频率可调谐光栅反馈式扩展腔二极管激光器的搭建与测试

刘滢滢，蒋 硕，葛惟昆

（清华大学物理系实验物理教学中心，北京100084）

1 引 言

半导体激光器，又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管（Laser diode，简称LD），它的优点是体积小、效率高、寿命较长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达GHz的频率直接进行电流调制，以获得高速调制的激光输出，并可进行温度调谐和电流调谐.半导体激光器在光通信、信息存储与处理、军事、医学以及科学研究方面都有广泛的应用.但是普通半导体激光器也有不足，即发出的光带宽较宽，频率稳定性差.我们设计一套装置，采用Littrow结构[1－5]，用普通的半导体激光器加上光栅反馈组成外腔可调谐半导体激光器.利用光栅的色散选择作用，使得激光增益中频率很窄的一部分发射谱反馈到激光管内，增加了出射激光模式的竞争性，使得激光更容易工作在单纵模与窄线宽状态.Littrow结构外腔半导体激光器中激光管出射的激光通过闪耀光栅的0级衍射形成出射激光，而1级衍射光则反射至激光管选择激光频率.选用分立的组件，采用便宜耐用的激光管（型号为GH0781RA2C，输出波长约为780nm），让学生亲自组装和调试单纵模频率可调谐的半导体激光器，在实验中加深对激光原理的理解，测量重要的激光参量，锻炼实际操作和动手能力，培养发现问题、分析问题及解决问题的能力.该实验与其他实验相比更侧重动手能力和独立思考并解决问题能力的培养，为学生从事科学研究提供了很好的训练平台.

2 原 理

2.1 半导体激光器的工作原理

2.1.1 有源区载流子反转分布

在半导体中要实现粒子数反转，必须给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去.当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激辐射作用.

2.1.2 谐振腔

使受激辐射多次反馈，形成振荡.激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形成的，用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有30%左右，为适应某些应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替叠加许多层折射率不同的半导体材料，形成所谓分布反馈，如图1所示.这种光学结构称为法布里－珀罗谐振腔，简称F－P谐振腔.

在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜，即光腔.在谐振腔中，光波在2块反射镜之间往复传输，当光波满足特定相位关系时才能得到加强，这种关系称为相位条件，满足

图1 F－P谐振腔

相位条件的光频率为

式中：n是半导体材料的折射率，L是腔长，c是光速，q是整数.由此可知，激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模.相邻两纵模之间的频率之差为

称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关.

2.1.3 要满足阈值条件，使增益大于损耗，需要有足够的注入电流

为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件.当激光器达到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续输出.在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断增强，称为增益.当腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺陷散射及端面输出）时，就产生了激光.

2.2 外腔结构与频率模式选择

光反馈[6]是通过平面镜、光栅等反馈元件将输出光束的部分光反馈回半导体激光器，使激光器中各纵模所获得的净增益发生变化，从而使特定的模式振荡同时抑制其他模式的方法.在光反馈技术中，光栅外部反馈是简单而有效的方法.

图2（a）是Littrow方式的原理图.在Littrow方式中，经光栅衍射后产生的1级衍射光直接沿入射光路反馈回激光器，0级光作为输出光.实验用光栅为反射式闪耀光栅（1 800mm－1），其形状如图2（b）所示，这样，加了外腔后的二极管激光器的总的输出增益与频率的关系如图3所示.图3中总增益G＝激光二极管增益×二极管内腔选频×光栅的增益×外腔的选频，总增益最大的谱线（即图3中4种谱线的交集）最后会被放大输出，图3中最终只有箭头所指的模式胜出，被放大形成单模激光输出.改变半导体激光器电流可以对其输出激光的中心波长进行粗略调谐，但是由于可能发生剧烈的模式跳变，导致频率不能被连续调谐，存在一些频率间隙，而有时所需要的激光频率正好落在这些频率间隙内，仅靠改变注入电流无法使其工作在所需要的频率区段，这时调节光栅角度（改变外腔腔长，此时光栅的增益曲线和二极管外腔选频曲线发生移动），可以将激光输出调节至所需频率，从而实现单模输出频率的连续调谐.

图2 Littrow方式原理图

图3 激光器输出增益与频率的关系

3 实验内容及调节过程

外腔调谐半导体激光器（ECDL）结构[6]示意如图4所示，图中a为激光管，b为准直透镜，c为调节螺钉，d和f为调节架和连接器，e为半导体激光器外壁，g为光栅，h为谐振腔，i为反馈回激光器的衍射光，j为出射激光.外腔调谐半导体激光器实物如图5所示.

图4 外腔调谐半导体激光器结构示意图

图5 外腔调谐半导体激光器实物图

整台实验仪器可分为电源、光源、传导、监测与检测4个部分.实验主要元器件如下：

1）单模激光管，GH0781RA2C，780nm，120mW；

2）准直器，Thorlabs LT110P－B；

3）光栅，Thorlabs GH13－18V，可见光，1 800mm－1；

4）调节架和连接器，Newport U100－P3K，UPA－PA1；

5）稳流电源，北京优立光太，定制，输出200mA，波动＜1μA.

激光器的核心部分即光源部分：LD的2个端面（一面高反，输出一面反射率约30%）构成低Q的激光腔，称为内腔；LD发出的光经过准直透镜近似呈平行光输出.由45°的反射光栅与LD的高反射端面构成外腔.输出光的方向是垂直于二极管到光栅这个纵形反射腔的.该ECDL由外腔将二极管所发的光选择性放大后输出单纵模激光，经过传导部分传送至监测部分进行监测.电源部分提供二极管激光器稳定的电流，电流调节范围0～200mA，精度0.01mA.光源部分需经过准直、偏振、光栅角度调节，使得单纵模光得以放大；传导部分将光栅处出射的激光耦合进光纤，再连接至法布里－珀罗干涉仪的输入口，通过示波器实时观察激光器输出的模式情况.

实验步骤：

1）二极管的装配

将二极管、带凸透镜的准直筒、引线接头组装在一起，注意判别正负极和地线.用很小的一字刀拨动凸透镜一端的内圆环，调节凸透镜前后位置即物距，直到出射光为平行光.用光强计检查二极管额定发光功率，二极管输出功率与电流数据如表1所示，关系曲线如图6所示.

表1 二极管功率测试

图6 输出功率与电流的关系

2）反射光栅的装配

把反射光栅粘接在楔形托架上，保证最终激光二极管出射光斑投在光栅表面的正中位置.

3）二极管的固定与偏振的调节

转动二极管，利用光强计找到光强极大时二极管的自转角，加以固定；被限制在腔体内的激光要有一定的强度而能够来回干涉放大，但又不能太强而引起震荡；输出应占到总能量的80%左右，在腔内反射的能量在20%左右.这是利用光栅对不同偏振态的衍射效率不同来实现的.上述衍射效率，相应于光偏振方向垂直光栅刻缝方向.

4）用小纸片进行单模粗调

激光放大需要光能在外腔来回反射，因此二极管内壁与反射光栅表面的楔角要形成良好的1对反射壁，使得只有某一波长的光波满足干涉加强条件而得到放大.在黑色不透光的小纸片上扎1个小孔，然后把纸片置于二极管和光栅之间，使光线只能通过小孔照射到光栅上；通过光具架上的俯仰和左右2个调节螺母，调整光栅的方位角，使得被光栅表面反射回纸片的光斑与透光的小孔重合.

5）用光强计进行单模细调

用光强计监测输出光强，降低电流，利用光强的阈值细调至最佳：光强计接收被光栅表面反射的输出光，调节二极管电源的电流，第一次可先调至32mA左右（使得激光输出在1mW左右，该光强下的电流在此实验中作为阈值电流），然后缓慢地调节光栅的俯仰和左右的2个螺母（注意每次只调节其中一个），提高光强读数达到极大.然后逐渐降低电流，重复以上调节螺母的过程，使得光强处于极大.这样可以不断降低阈值电流.反馈细调成功后的一个标志性现象，就是在阈值电流下的反馈，能大大提高激光输出功率：比如反馈良好下，激光阈值功率在1mW；稍微调节光栅角度使得反馈变差，功率会降至几十μW，即下降1个数量级.

6）光纤耦合调节

粗调光纤架位置：将带有光纤接头的光纤架固定在光学平台的合适位置，令其高低、左右、朝向等均大致合适，使得光栅表面反射过来的输出光束尽可能准确地恰好穿过中心的接孔.接入光纤，细调光纤架的朝向，分别依次细调光纤架的俯仰螺母和左右螺母，使得通过光纤后的光线最强.

7）接入监测部分

在示波器上观察单模与多模的现象：缓慢地调节电源电流的细调旋钮，可以在示波器上交替看到单模激光和多模激光的信号，这是由于注入电流变化使波长能谱变动所致；在单模时，可以看到示波器上呈现有若干个等高的峰的图像，它们都是同一纵模信号；在多模时，可以看到示波器上显示很多组而且不同组峰值不等的信号，这表明不只有1个模式.

8）波长调节

实验所搭建的激光器可输出一定频段的单模激光，具备频率可调谐的能力.参看示波器上的图像，调节电流细调旋钮，将激光选择在1个单模上.再将输向法布里－珀罗干涉仪的光纤一端转接至波长计上，可直接读出激光的波长.如果单模性很好，可见波长计的波长读数只有小数点后第四位即最末位有跳动，如果变动很大，说明还是多模状态，通过小心调节电流细调旋钮和光栅左右朝向的螺母，可调节至单模.图7和图8分别是激光输出为单纵模和多模时从示波器上看到的图像.

图7 单纵模图像

图8 多模图像

4 结束语

采用Littrow结构进行光栅外部反馈，用普通的半导体激光器加上光栅反馈组成外腔可调谐半导体激光器.利用光栅的色散选择作用，使得激光增益中频率很窄的一部分发射谱反馈到激光管内，增加了出射激光模式的竞争性，使得激光更容易工作在单纵模与窄线宽状态.该激光器具有结构简单、体积小、输出线宽窄等优点.

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