半导体激光器相对光频偏的干涉测量方法研究

王永晨

摘 要：半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。本次通过检测LD输出激光在干涉场中干涉条纹位移的变化，得到LD在一定时间内相对自身输出光频偏情况。

关键词：LD；干涉法；频偏

中图分类号：TN365 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0038-02

1 研究背景

半導体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）、铝镓砷（AlxGa1-xAs）等。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式，绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给Pn结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管[1]。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管，对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上，它们所发出的波长在0.3～34Lm之间，其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaAs双异质结激光器，其输出波长为750～890nm。

世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法（LPE），气相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD方法（金属有机化合物汽相淀积），化学束外延（CBE）以及它们的各种结合型等多种工艺，其激射阈值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级。它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高（已达10%以上，最大可达50%）便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。

半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大（一般在几度到20度之间），所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用[2]。

2 研究现状

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。进入80年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱（QW）和应变量子阱（SL-QW）等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。

20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器，在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。为了满足21世纪信息传输宽带化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID，短波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面。

3 关键问题及解决方案

3.1 关键问题阐述

引起LD频率变化的因素主要有两个，即温度和驱动电流。温度变化对LD，输出特性的影响是比较大的。一般单纵模LD，发射光频率随温度的漂移为20-30GHz/℃。当LD的注入电流发生变化时，输出光频特性也将随之变化，变化范围约为5GHz/mA。半导体激光器（LD）已广泛应用于测量系统，然而LD的频漂已严重制约了测量系统精度的提高，尤其在特定计量、光通信、光频标等应用中，对激光器输出频率稳定的要求非常高。故对LD输出光频进行测量和控制具有十分重要的意义和实用价值[3]。

本研究通过检测LD，输出激光在干涉场中干涉条纹位移的变化而精确测得光频偏值，从而为LD的自动稳频奠定了基础。

将一单色光分为两束，让它们经过不同的光程，光程差为ΔL，则相位差为ΔΨ为：，其中c为真空光速，v为光频率。对于两束相光束，决定明暗条纹的干涉条件为：，k=0，1，2，3……（加强/减弱），干涉条纹可以用条纹的干涉级k来表征，由上式可得：，如果保持不变，由上式可得，此时干涉级数k只和光频v有关。如果v有变化，则k也作相应变化。

举例说明：波长623nm的红光来说，=4.815409309×1014Hz，若=0.1m，则k=160513.6436。若c有变化，设，使=10-7v=4.815409309×107，则有，则k1=160513.6652，k2= 160513.6286。可见对于如此的光波，当频率有=10-7v的变化时，确定点所对应的干涉级数k也有变化，变化范围=0.03。也就说若能检测到同级干涉条纹3%的位移，就可检测到10-7v的光频变化。

3.2 实验方案及相关结果

实验系统半导体激光器线性调制干涉方法测量位移的总体方案。如图1所示。

系统由半导体激光器，光隔离器，光纤分路器，自聚焦透镜，反射镜，光探测器组成。受鋸齿波（或三角波）调制的半导体激光器发出的调频光经光隔离器，Y型光纤分路器后，由自聚焦透镜准直后平行射出。反射镜反射回的光束通过自聚焦透镜耦合回光纤，经过光纤分路器到达光探测器，和自聚焦透镜出射端面反射回来的光束在光电探测器处发生干涉。光纤分路器、自聚焦透镜、反射镜、光探铡器组成了一个斐索型共光路干涉仪[4]。

在此实验当中半导体激光器的注入电流对于干涉条纹有影响，首先对注入电流的调制特性做简要分析：根据注入电流调制频率的高低，可以将半导体激光器的输出光频特性分为两个区域：当电流调制频率小于10MHz时，输出光的频率偏移主要是由工作区温度变化而引起的，此时输出光频率随调制电流线性变化；在大于10MHz时，主要是由载流子效应引起的，这时输出光频与电流的关系不再是线性的了。

当半导体激光器的注入电流发生变化时，输出的光频特性将随之变化。如当注入电流大于半导体激光器的阂值后，输出光为激光。又有当注入电流增加，输出光功率增大，谱线宽度变宽，相干长度增大。移动条纹和注入电流变化的关系，如表1所示。此关系也表明了在干涉场上检测到条纹的位移，则说明LD的输出光频产生了变化，如果测出LD输出光频偏值，则可通过改变LD的注入电流大小，使得LD的输出激光频率稳定[5]。

4 讨论与展望

时至今日，半导体激光器是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs/GaAlA双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB一LD）。由此可见半导体激光器在通信领域当中的重要地位。

此外半导体激光器还广泛应用于军事领域，如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光通信电源、激光瞄准告警、激光通信等。目前，世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光器的研制及其在军事上的应用。

参考文献

[1]柯常军.高功率双包层光纤激光器[J].光学与光电技术，2003，1（5）：43-46.

[2]孙伟涛.半导体激光器相对光频偏的干涉测量法[D].北京：中国计量科学研究院，2005：5-17.

[3]叶震寰，楼祺洪，薛东.窄线宽光纤激光器[J].光学与光电技术，2004，2（1）：1-8.

[4]程末明.21世纪的半导体激光器[J].光机电信息，2002，（1）：7-8.

[5]黄章勇.光纤通信用光电子器件和组件[M].北京：北京邮电大学出版社，2001，（2）：12-13.