半導(dǎo)體激光器相對光頻偏的干涉測量方法研究

王永晨

摘 要：半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。本次通過檢測LD輸出激光在干涉場中干涉條紋位移的變化，得到LD在一定時間內(nèi)相對自身輸出光頻偏情況。

關(guān)鍵詞：LD；干涉法；頻偏

中圖分類號：TN365 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0038-02

1 研究背景

半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的Pn結(jié)或Pin結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化鎵（GaAs）、砷化銦（InAs）、銻化銦（InSb）、硫化鎘（CdS）、碲化鎘（CdTe）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）、鋁鎵砷（AlxGa1-xAs）等。半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式，絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注入，即給Pn結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個正向偏置的二極管[1]。因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管，對半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上，它們所發(fā)出的波長在0.3～34Lm之間，其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長為750～890nm。

世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，覆蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴散法到液相外延法（LPE），氣相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD方法（金屬有機化合物汽相淀積），化學(xué)束外延（CBE）以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝，其激射閾值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時從最初的低溫（77K）下運轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級。它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高（已達10%以上，最大可達50%）便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。目前，固定波長半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代。

半導(dǎo)體激光器最大的缺點是：激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大（一般在幾度到20度之間），所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究正向縱深方向推進，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高。目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有了很大的提高。以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)在21世紀(jì)的信息社會中將取得更大的進展，發(fā)揮更大的作用[2]。

2 研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。進入80年代，人們吸收了半導(dǎo)體物理發(fā)展的最新成果，采用了量子阱（QW）和應(yīng)變量子阱（SL-QW）等新穎性結(jié)構(gòu)，引進了折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器以及增強調(diào)制Bragg發(fā)射器最新技術(shù)，同時還發(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術(shù)新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應(yīng)變量子阱材料。于是制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)并特別值得一提的是面發(fā)射激光器，在1977年，人們就提出了所謂的面發(fā)射激光器，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發(fā)射激光器。20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學(xué)中的多種應(yīng)用。目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面。

3 關(guān)鍵問題及解決方案

3.1 關(guān)鍵問題闡述

引起LD頻率變化的因素主要有兩個，即溫度和驅(qū)動電流。溫度變化對LD，輸出特性的影響是比較大的。一般單縱模LD，發(fā)射光頻率隨溫度的漂移為20-30GHz/℃。當(dāng)LD的注入電流發(fā)生變化時，輸出光頻特性也將隨之變化，變化范圍約為5GHz/mA。半導(dǎo)體激光器（LD）已廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)，然而LD的頻漂已嚴(yán)重制約了測量系統(tǒng)精度的提高，尤其在特定計量、光通信、光頻標(biāo)等應(yīng)用中，對激光器輸出頻率穩(wěn)定的要求非常高。故對LD輸出光頻進行測量和控制具有十分重要的意義和實用價值[3]。

本研究通過檢測LD，輸出激光在干涉場中干涉條紋位移的變化而精確測得光頻偏值，從而為LD的自動穩(wěn)頻奠定了基礎(chǔ)。

將一單色光分為兩束，讓它們經(jīng)過不同的光程，光程差為ΔL，則相位差為ΔΨ為：，其中c為真空光速，v為光頻率。對于兩束相光束，決定明暗條紋的干涉條件為：，k=0，1，2，3……（加強/減弱），干涉條紋可以用條紋的干涉級k來表征，由上式可得：，如果保持不變，由上式可得，此時干涉級數(shù)k只和光頻v有關(guān)。如果v有變化，則k也作相應(yīng)變化。

舉例說明：波長623nm的紅光來說，=4.815409309×1014Hz，若=0.1m，則k=160513.6436。若c有變化，設(shè)，使=10-7v=4.815409309×107，則有，則k1=160513.6652，k2= 160513.6286?？梢妼τ谌绱说墓獠?，當(dāng)頻率有=10-7v的變化時，確定點所對應(yīng)的干涉級數(shù)k也有變化，變化范圍=0.03。也就說若能檢測到同級干涉條紋3%的位移，就可檢測到10-7v的光頻變化。

3.2 實驗方案及相關(guān)結(jié)果

實驗系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器線性調(diào)制干涉方法測量位移的總體方案。如圖1所示。

系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器，光隔離器，光纖分路器，自聚焦透鏡，反射鏡，光探測器組成。受鋸齒波（或三角波）調(diào)制的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的調(diào)頻光經(jīng)光隔離器，Y型光纖分路器后，由自聚焦透鏡準(zhǔn)直后平行射出。反射鏡反射回的光束通過自聚焦透鏡耦合回光纖，經(jīng)過光纖分路器到達光探測器，和自聚焦透鏡出射端面反射回來的光束在光電探測器處發(fā)生干涉。光纖分路器、自聚焦透鏡、反射鏡、光探鍘器組成了一個斐索型共光路干涉儀[4]。

在此實驗當(dāng)中半導(dǎo)體激光器的注入電流對于干涉條紋有影響，首先對注入電流的調(diào)制特性做簡要分析：根據(jù)注入電流調(diào)制頻率的高低，可以將半導(dǎo)體激光器的輸出光頻特性分為兩個區(qū)域：當(dāng)電流調(diào)制頻率小于10MHz時，輸出光的頻率偏移主要是由工作區(qū)溫度變化而引起的，此時輸出光頻率隨調(diào)制電流線性變化；在大于10MHz時，主要是由載流子效應(yīng)引起的，這時輸出光頻與電流的關(guān)系不再是線性的了。

當(dāng)半導(dǎo)體激光器的注入電流發(fā)生變化時，輸出的光頻特性將隨之變化。如當(dāng)注入電流大于半導(dǎo)體激光器的閡值后，輸出光為激光。又有當(dāng)注入電流增加，輸出光功率增大，譜線寬度變寬，相干長度增大。移動條紋和注入電流變化的關(guān)系，如表1所示。此關(guān)系也表明了在干涉場上檢測到條紋的位移，則說明LD的輸出光頻產(chǎn)生了變化，如果測出LD輸出光頻偏值，則可通過改變LD的注入電流大小，使得LD的輸出激光頻率穩(wěn)定[5]。

4 討論與展望

時至今日，半導(dǎo)體激光器是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信。GaAs/GaAlA雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB一LD）。由此可見半導(dǎo)體激光器在通信領(lǐng)域當(dāng)中的重要地位。

此外半導(dǎo)體激光器還廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如激光制導(dǎo)跟蹤、激光雷達、激光引信、激光通信電源、激光瞄準(zhǔn)告警、激光通信等。目前，世界上的發(fā)達國家都非常重視大功率半導(dǎo)體激光器的研制及其在軍事上的應(yīng)用。

參考文獻

[1]柯常軍.高功率雙包層光纖激光器[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2003，1（5）：43-46.

[2]孫偉濤.半導(dǎo)體激光器相對光頻偏的干涉測量法[D].北京：中國計量科學(xué)研究院，2005：5-17.

[3]葉震寰，樓祺洪，薛東.窄線寬光纖激光器[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2004，2（1）：1-8.

[4]程末明.21世紀(jì)的半導(dǎo)體激光器[J].光機電信息，2002，（1）：7-8.

[5]黃章勇.光纖通信用光電子器件和組件[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001，（2）：12-13.