【《可调谐半导体激光器发展现状的文献综述》5200字】

可调谐半导体激光器发展现状的文献综述可调谐半导体激光器是指由半导体激光器发展而来的、激光的输出波长能够在一定范围内随着相应条件变化而切换的一种激光光源，如今已被广泛应用于光通信网络、传感检测等多个领域之中。目前，已被研发和报道的可调谐激光器种类繁多，依据系统结构以及波长调谐机理，大致可分为外腔型可调谐激光器和单片集成型可调谐激光器两大类[3]。1.1外腔型可调谐激光器外腔型可调谐激光器（ExternalCavityLaser，ECL）通常是由半导体激光器及其外部光学选模元件共同组成的。应用于激光器外部、充当反馈及选模元件的光学元件种类繁多，其中以光栅和F-P标准具最为常见。在外腔型激光器中，半导体激光器内的谐振腔被称作内腔，激光器与腔外元件（通常被称为外腔镜）之间构成的谐振腔则被称作外腔[4]。外腔激光器通过改变外腔镜的位置、状态以及选频模式，就可以轻松地实现调谐输出波长的功能。以衍射光栅型ECL为代表的外腔型可调谐激光器输出功率大，在线宽和调谐范围方面具有十分优异的特性，在相干光通信、波分复用系统等领域都得到了广泛应用，但较大的体积、难以稳定的光路使其在应用中受到限制。另一方面，由于原理和结构所限，外腔型激光器多使用机械调谐的方式进行波长切换，较慢的调谐速度也成为其缺陷之一。为进一步发挥外腔型激光器的优良性能，许多人做出了大量的努力。2017年，在Littrow-ECL的基础上，Bayrakli等[7]设计了一种双波长外腔激光器，可以实现在120nm范围内双波长的独立调谐。同年，Jimenez等分别基于体全息光栅、透射光栅和微型Littman结构，研发了三种结构紧凑的小型外腔可调谐激光器[8]，克服了传统外腔激光器便携性差的缺点。微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）技术在外腔激光器系统中的引入，使得激光器的快速调节成为可能。2020年，由Hoppe等[9]研发的基于MEMS器件的外腔激光器，能够在毫秒内实现波长的快速扫描，具有105nm的波长调谐范围，能覆盖中红外波长范围，有望应用于环境监测、工程过程控制等相关领域，其系统模型与实物如图1.3所示。图1.3基于MEMS器件的外腔激光器：(a)光学元件CAD模型；(b)实物图.[9]垂直腔面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL）[10,11]是外腔型可调谐激光器的一种扩展形式，它发出的光束与芯片表面垂直，是近年来新兴的一种半导体激光器。如图1.4所示，经典的VCSEL由分布于上下两侧的布拉格光栅反射器以及中间的有源层构成。其有源层厚度很小，需要在反射器间多次往返才能被放大，最终从顶部或底部出射。因此VCSEL对反射器的反射率要求很高。目前常采用以四分之一波长厚度的不同折射率材料交替生长形成的布拉格反射器，在其布拉格波长处具有超过99%的反射率[12]。图1.4VCSEL结构剖面图[10]VCSEL往往也通过机械调谐进行波长的切换和调整，因此激光器设计中经常引入MEMS技术。2007年，UCB研发了一种基于MEMS的VCSEL[13]，将压电悬臂集成在布拉格光栅反射器中，利用电流引起的压电效应，改变谐振腔长度，从而实现波长的调谐，其原理如图1.5所示。2019年，Sahoo等人提出了一种将MEMS封装在腔内的硅基上的可调MEMS-VCSEL结构[14]，直流驱动下具有40nm的可调谐范围，在交流驱动下能实现2.4MHz的高频操作。图1.5基于MEMS的VCSEL结构示意图：(a)压电效应下悬臂梁示意图；(b)激光器剖面图.[13]VCSEL具有很多优势：它尺寸小、效率高、功耗低、寿命长，能够出射圆形对称光束，适合与大尺度二维阵列相集成[12]。由于谐振腔很窄，其尺寸往往只有微米量级，此类激光器的纵模间距很大，通常只有单个谐振峰能够在增益谱范围内振荡，因此具有优越的单纵模输出特性。VCSEL自研发之初到现在，逐渐向着高功率、高速、高温工作等方向发展，在不久的将来，有望在传感、照明等领域得到更为广泛的应用。1.2单片集成型可调谐激光器与外腔型可调谐激光器不同，单片集成型激光器将具有放大作用的有源部分与具有波长调谐功能的部分集成于半导体芯片中，拥有体积小、易集成的天然优势。在如今光通信系统集成化、硅光子技术稳步发展的趋势下，单片集成型可调谐激光器具有巨大的潜力。分布反馈（DistributedFeedback，DFB）激光器是单片集成型可调谐激光器中较早被提出的方案之一。1972年，Kogelnik等人[15]提出了耦合模理论，并在此基础上首次提出了DFB激光器的设想。光栅结构被创造性地引入激光器构造中，作为选频部分发挥着波长选择的作用。典型的DFB激光器结构如图1.6(a)所示，分布在有源增益区内的光栅，通过引起折射率或增益的周期性变化对腔内谐振波长进行选择，进而实现激光器的单纵模激射。图1.6(b)所展示的是最简单的DFB激光器结构示意图，在它的有源区内均匀分布着光栅结构，虽然能够实现激光器的单模输出，但是由于端面相位的影响，其单模选择性并不好，成品率也很难维持在一定水平之上。为解决上述问题，1985年，在均匀光栅中引入四分之一波长相移结构[16]的设计方案被提出，其结构如图1.6(c)所示，这进一步提升了激光器的单模特性。虽然基于此设计的激光器易受空间烧孔效应的影响、工作性能降低，但仍然在一段时间内成为了高速直接调制激光器的常用方案。图1.6典型DFB激光器结构示意图：(a)DFB激光器基本结构；(b)均匀光栅结构；(c)四分之一相移光栅结构.[17]近年来，基于DFB激光器的改良方案不断被提出，但DFB激光器本身十分有限的调谐范围（通常不超过10nm）始终无法满足大范围调谐波长的需求。因此，人们提出了将多个DFB激光器集成为阵列的方案，如图1.7所示。这样既能保留单个DFB激光器良好的光谱特性，又能扩大其调谐范围，在使用时根据需要选择性激发阵列中不同通道的DFB激光器，以实现波长切换效果。图1.7八通道DFB激光器阵列[18]另一类同样应用了光栅结构的激光器是分布式布拉格反射（DistributedBraggReflector，DBR）激光器，也是目前应用较为广泛的可调谐激光器之一，于1981年由日本东京工业大学首次提出[19]。与DFB激光器不同，DBR激光器中的光栅部分独立于有源区存在，既作为谐振腔的反射镜，又起到了模式选择的作用，其反射峰的位置即为激光器的输出波长。DBR激光器的结构如图1.8所示。初始的DBR激光器中只包含了提供增益的有源区和进行波长选择的光栅区，如图1.8(a)所示，虽然随着工作温度改变输出波长会产生微小变化，但不能满足波长调谐需要。于是，人们将一段无源的相位区引入到增益区与光栅区之间，形成了经典的三段式DBR激光器，其结构如图1.8(b)所示。光栅区内注入电流的变化会引起折射率的改变，使得DBR反射峰位置发生变化；相位区的电流调节用于使腔模和反射峰保持一致；三段区域间的电流调谐配合，从而实现较大范围的波长调谐。三段式DBR激光器设计已经相当成熟，以此为原型，逐渐发展变化出了更多的可调谐激光器设计和方案。图1.8DBR激光器示意图：(a)初始DBR激光器结构[19]；(b)三段式DBR激光器结构[20]取样光栅DBR（SampledGratingDBR，SGDBR）激光器于1993年由L.A.Coldren的课题组提出[21]。SGDBR激光器的结构与DBR激光器相似，不同之处在于，除增益区与相位区之外，SGDBR激光器含有前后两组反射式取样光栅。两组光栅的光栅间隔略有不同，这使得它们所对应的梳状反射谱具有略微不同的频率间隔。在SGDBR激光器中，只有同时处于两个梳状反射谱峰值上的模式才能谐振放大。通过调整光栅区的注入电流可以使光栅对应的反射谱发生移动，两个梳状谱的重合峰随之变化，激光器输出波长也由此发生改变，SGDBR激光器的波长调谐功能得以实现。SGDBR激光器通常能够实现较宽范围的波长调谐，首个SGDBR激光器便能实现57nm范围内的调谐[21]。SGDBR激光器由于输出功率普遍较低，常常与其他器件集成使用。例如，如图1.9(a)所示，将SGDBR激光器与半导体光放大器（SemiconductorOpticalAmplifier，SOA）、马赫曾德调制器（Mach-ZehnderModulator，MZM）集成，Barton等人[22]制造了一种结构紧凑的单片发射器，具有高速、低损耗、宽调谐范围、低驱动电压等优势；如图1.9(b)所示，将电吸收调制的SGDBR激光器与SOA集成[23]，此系统可以实现1522nm-1573nm范围内的调谐，作为一种低成本集成组件，有望在WDM系统中得到应用。图1.9SGDBR激光器(a)与SOA和MZM集成[22]，(b)与SOA集成结构示意图[23]超结构光栅DBR（SuperStructureGratingDBR，SSGDBR）是基于DBR激光器的另一种变形。它的结构几乎与SGDBR激光器完全相同，不同之处在于，SSGDBR激光器中使用了超结构光栅替代SGDBR中的取样光栅。第一个SSGDBR激光器由日本NTT实验室研制[24]，其结构及游标效应示意图如图1.10所示。应用超结构光栅的目的在于，使SSGDBR激光器获得更大的调谐范围。2005年Nishikawa等人[25]基于具有30nm调谐范围的SSGDBR激光器，利用其游标光栅研发了可调谐高速光脉冲光源，有望在未来的DWDM系统中得到应用。图1.10SSGDBR激光器：(a)结构示意图；(b)调谐原理示意图.[24]SGDBR激光器和SSGDBR激光器虽然满足可调谐激光器的基本要求，但是它们的结构一般都十分复杂，不利于制作，不但增加成本，而且成品率难以保证。SSGDBR激光器中由于涉及到复杂的超结构光栅的制作，更是难以在目前的实际生产中广泛应用。数字超模DBR（DigitalSupermodeDBR，DS-DBR）激光器的结构和原理也与上述激光器类似。DS-DBR激光器同样由前后反射区、增益区、相位区等四个部分组成，其结构如图1.11所示。前反射区由数段周期不同的短光栅组成，每段短光栅都分配有一个用于寻址的独立电极。后反射区则使用了具有梳状反射谱的采样光栅，用于提供数个超模。前反射区的光栅设计保证过程中仅有一个超模被选出，确保了激光器的单模激射。相位区则用于波长位置的微调。DS-DBR激光器通常能实现较大范围的调谐，信道边模抑制比高，通常超过40dB。2008年，Ward等人[26]设计了一种能在61nm范围内实现连续调谐的DS-DBR激光器；2017年，Yoo等人[27]将SOA与DS-DBR激光器集成，通过注入电流的方式对激光器进行快速热补偿，使波长变化稳定维持在±0.01nm范围内。然而，由于DS-DBR激光器的电极数目多，控制电极的操作算法十分复杂，多电极的设计也令封装成本增加，这使DS-DBR激光器的广泛应用受到阻碍。图1.11DS-DBR激光器结构示意图[28]除了上述基于光栅结构的可调谐激光器，应用微环谐振器（Micro-RingResonator，MRR）的可调谐激光器也受到广泛关注。图1.12(a)所示为MRR的结构。MRR由一个无源微环与两侧直波导耦合而成，由于直通端和下载端具有不同的光谱，可以起到选模作用。然而，若使激光器在增益范围内实现单模激射，MRR结构的梳状光谱中的纵模间隔需要尽量拉大，即MRR结构需要较大的自由光谱范围，因此MRR结构的直径应当设计得尽可能小，这使得工艺制作相当困难。为解决上述问题，在激光器中引入多环结构的方案被提出。每个微环结构具有不同的自由光谱范围，基于游标效应，能够有效保障多环结构激光器的单模性能。2007年，Segawa等人[29]提出了一种基于双环谐振器的可调谐激光器，如图1.12(b)所示。在注入电流不超过7mA的情况下，调谐范围达到了50nm，能够覆盖100GHz间隔下C波段的41个信道，且边模抑制比均超过30dB；同年，Deki等人[30]设计了一种与SOA集成的基于三重环型谐振器的可调谐激光器，能够实现1540nm-1636nm范围内的波长调谐，在温度25℃下工作时，边模抑制比均超过50dB。亦有将MRR结构与光纤辅助环相结合的可调谐激光器，其选模原理如图1.13所示，紧凑的MRR结构能够提供较大的FSR，辅助环的加入提供了游标效应，使得系统能输出单纵模激光，其输出波长可以在1546nm-1570nm内调谐，边模抑制比均超过40dB[31]。图1.12(a)微环谐振器结构示意图[32]；(b)基于MRR的双环可调谐激光器[29]图1.13基于MRR和辅助环结构的可调谐激光器选模原理示意图[31]基于耦合腔的可调谐激光器普遍具有成本低廉、易于制造、方便集成等优势，目前也已有许多较为成熟的研究。首个基于耦合腔的可调谐激光器——刻蚀槽法布里-珀罗激光器于1981年被提出[33]。此类激光器虽然工艺简单、成本较低，但难以适用于紧凑结构。2008年，基于半波耦合器的V型腔可调谐激光器由浙江大学何建军教授提出[34]。其结构简单紧凑，无需相移区域，通过单电极控制即可实现波长切换。2017年，应用V型腔激光器的可调谐发射器光学组件已被证实能够实现全C波段内的波长调谐，覆盖了50GHz间隔下的93个信道，且边模抑制比均超过36dB[35]，其结构如图1.14所示。随后，一种新型的基于领结型半波耦合器的可调谐激光器被提出[36]。在单电极调谐下，该激光器能够实现29.6nm的调谐范围，覆盖了100GHz间隔下的38个信道，边模抑制比均超过35dB。本文正是以此类激光器为对象，围绕其辅助热调谐特性展开研究。图1.14V型腔激光器结构示意图[35]上述基于耦合腔的可调谐激光器，由于无需依靠光栅，避免了外延再生长等繁琐的工艺，降低了制造成本。除此之外，它们的尺寸小，适合应用于紧凑的结构中，方便集成，而且调谐方式简单，无需复杂的电流控制，在将来有望成为经济高效的可调谐激光光源。参考文献[1] 董凤忠,阚瑞峰,刘文清等.可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用[J].量子电子学报,2005,22:315-325.[2] 信丰鑫,郭金家,李杰等.可调谐半导体激光吸收光谱技术对CO_2浓度的测量研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2020,50:137-142.[3] 余永林.可调谐半导体激光器的发展[J].激光与光电子学进展,2007,44:69-72.[4] 花金平,江毅.可调谐外腔半导体激光器研究进展[J].半导体光电,2021,42:11-19+56.[5] HARVEYKC,MYATTCJ.External-cavitydiode-laserusingagrazing-incidencediffractiongrating[J].OpticsLetters,1991,16(12):910-912.[6] TRUTNAWR,STOKESLF.Continuouslytunedexternal-cavitysemiconductor-laser[J].JournalofLightwaveTechnology,1993,11(8):1279-1286.[7] BAYRAKLII.Investigationofdouble-modeoperationandfastfinetuningpropertiesofagrating-coupledexternalcavitydiodelaserconfiguration[J].Optics&LaserTechnology,2017,87:7-10.[8] JIMENEZA,MILDET,STAACKEN,etal.Narrow-lineexternalcavitydiodelasermicro-packagingintheNIRandMIRspectralrange[J].AppliedPhysicsB,2017,123(7):207.[9] MORTENH,HANNAR,SEBASTIANS,etal.Wideandfastmode-hopfreeMEMStunableECDLconceptandrealizationintheNIRandMIRspectralregime[C].Proc.SPIE,2020.[10] WEIGLB,REINERG,GRABHERRM,etal.High-powerselectivelyoxidizedvertical-cavitysurface-emittinglasers[C].SummariesofPapersPresentedattheQuantumElectronicsandLaserScienceConference,1996:80-81.[11] GRABHERRM,JAGERR,MICHALZIKR,etal.Efficientsingle-modeoxide-confinedGaAsVCSEL'semittinginthe850-nmwavelengthregime[J].IeeePhotonicsTechnologyLetters,1997,9(10):1304-1306.[12] 张继业,李雪,张建伟等.垂直腔面发射激光器研究进展[J].发光学报,2020,41:1443-1459.[13] HUANGMCY,CHENGKB,ZHOUY,etal.MonolithicIntegratedPiezoelectricMEMS-TunableVCSEL[J].IeeeJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,2007,13(2):374-380.[14] SAHOOHK,ANSBKT,OTTAVIANOL,etal.TunableMEMSVCSELonSiliconSubstrate[J].IeeeJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,2019,25(6):1-7.[15] KOGELNIKH,SHANKCV.Coupled-wavetheoryofdistributedfeedbacklasers[J].JournalofAppliedPhysics,1972,43(5):2327.[16] MCCALLSL,PLATZMANPM.Anoptimizedpi-2distributedfeedbacklaser[J].IeeeJournalofQuantumElectronics,1985,21(12):1899-1904.[17] 陆丹,杨秋露,王皓等.通信波段半导体分布反馈激光器[J].中国激光,2020,47:11-