半导体芯片电路线宽显微测量精度分析

何慧斌 黄晶

摘要：半导体激光器由于寿命长、体积小、可靠性高、成本低、频率可调谐等优点，而被广泛应用于测量和通信等领域。普通半导体激光器频率和相位噪声很高，线宽很宽，因而限制了其在一些领域的应用，窄线宽稳频半导体激光器在基础研究及高科技产品研发中都有着非常重要的应用，如光原子钟、高分辨率激光光谱、基本物理常数测量和基础物理研究等。

关键词：半导体芯片;线宽;精度

1前言

窄线宽激光器以其窄的输出线宽在光通信与光探测等领域获得了广泛的应用。如卫星间的光互联空地相干通信，多普勒激光冷却原子实验以及气象探测激光雷达等应用均充分证明了这一点。外腔半导体激光器是一种廉价高性能的窄线宽光源，然而国内对于其线宽性质的研究并不全面，国外Hisham等人对外腔激光器进行了较为详细的研究，但是却无法很好地体现外腔的压窄作用。针对其研究缺陷，本文在考虑外腔压窄作用下，对激光器的线宽特性进行了全面的研究。

外腔激光器可以分为强反馈和弱反馈两种，外腔反馈强于耦合端面时为强反馈，外腔反馈弱于端面时为弱反馈。激光增益芯片耦合端通常镀有增透膜，其反馈强度往往远小于外腔反馈强度，即强反馈。针对这种情况，本文同时考虑了内腔与外腔的双重作用，分析研究了激光器内部阂值特性、电学以及激光器外腔反馈、压窄等特性对激光器线宽的影响，理论模拟的结果显示外腔反馈的增强、有源区尺寸的减小、外腔长度的增加可以有效压窄激光器线宽。

2半导体激光器压窄线宽显微和测量精度分析

对于半导体激光器，可以通过改变其自身的一些参数如光限制因子、输出光功率、线宽展宽因子、谐振腔损耗和腔内损耗等来减小激光器的线宽。此外，在激光器工作过程中，由于环境因素引起的扰动也会影响激光器的线宽。改善半导体激光器输出线宽的方法主要分为以下两类：

2.1半导体激光器稳频技术

一般的半导体激光稳频原理，这是一种常见的负反馈系统。通过对比激光频率与外参考频率，获得描述激光器频率噪声的误差信号，将得到的误差信号经过环路滤波后，再通过负反馈系统校正激光器的输出频率。在这样的系统中，作为外频率参考的源主要有两种：一种是原子或分子的跃迁谱线;另外一种是光学谐振腔（Fabry-Perot腔，简称F-P腔）的谐振频率。

下面具体介绍几种常见的半导体激光器稳频方法：①原子或分子谱线稳频。利用原子或分子的饱和吸收特性，将半导体激光器的频率锁定于原子或分子的饱和吸收峰，从而稳定激光的频率。由于原子或分子的跃迁谱线是物质的固有属性，受环境的影响很小，所以这种稳频方法具有较好的绝对稳定度。②F-P腔边带稳频。由于F-P腔具有高Q值，窄的共振谱线宽度，适合各种波长，以及共振频率漂移可控等优点，科研人员通常通过将半导体激光器的频率锁定到谐振腔的共振频率上来实现激光的稳频，激光频率的稳定度与F-P腔谐振频率的稳定度相关。

在边带稳频技术中，F-P腔的鉴频性能随精细度增大而提高，但F-P腔透射信号的时间响应速度与腔精细度成反比，腔的精细度越高，误差信号的响应速度越慢。边带稳频不需要调制技术就可以将激光锁定到F-P腔共振频率上，但这种技术具有一些严重的缺陷：1.探测信号的幅度噪声很大;2.系统锁频前激光与F-P腔谐振频率需要几乎完全一致才行;3.由于扰动使得锁定结果不够牢固;4.透射强度有噪声。③PDH稳频。为了不再受限于边带稳频技术的固有缺陷，一种借用微波稳频技术发展起来的相位调制光外差技术（Phase Modulation Heterodyne），也称为PDH （Pound-Drever-Hall）稳频方法得到了广泛应用其原理。输出激光首先经过声光调制器，二分之一波片用于调整激光的偏振方向，电光调制器对入射激光产生相位调制。调制后的激光分成两束，其中一束透过四分之一波片后垂直入射到F-P腔。当激光与F-P腔共振时，反射出的光两次通过四分之一波片后，其偏振方向较入射光偏振方向旋转了90°，经偏振分光镜反射后进入探测器。目前，一些实验室中用于光原子钟研究的超窄线宽稳频半导体激光器就是利用PDH方法将激光频率锁定到一个超稳、高精细度的F-P腔上实现的。在PDH稳频中，激光频率稳定度主要取决于F-P腔的腔长稳定度，而F-P腔的腔长变化主要由温度变化、机械振动和热噪声等引起。这种技术也存在着以下一些制约因素：1.由于要将激光频率锁定在F-P腔的谐振频率上，因而对于谐振腔的参数要求非常高;2.外界振动和温度变化对谐振腔的共振频率影响很大;3.为了获得稳定的激光频率，必须要对系统进行精密的控制。

2.2半导体激光器线宽压窄技术

目前半导体激光器压窄线宽的方法主要分为两类：光注入法和光反馈法（包括内腔法和外腔法）。光注入法压窄半导体激光器线宽的实质是选择特定波长的纵模注入激光器，导致该纵模在模式竞争中优先起振，优先达到饱和状态，使半导体激光器的增益曲线下降（半导体激光器属于均匀加宽），从而抑制旁纵模的振荡，窄化半导体激光器的输出谱宽。光注入法的注入光可以来自于功率小、线宽窄、频率稳定性好的激光信号，也有报导用铷原子蒸汽的一条谱线作为注入光，取得了线宽压窄的效果。

光反馈法和光注入法的实质类似。内腔法是在激光腔内实现光反馈，如分布式反馈激光器（DFB-LD）和分布布拉格反射器激光器（DBR-LD），也有利用一些特殊设计的激光谐振腔结构实现线宽压窄的研究。外腔法是用外部的鉴频器选择特定波长的纵模反馈回激光器，外腔半导体激光器具有结构紧凑、线宽较窄、波长可调谐等优点，为一种外腔半导体激光器原理图，是典型的Littrow结构，增益区的输出端镀有增透膜，另一端镀有高反膜，腔内光束经闪耀光栅发生衍射，一级衍射光反馈回增益介质中，零级出射光作为输出。

另外一种常用的也是本论文中用到的外腔光反馈方法是利用外部的高精细度

F-P腔来反馈激光。

改变激光器的注入电流调制激光器的频率，當激光频率与折叠型腔的某个谐振频率共振的时候，腔内谐振的窄线宽激光反馈回激光器中压窄激光器线宽，并使激光器的频率锁定在谐振腔的共振频率上，从而实现线宽压窄和频率锁定的效果。在这种方案中，F-P腔精细度越高，反馈光的线宽就越窄。

结束语

光纤布拉格光栅作为外腔激光器的反馈元件，可以将波长带宽极窄的部分光反馈回芯片的有源区内，通过光纤光栅的选模及反馈光与有源区的相互作用，可以有效改善半导体激光器的各项输出特性，压窄线宽，降低噪声。