位移控制改变光纤光栅的中心波长，利用耦合器将半导体 激光器3 0 的光反馈回激光器，7 0 的光输出，获得了较好的测量结果。实验 结果表明，本系统可得到1 5 3 4 5 0 n m ，1 5 3 4 5 7 n m ，1 5 3 4 8 0 n m 等多种波长值输出， 边模抑制比达4 9 7 7 1 d b ，光谱线宽可压窄至0 0 6 1 n m ，频率稳定度可达n 4 , 于 6 5 1 0 一7 。 关键词：外腔半导体激光器、光纤光栅、波长调谐、线宽压窄、步进电机 a b s t r a c t t h ew a v e l e n g t ht u n i n go ff i b e rg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r si s r e s e a r c h e di nt h ep a p e r f i b e rg r a t i n gi sc o u p l e dw i ms e m i c o n d u c t o rl a s e rw h i c h w a v e l e n g t hi s1 5 3 4 8 8 n m t h el a s e ri se x t r a - l o n ge x t e r n a lc a v i t ya n dw e a kf e e d b a c k t h en a l t o wl i n e - w i d t ha n dt u n a b l eo u t p u tw a v e l e n g t hi sr e a l i z e di n t h ee x p e r i m e n t a tf i r s t ，t h et h e o r yo fs e m i c o n d u c t o rl a s e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep r e s e n t s t a t ea n dt h et i e n di nd e v e l o p m e n to fl a s e r sa r es u m m a r i z e d a n dt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h ec o m p o u n dc a v i t yo fas e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t he x t e r n a lo p t i c a l f e e d b a c ki sc o n d u c t e d l i n e - w i d t hn a r r o w e db yag r a t i n ga so p t i c a lf e e d b a c k c o m p o n e n ti ss t u d i e d 船w e l la st h ec o n d i t i o n so f c o n t i n u o u s l yt u n i n gt h ew a v e l e n g t h t h ee x t e m a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e ri sr e s e a r c h e do nt h e o r ya n de x p e r i m e n t t h e t u n i n gd e v i c ea l l o w st h el a s e rt ob et u n e d i nar a n g eo f1 5 n m a n dl i n e w i d t hi st ob e r e d u c e d t h ee f f e c t so f e x t e r n a l - c a v i t yl e n g t h ，i n j e e t i o nc u r r e n ta n dt e m p e r a t u r et ot h e o u t p u to fl a s e ra r ea l s oa n a l y z e d as t e p p i n gm o t o ri sa p p l i e di nt h et u n i n gs y s t e m b y c o n t r o lo ft h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n to fs t e p p i n gm o t o r , w ec a nm o d i f yt h ec e n t r e w a v e l e n g t ho ff b g i nt h ep a p e r , t h eh a r d w a r ed e s i g nc i r c u i ta n dp r o g r a mf l o w d i a g r a ma r ed e m o n s t r a t e d b yt h eu s eo fc o u p l e r , 3 0 l a s e ri si n j e c t e di n t ot h e s e m i c o n d u c t o rl a s e r , 7 0 l a s e ri s o u t p u t t e d i no u re x p e r i m e n t ，m a n yo u t p u t w a v e l e n g t h sc a nb eo b t a i n e d ，s u c ha s1 5 3 4 5 0 n m ，1 5 3 4 5 7 n ma n d1 5 3 4 8 0 n m t h e l i n e w i d t hi s0 0 6 1 n m t h es i d em o d er e j e e f i o nr a t i oi s4 9 7 7 1 d b t h ef r e q u e n c y s t a b i l i z a t i o ni sl e s st h a n6 一7 k e yw o r d s ：e x t e r n a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r 、f i b e rg r a t i n g 、w a v e l e n g t ht u n i n g 、l i n e - w i d t h r e d u c t i o n 、s t e p p i n gm o t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲彦彬签字瞧涮年月垆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 苍彬 签字日期：佛移年月歹够日 导师签名： 签字日期：力一多年月匕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 外腔半导体激光器概述 自激光问世以来，可调谐光源一直受到人们的极大关注。作为可调谐激光器 的一种，光纤光栅外腔半导体激光器与其他激光器相比，具有结构紧凑、转换效 率高、单模输出、价格便宜、阈值低等突出优点，在科学领域已显示出越来越广 泛的应用前景。它在高精度原子、分子光谱、激光测距、工业现场工艺监测、大 气环境污染检测、医学诊断、光通信、光传感、雷达和光谱仪等方面有很多应用。 它能提供半导体激光器增益区间内的任何波长。如今，光纤光栅外腔半导体激光 器正在向微型化方向发展。它的组件价格低、性能高，能够提供输出功率高达 l o r ew 调谐范围高达4 0 0 n m 1 6 2 0 h m 的光源，其体积大小可放置在手掌中。而且 它的输出谱线宽很窄，比普通半导体激光器和光纤激光器更有竞争力。 1 1 1 在相干光通讯系统中的应用 半导体激光器是相干光纤通信领域中重要的光源器件。普通f b 型量子阱半导 体激光器因价格便宜而被广泛使用。但由于其光谱结构中通常包含多纵模，影响 了它在高速光通信系统中的应用。d f b 激光器的单频性很好，但是波长的准确 性控制比较困难，而且在高速调制下线宽展宽比较严重，同时制作这些器件的工 艺复杂，成本高。外腔结构可以明显地压窄半导体激光器的线宽，得到满足相干 通信的要求的光源。外腔半导体激光器的特性主要依赖于外腔参数，前人对外腔 半导体激光器的选模和压窄线宽的机理已进行了很多的研究。从原理上讲外腔反 馈可从两方面压窄线宽【1 i ：首先加置外腔相当于增大谐振腔长，导致线宽变窄； 其次，引入反馈可增加受激辐射几率而抑制自发辐射从而使激光线宽变窄。外腔 结构中的反馈一般为体光栅和反射镜，但是它们体积庞大、造价高，并且也不宣 耦合到光纤中，如果能在光纤中加入一个外反馈，那么这种外腔结构就可以做的 很简单。光纤光栅的出现为以上问题的解决开辟了一条新的途径。光纤光栅是在 单模光纤中利用光纤的光敏性形成了一维b r a g g 光栅，从而具有窄带的反馈特 性。因此对用光纤光栅作为反馈元件的有源器件的研究越来越深入。 1 1 2 在密集波分复用系统中的应用 第一章绪论 密集波分复用( d w d m ) 技术是光纤通信的主要发展方向。为了实现全球性 的高速宽带光纤通信网络f 2 3 1 ，工作波长及其间隔必须准确、稳定。国际电信 联合会( 删) 已经提出了一个w d m 波长定位标准的 议：厂= 1 9 3 1 + 一0 1 n ( t h z ) ，式中为整数。中心频率为1 9 3t h z ，对应于 1 5 5 0 n m 波段，0 1t h z 的信道间隔相当于o 8 n m 的波长间隔。这就要求作为发射 光源的半导体激光器不仅必须单频，而且要求具有准确的发射波长。光纤光栅外 腔半导体激光器( f g l ) ，利用光纤光栅的窄带高反射特性，可以从很宽的半导体 激光器增益带宽中，实现稳定的单纵模输出。由于其输出波长决定于在石英光纤 材料中制备的布拉格光栅，因此具有良好的波长稳定性和可控性，并且可以避免 或减弱半导体激光器调制时的波长啁啾效应。这些特性使其能够较好地满足 ( d w d m ) 光纤通信发射光源的要求。 1 1 3 在波分复用技术中的应用 另一个使光纤光栅外腔半导体激光器受到重视的重要原因是波分复用 ( w d m ) 技术的出现。波分复用技术是在一根光纤中传输不同波长上加载并行、 独立的光信号。每一个波长占用一个通道。在w d m 系统中分配了许多通道，相 邻通道之间的波长差很小，为o 8 n m ( 或更小) 。这就要求每个通道的信号源波长 是能精确控制、输出稳定的激光器。 1 1 4 在干涉测量中的应用 在1 0 0 米以内的范围内利用干涉测量的方法测量物体的微小振动，从而提取 引起这部分振动的外源的信息。这就要求光源为稳定的单纵模输出，而且相干长 度要达到2 0 0 米以上。但是，普通的即型半导体激光器为多纵模输出，并且相 干长度仅为2 米，远远不能满足工作需要，而d f b 和d b r 激光器又工艺复杂， 所以可以考虑用光纤光栅外腔的方法来稳定激光器的频率和压窄其线宽。 1 2 光纤光栅外腔半导体激光器国内外发展状况及趋势 光纤光栅外腔半导体激光器是光纤光栅在有源器件方面的一个主要应用。由 于这种激光器可以作为w d m 系统的可选光源，在紫外写入光纤光栅技术出现之 前就有这方面的研究报道。九十年代，这方面的研究进一步增多。国外很多公司 都开展了这方面的研究，1 9 9 1 年d m b i r d l 2 - 3 】等人制成了耦合封装好的1 5 5 0 n m 光纤光栅外腔半导体激光器，其线宽优于5 0 k h z ，边模抑制比大于3 0 d b ，而且 第章绪论 在调制速度为1 2 g b i t s 时啁啾小于o 5 m h z 。1 9 9 4 年b f v e n t r u d o 等人实现了 9 8 0 n m 波长和功率都非常稳定的光纤光栅外腔半导体激光器，输出功率最大为 1 0 0 m w 。在通信应用中p a m o r t o n 等人已经用锁模光纤光栅外腔半导体激光器 进行了2 7 0 0 0 公里的孤子传输试验。此外，除了通信领域，光纤光栅外腔半导体 激光器由于线宽窄和体积小等优点，它还可以用于光波导陀螺。国内对外腔半导 体激光器的研究也比较重视，北京大学用刻蚀方法制作的光纤光栅制作了外腔激 光器，得到6 0 k h z 的窄线宽输出。紫外写入法制作光纤光栅在国内开展后，上 海光机所从1 9 9 6 年开展了紫外写入光纤光栅外腔半导体激光器的研制，他们进 行了锁模工作的试验，得到了6 0 0 m h z 的光脉冲输出。 1 3 本论文的研究内容及研究意义 本论文主要对光纤光栅外腔半导体激光器进行了具体的研究。选用光纤光栅 作为波长选择元件，将激射波长为1 5 3 4 8 8 n m 的半导体激光器与中心波长为 1 5 3 4 5 0 1 1 1 1 光纤光栅耦合成弱反馈光纤光栅超长外腔半导体激光器，实现了窄 线宽可调谐激光输出。并且在不同室温条件以及在不同驱动电流情况下，分别对 激光器输出光谱以及光功率进行测量，分析了温度对激光器输出的影响。另外， 为了实现激光器的智能化调谐，本论文引入步进电机，用单片机控制步进电机实 现调谐以及输出波长的显示和控制，电路的硬件电路以及软件设计与实验调谐结 果均有详细介绍。 对外腔半导体激光器的研究意义重大，它克服了普通半导体激光器谱线宽、 频率稳定性差的缺点，且它效率高、寿命长、频率稳定、波长调谐范围宽，可广 泛应用于光波器件测量、计量检测、高分辨率光谱分析、大气环境及水质检测等 领域。另外，高精度稳频的可调谐外腔半导体激光器是w d m 通信系统的关键器 件，其研制成功必将大力推动波分复用通信系统向多功能、多方位全光网络发展， 同时对光纤光栅、滤波器、衰减器等无源器件性能的提高及产品的多样化都有很 大的促进作用，因此，该项课题具有较好的研究和实用价值。本文则主要介绍了 外腔半导体激光器的发展现状及应用前景，并系统阐述了光纤光栅外腔半导体激 光器的基本原理和调谐方法，文章的内容对于从事外腔半导体激光器的理论或者 应用方面的研究都有一定的参考意义。 1 4 论文的主要内容安排 本论文共分为五部分。 第一章绪论 第一章：绪论。主要对光纤光栅外腔半导体激光器的应用范围以及国内外发 展现状作了简要说明，并介绍了论文的研究内容以及研究意义。 第二章：光纤光栅外腔半导体激光器的理论研究。首先介绍了外腔半导体激 光器的耦合腔理论，然后介绍了应用光纤光栅实现选模特性，以及影响外腔半导 体激光器模谱特性的主要因素。 第三章：介绍了光纤光栅调谐原理以及几种应力调谐方法，并对调谐方法进 行了比较，对本论文实验所采用的调谐装置做了简要介绍。 第四章：光纤光栅外腔半导体激光器的智能调谐系统。首先论述了单片机控 制步进电机拉伸光纤光栅，调谐外腔半导体激光器的原理，并详细描述了本论文 使用的硬件电路，以及软件控制系统。 第五章：介绍了实验所采用的研究方案，并对实验结果进行详细分析。 第二章光纤光栅外腔半导体激光器基本理论 第二章光纤光栅外腔半导体激光器基本理论 2 1 半导体激光器的模式 激光器的模式有纵模和横模之分。在平行谐振腔轴方向( 纵向) 的电磁场分布 ( 模式) 称为纵模；在垂直谐振腔轴方向( 横向) 的模式称为横模。纵模反映激光器 光强随波长变化情况即光谱特性；横模反映激光器输出光束的空问分布即方向特 性。在半导体激光器中，认为只存在单横模，研究外腔半导体激光器也只考虑纵 模的影响。在激光器中，光波在谐振腔中沿轴线方向来回传播，也就是存在两列 沿相反方向传播的、同频率的光波，这两列光波叠加的结果将在腔内形成驻波。 根据波动光学理论在平行平面镜腔内，只有当光在介质中的波长a 满足 q 2 , q = 2 n l ( 2 1 ) ( 式中，q 为正整数，l 为腔长，n 是增益介质的折射率) 时，在腔内形成的驻波场 才是稳定的。因此，只有满足式( 2 1 ) 的某些特定波长的光才可能在腔内形成 激光，这些特定波长的激光称为纵模。不同的纵模对应于谐振腔内沿纵向( 光的 传播方向) 不同的、稳定的光场分布，其纵模序数对应于腔内驻波场中纵模的个 数。在这里谐振腔起到了一种波长选择器的作用，它从通常的原子( 分子或离子) 所发射的宽带荧光中选出某些满足式( 2 1 ) 的波长，使其形成激光。正是由于 谐振腔起了这种波长选择器的作用，才使激光有良好的单色性。式( 2 1 ) 中的 可以用c v 表示为 v 口= 二，_ ( 2 2 ) 。9 2 n l 、 不难看出，激光器中出现的纵模数与原子自发发射的荧光线宽a v 有关，a v 越 大，可能出现的纵模数越多。纵模数还与激光器的腔长有关，由( 2 1 2 ) 式可 得： a v 92v 州一2 n l ( 2 3 ) v 称为纵模频率n n ( 简称纵模间隔) 。显然，腔长越长，纵模间隔越小，因而 同样的荧光线宽可容纳的纵模数越多。 第二章光纤光栅外腔半导体激光器基本理论 2 2 应用光纤光栅外腔实现选模 众所周知，激光的产生是受激辐射光放大形成振荡的结果，受激辐射光放大 若能维持稳定的激光输出，光子在激光谐振腔, 往返- - n 得到的增益( 放大) 必须 大( 等) 于损耗，这是产生激光的重要条件。另一方面，激光的形成还要满足谐振 条件，即光波在激光腔中形成稳定的驻波分布。上述条件可以用图2 1 所示的模 谱结构来进行说明。 a ：激光二极管的初始增益 ( g o ) 和饱和增益( g ) 及损 耗( 口) 与波长( 五) 的关系 曲线 b ：由谐振条件决定的本征腔 模式谱 c ：实际激光器的输出谱线 图2 1 普通半导体激光器模谱结构示意图 图2 1 ( a ) 为半导体激光器增益( g ) ，损耗( a ) 和波长( 五) 的关系曲线。由于半 导体激光是粒子在能带之间跃迂产生的，而能带的能量范围大，所以半导体激光 器具有很宽的发光范围。图2 1 ( a ) 中的a 表示增益g 损耗口的区域，在此范围 内满足谐振条件的激射波长如图2 1 ( b ) 所示：每一种波长的光场分布称为一种模 式，其模间隔为： m ：名2 2 n f( 2 4 ) y 其中：n 为激光介质折射率，为本征腔腔长。 对于1 5 岬1 波段半导体激光器，丑约为1 5 - 2 m ，而五约为1 2 0 m ( 与注 入电流等因素有关) ，所以旯约为觇的6 0 倍，似乎可以有6 0 多个模式同时满 足激光产生的条件。但实际则不然，这是由于在半导体激光器中所有的光波模式 消耗共同的放大粒子数，模式之间存在竞争，某些模式增强了，另一些模式必然 第二章光纤光栅外腔半导体激光器基本理论 变弱。图2 1 ( a ) 所示增益曲线( g n ) 和损耗( 口) 的位置是激光尚未产生时的初始位 罨，随着激光的产生，消耗了提供的粒子，增益曲线将均匀下降。理想情况下， 激光增强达到稳定值时，增益曲线将降至图2 1 ( a ) 的虚线位置，增益中心处g = a ，其他波长处g 8 0 ，采用 悬臂粱应力调谐方法将光纤光栅制作成调谐范围为l , s n m 的可调谐光纤光栅。为 了减小激光器工作中温度漂移的影响，使用了温控系统，工作稳定度为o 0 1 。 系统结构示意图如下：智能型光源系统是以可调谐外腔半导体激光器为核心的， 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 半导体激光器的输出光，经过外腔反馈调谐后，线宽得到压窄【2 “，其中一部分 光直接作为输出，用于进行光谱分析，另一部分光被送入乙炔饱和吸收池进行饱 和吸收稳频。半导体激光器在稳流和温控的基础上，再调制一个低频信号，此低 频信号由l k h z 振荡器产生，探测到的光电流信号含有激光频率漂移的信息。当 激光中心频率发生偏移时，通常采用改变偏置电流的方法，使输出激光频率稳定 地逐次接近中心频率。 图5 2外腔半导体檄光器系统框图 利用光纤光栅外腔半导体激光器实现输出波长的调谐是根据在以光纤光栅 为反馈的外腔半导体激光器中，光纤光栅的周期或布拉格波长是控制器件工作波 长的主要因素。一般光纤光栅反射带宽可以控制在o 1 n m 左右，在这个带宽范围 内会存在多个外腔模式，其数目由器件腔长决定，一般情况下，频率间隔约为 1 0 k h z ，在0 1 n m 的范围内有外腔模式1 0 个左右。当管芯注入电流高于阈值后， 输出将是单纵模，其波长在光栅的反射带宽内。所以通过控制光纤光栅的布拉格 波长可以达到调谐激光器输出波长的目的。本实验采用的是超长外腔弱反馈光纤 光栅半导体激光器，通过连接器连接激光器与光纤光栅，实现光纤之间可拆卸( 活 动) 连接，可根据实验需要，选择不同波长的激光器以及不同反射率和调谐范围 的光纤光栅，使用方便。当选定器件和目标参数后调整至合适腔长，将光纤熔 接起来。 本实验中采用反射率为8 0 的光纤光栅，由于考虑到激光器输出信噪比的要 求，在激光器和光纤光栅之间加入耦合器，使反射光分成两部分，3 0 光反馈回 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 激光器，达到选模效果，7 0 光输出至3 d b 耦合器，将光分为两部分，一部分用 于光谱分析，一部分输出至光放大器，吸收池，光探测器，通过伺服电路，调节 驱动电流，反馈回半导体激光器，实现稳频功能。 外腔半导体激光器采用高精度双重温度控制，主要分为两个部分：一是对半 导体激光器本身采用其内部集成的负温度系数的热敏电阻进行温度采样，结合 p i d 控制电路来调控温度；二是采用d a l l a s 公司的数字温度传感器d s l 8 8 2 0 对激光器的外腔实现温度采集转换后，将信号送单片机与预设温度数值进行比 较，然后输出数字信号控制制冷器制冷量大小，从而达到温度控制的目的。 在用电动机实现调谐部分，采用单片机控制，通过按键输入需要调谐的光纤 光栅外腔半导体激光器的输出波长，波长值由显示屏显示，由程序控制计算得到 对应的步进电机行进步数，通过皮带带动可调谐光纤光栅旋钮转动，调整中心波 长，完成波长调谐。 5 2 实验调试 5 2 1 实验原理及测试方法 描述智能型可调谐光源的性能指标主要有中心波长值、调谐范围、边模抑制 比、光谱线宽和频率稳定度等参数。 1 调谐范围光纤光栅是一种参数周期变化的波导，其纵向折射率的变化 将引起不同光波模式之间的耦合，当入射波长使得来自各光栅条纹的反射满足谐 振加强条件时，光栅对入射光的反射率达到最大值。 光纤光栅b r a g g 波长的偏移主要受温度和应力的影响，当温度和应力变化 时，会引起谤和a 发生改变，因此，通过拉伸或压缩光纤光栅，或者改变光纤 光栅的温度，就可以实现波长调谐。 测试方法：在实际测试中，将光纤光栅从基准长度拉伸至最大值，并由光谱 仪记录拉伸过程中所取各点的系统输出的光谱图，读出各点波长值，从而得到调 谐范围。 2 中心波长： 在发射器件光谱中，连接5 0 最大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心 波长( 4 ) ，用统计加权可表示为： 以= 嘲弘 ( 5 1 ) 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 式中，a 为第f 个峰值的波长；e 为第f 个峰值的能量；毛为所有峰值的能 量： 岛= e 9 ” ( 5 2 ) 测试方法：由光谱图中读出各点的波长值和功率值，最后由( 5 1 ) 式计算 得出中心波长值。 3 边模抑制比： 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出光功率和规定的调制( 或c w ) 时最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比。 测试方法：在系统输出为中心波长时，由光谱图直接读出边模抑制比。 4 光谱线宽( f w h m ) 表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，通常是用它的光谱线宽来定量表 示的，定义为光谱线宽半峰值处的全宽。 测试方法：在系统输出为中心波长时，由光谱图直接读出光谱线宽。 5 频率稳定度 频率稳定度通常指激光器在连续运转时，在一定的观测时间f 内，频率的平 均值v 与该时间间隔内频率的起伏量血之比。即： ( f ) = v a v ( o ( 5 3 ) 一般把s 的倒数作为稳定度的量度，即： ( f ) = a v ( r ) l v ( 5 4 ) 对频率的观测时间不同，其测量结果也不同。比较恰当的表示方法是，在稳 定度数值后面标明观测时间t 值，例如鼠( f ) = 1 0 。o ( f = l o s ) 。 由于频率起伏是随机的，所以，频率稳定度常采用统计的阿仑方差进行处理。 激光频率偏差的双取样阿仑方差为： m 加专喜c 字) ， 式中， ，。是在观测时间t 内连续测量的两个相邻的频率值。激光频 率稳定度的双取样阿仑方差为： 鼠= ( 5 6 ) 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 式中，；是观测时间t 内激光平均频率。 测试方法：由光谱图中读出各点的波长值，最后由( 5 6 ) 式计算得出频率 稳定度。 5 2 2 实验步骤 为防止浪涌，实验中需要配戴防静电手镯，并将测试仪表、检验装置及工作 台通用接地。将激光二极管的引线脚与具有慢启动、慢关闭功能的恒流源连接好， 安装好制冷片，开启驱动电流和制冷电流，制冷电流经温控电路自动调节控制制 冷片的功率，逐渐加大注入电流，直至正常工作值。 光经多模光纤进入光谱仪，这样就可测量光的频谱。判断光栅是否起到外腔 反馈的作用，可以通过光谱仪显示的激光光谱图确定在无外腔作用时，测得的光 谱线线宽较宽，超过l n m ，且明显存在多个模式，各个模式相互竞争，在光谱仪 上表现为峰值波长跳动不定，也可通过用光功率计测零级光的输出功率来判定。 外腔起作用时，零级光的输出功率将增大。在调整好光路和耦合后，即可进行一 系列的实验。 在实验过程中的注意事项主要有： 1 测试时佩戴防静电手镯。使用完毕后应放置于防静电海绵上，避免静电 对器件的损坏。 2 按照给出的管脚接线图进行正确的使用，保持尾纤陶瓷品光纤端面的清 洁，以免造成出纤功率的下降，影响使用。 3 光纤盘圈的直径不小于2 5 m m ，组件应放置于通风、干燥的环境中。 4 在额定电流、额定功率下使用，瞬时反向电流不能超过5 0 “a ，反向电压 不能超过5 v ，避免过流、过功率使用，以免影响组件的寿命；使用组件时轻拿 轻放，避免使组件受到冲击，撞击会导致组件损坏；使用与组件相适的电源，一 般为恒流源，避免造成器件的损坏。 5 激光二极管发射的激光为不可见光，有可能对人眼造成伤害。二极管工 作时，严禁直接注视其端面。 6 器件需要合适的驱动电源，激光二极管和电源连接时，电源输出电压应 为零；电流调节时应缓慢增加或减少，以免冲击电流损坏器件。 7 在较高温度下工作，会增大阈值电流，降低转换效率，加速器件的老化， 器件需要充分散热或在制冷条件下使用；输出功率高于指定参数工作，会加速器 件老化。 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 5 3 实验现象与分析 如下图所示，为半导体激光器在温度为2 5 摄氏度时，由厂家提供的主要性 能曲线。 i i d a t t _ c l a r e t 圳 l l | | | l a ，m i - m 图5 3 半导体激光器性能曲线 首先测量没有外腔时半导体激光器的光谱特性。激光二极管的输出直接会聚 并耦合到光纤中。图5 4 所示为注入电流i = 1 0 m a ，温度1 8 c 时反映激光器本征 振荡特性的光谱衄线。 障a g i t e e l 附。一2 0 ( 2 0 l b m ! ” f，1 州“d 彻mj h h m 。删h j ；33 。 1 五岫山 “j 0 删1 ir ns - 5 0 8 7d b mh 、，缸 6 5k l - l z8 t 5 6 3m 4咖0 仃 图5 4 半导体激光器荧光谱 s=_a霉l 薯暑一，i-辱a嚣il 脱 | 薹 斛 坨即 i q 啪 。 啪 i 。砖 邮 m 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 如上图所示，半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的 器件。半导体有一个阈值电流i 。，当驱动电流密度小于i 。时，激光器基本上不发 光或只发出很弱的谱线宽度很宽、方向性很差的荧光；当驱动电流密度大于i 时， 开始发射激光，此时谱线宽度、辐射方向显著变窄，强度大幅度增加，而且随电 流的增加，呈线性增长。如图5 5 所示。此时i = 1 8 m a 。 h r 1 ( ) t s 3 40 0n m - 4 07 懿d b m t 0 d 0 o # m 一1 0 “：，扫 - 5 00 0 - 7 0 0 0 9 00 0 - 3 0 d o m 一 ：事磊g l 融h r e f：0 0 ( 3d b m l 1 i t ，钆k 0 wl 1 1 。蕊 一1 0 ：0 批h “i i 叫_ 山_ u删“u 删u uww u 岫 r 5 2 5 0 o2n m 5 5k h z i 5 3 4 - 3 64 3d 8 m 5 63 m o “g ： o f t 图5 5 半导体激光器光谱图i l ：莓蠡馨；l 赣爨l h l l l 芒 已一l j _ t 1 i 醢。上 j j m “ “u 土h | | “ 5 , 3 4b 7 8“) n | 槲 v1 s 3 56 7 6 i n 、，缸 a v oo f f 图5 6 半导体激光器光谱图2 在图5 6 中，为同一温度条件下，电流增加到阈值电流以上，i = 1 3 m a 时， 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 半导体激光器的光谱图。从图中明显看出，不加外腔时，半导体激光器处于多纵 模振荡状态( 表示为多个峰值) ，各个模式之白j 存在竞争，图中显示峰值波长为 1 5 3 4 6 7 r i m 只是在这时刻，在另一时刻将是旁边的两个中之一，光谱线宽( 半强 宽) 0 9 9 n m ，基本不存在边模抑制。 m k r l ( ) 1 5 3 45 7n m 4 20 4p w l 专! 参盎g i l e n t - h 乙儿l 山j l u j山 “- j 栩- i 山h “。l m 山l j n 鼬ii l 山k山- “。 图5 7 光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐过程1 利用光纤光栅外腔的主要作用是实现波长调谐，由于本实验中各元件处于分 立状态，光纤光栅与半导体激光器尾纤通过活动连接器连接，外腔长达半米以上。 光栅作为窄带滤波片和外腔反射镜将部分散射光反馈回激光二极管的有源区，所 以调谐过程中采用调节光纤光栅布拉格波长的方法实现光纤光栅外腔半导体激 光器地调谐。 如图5 7 所示，此时为光纤光栅中心波长在1 5 3 4 5 7 n m 处，光纤光栅外腔半 导体激光器的输出光谱图，利用步进电机带动光纤光栅螺旋测微计旋转，可以看 到随光纤光栅中心波长地改变( 向长波长方向变化) ，光纤光栅外腔半导体激光 器的输出光谱图向长波长变化，考虑到光纤光栅的拉伸范围以及可靠性，我们只 调节到1 5 3 6 o n m 处，图5 8 为调谐过程中输出波长为1 5 3 4 8 1 n m 时的光谱图。 由图5 7 和图5 8 可以看出，利用应力变化将引起光线光栅有效折射率h 。和 光栅周期a 的改变，通过拉伸或压缩光纤光栅达到调谐的方法是简单可行的。 椰”；| 舢品 哪 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 m k r l ( 1 5 3 48 1n m 1 3 4 0 2l o w 2 0 0 d 、， 6 d 1 20 口h n ”一， 8 0 0 h 每a g i l e o t i | ?| |1 l肌“m mt - i j 。i。| l 止fk 矾川血“溘池jf五址“ 0 1r t n 9 4h z 1 5 3 45 9 49 4p w 14 60恕悖0ff 0 r ，“；掰l ，1 5 3 9 5 9 l n 、，a c 图5 8 光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐过程2 在外腔半导体激光器的研究中，温度、注入电流、外腔长度等因素对输出特 性有重要的影响。下面将就此做实验分折。温度对激光波长的影响，为了排除其 它因素的干扰，我们测量了在相同注入电流和外腔长度的条件下，无外腔反馈时 的波长与温度的关系曲线。 实验条件：注入电流l = 1 3 m a ，温度从1 3 。c 依次上升，到2 0 。c ，每间隔1 。c ， 通过光谱仪测量峰值波长，为了减小激光器实际温度与显示温度间的误差，每一 温度下的波长值取五分钟内的平均值。根据实验数据，做出温度与波长曲线。 从下面波长随温度变化曲线可以看出，不加外腔时，随着温度的升高，激光 波长向长波长移动即红移，变化幅度为0 2 o 3 r i m 。c 而在有外腔反馈的条件 下，波长随温度变化的现象不明显，整个区间变化波长不超过0 1 n m ，平均幅度为 o o l n m 9 c ，远低于无外腔时的变化幅度。这说明引入外腔增强了系统的温度稳 定性。可以用光纤光栅的选模作用来解释这一想象。在外腔长、注入电流一定的 条件下，虽然温度的变化影响内腔振荡模式，使中心波长移动，但光纤光栅的布 拉格波长即中心波长没有发生变化，这样落入光纤光栅滤波反射带的模式位置不 变，该模式在外腔反馈作用下，阈值增益降低；而其他模式，尽管有的受温度影 响在内腔振荡中增强，但受外腔作用较小，阈值增益变化小，所以仍然使原模式 最先满足耦合腔的增益条件率先起振，正如实验中看到的峰值波长位置变化很 小，这一现象也是外腔抑制内腔振荡的佐证。 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 ： 1 301 4 o 1 5 01 6 01 7 0 1 8 01 9 o2 0 0 温废 图5 9 半导体激光器波长随温度变化曲线 ( 。c ) 另外改变注入电流的大小，也会引起内腔增益介质的折射率发生变化，实验 中保持外腔长度、工作温度一定，调节注入电流的大小，观察激光输出的变化， 可知，随着注入电流的增大，输出激光的线宽变宽，输出功率提高。这意味着虽 然本征线宽与功率成反比，增大注入电流提高输出功率，有利于压窄本征线宽， 但同时影响了介质中载流子的密度分布，引起了折射率的变化，从整体上看，线 宽有增大的趋势。所以，随着注入电流的加大，激光线宽变宽，此时，须调节外 腔长度及工作温度来获得特性合适的激光输出。实验结果曲线如图5 1 0 所示。 实验中，存在这样的现象，当对光纤光栅波长进行调谐时，峰值波长对应的 模式附近还有一些模式起振，从模间隔距离看，这些模式离主模较远，不大可能 落入光栅的反射滤波带，没有受到外腔反馈的作用，其之所以能起振，主要原因 是使用半导体激光器的端面没有镀增透模，有较高的反射率，光场内腔依然能够 形成振荡。当注入电流较低时，大部分模式尚不能满足增益条件，能量集中到满 足耦合腔增益条件的主模；随着注入电流的增大，内腔各模的增益加强，通过模 式竞争，有些模式达到内腔振荡的增益条件时起振，实验观察到的这些模式经过 光纤光栅反射后耦合入光谱仪的一部分。消除这些模式对外腔反馈输出影响的办 法主要靠为激光器镀增透模，并提高增透模的透射率，相当于增大内腔的损耗， 使内腔不易形成振荡。 第五章光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐的实验研究与分析 m f p 。：5 0 u j r 。c e ，t e s t ) 5 3 47 糍囊；：薹器：翟kw p e 3 h h , p a c 。n 。p 。l t u “一- 1 3 77 3 2 2d d b m p e 础w w g 拍0 t h1 5 3 47 7 2r n f v e h m 0 3 0 en msi蛳#01 3 1r 帅 - 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i 曲线，当i l 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 但是使用光栅外腔前后的n 特性曲线有很大差别，其中：( a ) 表示加外腔之前 的特性曲线。( b l ( 取 ) ( a ) 表示加外腔之前的特性曲线( b ) 表示加外腔之后的特性曲线。 图5 1 4 有外腔和无外腔的半导体激光器p q 特性曲线 从图中可以看出，增加外腔后，只，特性曲线在阈值附近没有平滑的过渡细 节，而且在闽值电流以上，曲线的线性度大为改善，激光器的阈值电流也被显著 的降低了，这对激光器的功率控制和以后的波长调谐非常有利。 5 4 总结 前面几章从理论与实验两方面分析了光纤光栅外腔半导体激光器的性能和 调谐原理，探讨了使用光纤光栅作为外腔反馈元件对线宽的压窄作用以及实现波 长调谐的条件，详细介绍了实验的硬件电路及程序设计流程。综合起来，可有以 下几点： l 应用光纤光栅作外腔反馈元件，对半导体激光器的线宽进行压窄，成功 实现了单纵模输出，得到的边模抑制比为4