窄线宽半导体激光器件

１４６红外与激光工程第３６卷滤波后对应ＡⅡａｌｌ标准差双对数曲线。

表ｌ为滤波前后各项噪声系数的对比。

参考文献：表１滤波前后噪声误差系数【ｌＪＴａｂ．１Ｎｏｉｓｅｅｒｒｏｒｃｏｅ任ＩｃｉｅⅡｔｂｅｆｏｒｅ锄ｄａ跏ｒｍｔｅ血ｇ嚣蕊Ｑ，删馏一ｐ韶。

Ｒ≯圈０ｒｉ百ｎａｌｓｉｇｎａＩ２０．０９０４０．０ｌｌ６００５３２０．００８３１．６０６６ｅ－４Ｍｅｄｉ蛆ｆｉｌｔｅｒｉｎｇＯ．８５３８０．００９９０．０５２１Ｏ舢８２１．５３ｌ２ｅ＿４ｗａｖｅｌｅｔｓ。

ｆｔ【３】ｔｈｒｅｓｈｏｌｄＯ．２９６ＯＯ．００２４ＯＤ５０ＯＯ．００６ｌ１．０５３Ｏｅ－４ｆｉｌｔｅ血ｇ裔窑嚣础湎ａｎｏ．０９·ｓｚ０８０甜０．ｏ·６·ｓＢ曰ｓ“３．０９，ｏｅ一６［４］ｎｌⅡ釉ｇｆｑｆ４结论由图２（ｂ）一（ｄ）和表１可以看出，激光陀螺零漂测［５】试数据经三种滤波算法滤波后各项噪声系数均有所减小，但文中所设计的小波中值滤波算法效果最［６】好，经过滤波后，量化噪声和角度随机游走分别减小为原来的０．４６％和６．１％，零偏不稳定性下降至滤波前的３０．２６％，速率随机游走和速率斜坡也分别下降为原来的４．６６％和１．９３％。

由此可见，通过设计小波中值滤波器，将小波和【７】中值滤波有效地结合起来，滤波效果非常明显。

经小波中值滤波算法滤波后，激光陀螺信号的绝大部分随机噪声已经得到抑制，随机误差已减小至很小的程【８】度，其滤波效果较为理想，激光陀螺的测量精度也大大提高。

（上接第８８页）ａｐｐｎｃａｔｉｏｎｐｍｓｐｅｃｔｓｏｆｌｌｉｇｌｌ枷ｅｒｙｌａｓｅｒｗｅ印ｏｎ【Ｊ】．ｂｆ｝删锄ｄＬａｓｅｒＥ嘴ｉｌｌ咖（余辉，谭胜．高能激光武器的发展和应用前景．红外与激光工程），２００２，３ｌ（３）：２６７—２７１．【２】ＨＵＡＮＧＴａｏ，Ｌ小Ｍｉｎｇ－ｈｌｌｉ，Ｃ｝玎狲ＧＺｕ－ｈａｉ，ｅｔａ１．Ｔｈ锄ａｌｄｅ］［ｂｎｎａｎｏｎｎｌｏＩｄｅｌａｎｄｍｌⅡｌｂｅｄｃａｌｃａｌｃｕｌａｄｏｎｏｆｔｔｌｅｎｌｅｔａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｍｊｒＴＤｒｏｆｌｌｉ曲ｐｏｗｃｒｌａｓｃｒ【Ｊ］．硒ｇｈＰｏｗ盯Ｌ榭柚ｄＰａ硝ｄｅＢ咖ｓ（黄涛，林明辉，程祖海，等．强激光全反射镜热变形模型及计算．强激光与粒子束）＇１９９５，７（３）：３６６—３７１．【３】ＬＵＹｕ－Ｈｎｇ，ＣⅢ狲ＧＺｕ－ｈａｉ，ＺＨＡＮＧＹａｏ—ｎｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉ－ｇａｄｏｎｓ缸ｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｎｅｗＩｎｕｌｔｉ．１ａｙｃｒｃｏｍｐｌｅｘＨｑｌｌｉｄ一砌ＡＮＩＭＭ．ｍｎｇｌａｓｅｒｇｙｍｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ丽ｍｃｌｕｓｔｃｒｓ锄ｐｈｎｇｔｅｃｌｌｎｉｑｕｅ［Ｃ】，，Ｐｒｏｃ∞ｄｉｎｇｓｏｆＳＰⅢ，１９８３，４１２：２０７—２２０．ＬｄＹ趾舶ｎｇ，ＣＵＩＺｌｌｏｎｇ＿ｘｉｎｇ．Ｒｉｎｇｌ雒ｅｒｇｙｒ０ｓｉｇｎａｌ趾ａ】ｙｓｉｓａＩｌｄｐｆｏｃｅｓｓｉｎｇ【孔Ｃｈｉｌｌｅ∞Ｊｏ咖删ｏｆＳ∞∞ｒｓ粕ｄＡｃｔＩｌａｔ０隔（吕妍红，崔中兴．环形激光陀螺信号分析与处理．传感技术学报），２００４，１７（２）：２４９—２５２．￣ⅡＡ０Ｌｉｎｇ－ｊｕ趾．ＡｐｐＨｃａｔｉｏｎｏｆｗａｖｅｌｅｔａＩｌａｌｙｓｉｓｉｎｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆⅡｌｃｆｉｂｅｒｏ埘ｃｇｙｍ【Ｊ】．Ｊ０哪ａｌｏｆＡｓｔｍ咖廿俗１４８红外与激光工程第３６卷以由Ｓｃｈａｗｌｏｗ－Ｔｏｗｎｅｓ公式进行描述，但是人们发现半导体激光器线宽的测量值比Ｓｃｈａｗｌｏｗ＿Ｔｏｗｎｅｓ公式给出的估算值大了５０倍。

１９８２年，Ｃ．Ｈ．Ｈｅｎｒｙ指出州，自发辐射会随机地造成光场相位和强度的改变，为恢复稳态场强，激光器将经历一段弛豫振荡，产生一个净的增益变化：△ｇ（ｆ）＝（一２∞／ｃ）△，ｚ”（ｆ）（１）式中：△ｎ”（『）是折射率虚部相对于稳态值的变化，是由载流子浓度的变化引起的。

载流子浓度的变化同时也会造成折射率实部ｎ’的变化，从而导致光场的附加相移，引起激光器线宽展宽。

Ｈｅｎｒｙ引入了线宽展宽因子：ａ＝器罱＝誓器㈤归面万丽２百丽Ｌｚ，式中：Ⅳ为载流子浓度；口为微分增益；入是真空中波长。

在考虑线宽展宽因子的影响后，半导体激光器的线宽为：舡器（１０）（３）式中：Ｒ为光限制因子；尺。

为自发辐射速率；ⅣＰ为光子密度。

公式（３）中，船ｓＤ／（４１ＴⅣＰ）是只考虑自发辐射时激光器的线宽。

即，由于载流子浓度涨落的影响，半导体激光器的线宽展宽了（１＋““）倍。

为便于分析，公式（３）还可以进一步写为【３Ｊ：扯卫峰毕（１０）（４）式中：唯是群速度；‰是自发辐射因子；璐是腔内损耗（包括吸收、衍射、散射等）；％是谐振腔损耗；Ｐ。

是输出光功率。

该式称为修正的Ｓｃｈａｗｌｏｗ可ｏｗｎｅｓ公式。

Ｈｅｎｒｙ的理论很好地解释了早期人们观测到的半导体激光器线宽与Ｓｃｈａｗｌｏｗ－Ｔｏｗｎｅｓ公式的矛盾。

下面根据修正的Ｓｃｈａｗｌｏｗ－Ｔｏｗｎｅｓ公式，对影响ＤＦＢ半导体激光器线宽的各种因素进行分析。

１．１输出光功率线宽△ｖ与输出光功率尸。

成反比，当光功率增加时，自发辐射的比例降低，于是线宽减小。

但当输出功率不断增加时，由多种非线性因素导致的模式竞争会加剧，从而增大了线宽。

因此，不可能无限制地通过增加光功率来减小线宽。

１．２谐振腔损耗与腔内损耗减小谐振腔损耗％和腔内损耗强都可以减小线宽△ｖ。

Ｆ—Ｐ腔激光器的谐振腔损耗为：仪。

＝（１亿）１ｎ（１侬）（５）式中：￡是激光器腔长；只是端面反射率。

由公式（４）可知，△ｖ是Ｌ的减函数，增加￡可以减小△１，。

对于ＤＦＢ激光器来说，通常要在两个端面上镀抗反膜，因此不存在真正意义上的端面反射。

一般用耦合系数Ｋ来表征ＤＦＢ激光器中分布反馈的强弱，增大Ｋ就可以减小ｄ。

，进而减小△ｖ。

Ｋ．Ｋ蜘ｉＩＩｌａ等人分析指出，忽略ＤＦＢ激光器的端面反射，在归一化耦合系数地》１的情况下，△ｖ与趔成反比…。

２０世纪８０年代，人们研究的重点是通过增加ＤＦＢ激光器的腔长和耦合系数来减小线宽。

Ｋ．＿Ｙ．Ｌｉｏｕ等人制作了不同腔长的１．３斗ｍＩｎＧａＡｓＰ掩埋异质结ＤＦＢ激光器，并测量了它们在不同功率下的线宽【ｓ】，如图ｌ所示。

图ｌ不ｌ司腔长ＤＦＢ激光器（实线）在不Ｊ司功率Ｆ的线宽与波长失谐ＤＦＢ激光器（虚线）Ｆｉｇ．１ＭｅａｓｕｒｅｄｌｉｎｅｗｉｄｔｈｓｉｎｖｅｒＳｅｏｕ￡ｐｕｔｐｏｗｃｒｆｂｒＤＦＢｌａｓｅｒｓｗｉｍｖａＩｉｏｕｓｃａｖｉｔｙｌｅｎｇｔｌｌｓ（ｓｏｌｉｄｌｉｎｅｓ）ａＩｌｄｆｏｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｅｔｕｎｃｄＤＦＢ１ａｓｅｒＳ（ｄａｓｈｅｄｌｉｎｅ）可以看出线宽基本上与功率Ｐ成反比，并随腔长的增加而减小。

腔长２５０¨ｍ的激光器（ａ）在１ｍｗ下的线宽约为１５０ＭＨｚ，而腔长７８０斗ｍ的激光器（ｄ）在６ｍＷ下线宽减小到了３ＭＨｚ。

腔内损耗包括由于材料的吸收、衍射、散射等造成的损耗，一般难以通过ＤＦＢ激光器结构设计的改变来减小。

１．３线宽展宽因子线宽展宽因子ｄ是半导体激光器的特有参数，减小ｄ可以有效地减小线宽。

由公式（２）可知，提高微分增益日能减小０１。

多量子阱激光器由于有较大的口，因而ａ较小，典型值为２～５，而体材料半导体激光器的ｎ为５～１０。

随着材料生长技术的进步，目前多量子阱激光器已经得到了广泛的应用。

在多量子阱激光器中引入增益耦合，可以使线宽展宽因子进一步减小。

Ｒ．Ｓｃｈｒｅｉｎｅｒ等人报道了一个１．５５斗ｍ混合耦合ＤＦＢ（ＣｏｍｐｌｅｘＣｏｕｐｌｅｄＤＦＢ，ＣＣ一∞∞舳＂蛐们∞∞ｍ第２期罗毅等：窄线宽半导体激光器件１４９ＤＦＢ）激光器㈣，如图２所示。

激光器腔长为３７５¨ｍ，１１１Ｐ：ｏ１１１ＧａＡｓＰ（２）（五：１．３２扯ｍ，ＲＴ）８ＭＯＷＩｌｌＧａＡｓＰＣＯｍＤｒｅＳＳｌＶｅ．１ｎ（ｊａＡｓＰ（１）（五＝Ｊ．０５ｕｎｌ，ＲＴ）ｌｎＰ：ｎｇｔ心ｎ瞬。

”ｔ厂］广］厂］ｘ０ｌ图２ＣＣ－ＤＦＢ激光器有源区的结构Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｄｃｄｉａｇ枷ｏｆｔｔｌｅａｃｔｉｖｅｌａｙｅｒｏｆｔ１１ｅＣＣ姗ｌ嬲ｅｒ有源区为８层１．２％压应变的ＩｎＧａＡｓＰ量子阱，其平均折射率为，ｌ。

制作光栅时，用低损伤的干法刻蚀部分去除顶部４层量子阱，然后用ＭＯＶＰＥ生长上一层折射率为，ｚ２的ＩｎＧａＡｓＰ覆盖层，且ｎ２＞，ｚｌ。

由此形成的折射率的耦合与增益的耦合是反相的，即折射率大的地方增益小，折射率小的地方增益大。

据测量，该激光器的归一化耦合系数为１．４８，输出光功率为４ｒｎＷ时，线宽约为２５０ｋＨｚ，线宽一功率积为１ＭＨｚ·ｍｗ，如图３所示。

图３线宽测量结果Ｆｉｇ．３Ｍｅａｓｕｒｅｄｌｉｎｅｗｉｄｍｓ激光器工作波长的设定对于微分增益也有一定影响。

如果通过设计ＤＦＢ激光器光栅的周期，使工作波长往短波长方向偏离增益谱的峰值，那么微分增益会变大，线宽随之减小晡】。

在图ｌ中，虚线（ｅ）是一个腔长２５０恤ｍ、工作波长向短波长方向失谐１５ｎｍ的ＤＦＢ激光器的测量结果，其线宽大约是无失谐时（ａ）的ｌ／４。

据计算，激光器（ｅ）和（ａ）的ｄ分别为２．６和６。

理论上，采用更高维的量子限制可以实现更高的微分增益，从而进一步减小线宽展宽因子，但由于制作工艺还不成熟，量子线、量子点激光器还处于研究阶段。

１．４光限制因子由公式（４）可知，减小光限制因子Ｌ，可以减小激光器的线宽。

Ｙ．Ｉｎａｂａ等人首次在实验上验证了这一点‘７１。

他们在工作波长为１．３斗ｍ的增益耦合ＩｎＧａＡｓＰ多量子阱激光器通过改变量子阱的层数和ｐ型分别限制层的厚度来调节光限制因子Ｌ。

当ｒｗ减小为０．４％时，输出光功率６０ｍＷ下可以获得７４ｋＨｚ的线宽，相应的线宽一功率积约为３ＭＨｚ·ｍＷ。

这是目前报道的线宽最窄的增益耦合ＤＦＢ激光器，也是线宽最窄的１．３¨ｍ半导体激光器。

１．５光栅结构虽然理论上，提高耦合系数Ｋ可以减小线宽，但Ｋ过大，也将引起空间烧孔，造成模式竞争加剧，导致线宽展宽，而且还会减小激光器的外量子效率，不利于大功率工作，因此必须在制作器件时，适当控制光栅深度，以使归一化耦合系数适中。

根据这一结论，Ｈ．Ｂｉｓｓｅｓｓｕｒ等人于１９９２年报道了一个腔长ｌ４５０“ｍ的ＩｎＧａＡｓＰ应变量子阱ＤＦＢ激光器嘲。

该激光器的光栅结构均匀，没有加入任何相移。

通过适当控制光栅深度，使Ｋ约为２０ｃｍ～。

当输出光功率为１０ｍＷ时，其线宽达到了７０ｋＨｚ，线宽一功率积为０．２ＭＨｚ·ｍＷ，这是目前均匀光栅ＤＦＢ激光器达到的最窄线宽。

由于折射率耦合ＤＦＢ激光器可能会出现双模工作，通常需要对光栅结构进行一些特殊的设计，以增大不同模式之间的阈值增益差。

最常用的方法是引入Ｍ相移，也可以在光栅中加入多处相位突变，即多相移（Ｍｕｌ邱ｌｌｅ－ＰｈａｓｅＳｌｌｉｆｔ，ＭＰＳ）ＤＦＢ激光器嘲。