ECL外腔半导体

激光器工作需要两个要素：（1）主动增益介质放大光学信号，和（2）反馈机制，以提供持续的激光振荡。

在法布里-珀罗激光器中，两个反射镜的反射系数分别是r
1和r
2（功率反射率
R1 = r12和R2 = r22），给光场
提供反馈，如图1所示。

图1：法布里-珀罗激光器结构
在长度为L的谐振腔内，光场的往返增益可以表示为：
公式 1：光场的往返增益
其中g和α
i 分别是增益和内损耗系数，λ是真空中的波长，n
eff是有效折射率，
L是腔长。

解析阈值振幅和
相位条件的结果为：
公式2：振幅条件
公式3：相位条件
其中α
定义为镜面损耗，N 是整数下标，代表模式数。

m
在半导体（二极管）激光器中，增益介质是通过向正向偏置二极管的结区域注入电流来激发的。

半导体激光器的人工量子阱结区内的高浓度电子和空穴使产生实现光学增益所需的粒子数反转成为可能。

当增益介质是半导体材料时，可以通过芯片的两个解理面之间的菲涅耳反射建立法布里-珀罗谐振腔。

结区实际上是一个波导，从一个面延伸到另一面。

一个垂直于波导的未镀膜的“解理“面的反射率R大约为30%。

然而，器件的最大输出功率可以通过对端面镀膜，改变端面的反射率来进行优化。

法布里-珀罗激光二极管的最大功率通常是通过在后端面镀高反（HR）膜，在前端面镀低反（LR）膜得到的。

，根据相位公式定义，法布里-珀罗激光二极管器件的发射谱将依赖于注入电流。

当偏置小于阈值时g > α
i
发射谱包含一系列的峰，这些峰对应法布里-珀罗腔的纵模。

不断增加注入电流，直到满足g = α
i+ αm，才会产生激光。

激光波长是由第一个满足阈值条件的纵模决定的。

输出光谱并不总是压缩为单一的辐射波长，也可是纵模组成的窄带光谱。

图2：法布里-珀罗激光器增益曲线
这对基于InP的法布里-珀罗激光器尤其有效，通常它的光学带宽为5到10纳米。

基于GaAs的器件能工作在单纵模模式，但这取决于波长和输出功率，通常它们的输出带宽小于2纳米。

典型的850纳米激光二极管的腔长在300微米左右，群折射率在4左右，其纵模间隔将为0.3纳米，这与1毫米长的1550纳米激光二极管相似。

改变谐振腔的长度或者折射率，比如通过对激光二极管加热或制冷，将会移动整个模式梳，相应地移动了输出波长。

激光器线宽
半导体激光器的单纵模激射线宽（FWHM）由修正的Schawlow和Townes公式定义，公式中加入了Henry ：
线宽增强因子α
H[1]
公式4： Schawlow-Townes-Henry 激光线宽
其中hv 是光子能量，v g 是群速度，n sp 是粒子数反转因子，P out 是单面输出功率。

这个公式描述了相位和振
幅波动引起的激光线宽的光谱展宽，光谱展宽是由对相干激射模式不可避免的自发发射光子引起的。

这些所谓的量子噪声波动定义了激光线宽的下限，而这种微小的波动可能会被机械/声音变化或者热变化引起的更大的波动所掩盖。

增加谐振腔的长度将会减小αm （见公式2），从而减小线宽。

这可以通过量子噪声极限线宽理解（见公式
4），量子噪声极限线宽与激射模式中的自发辐射光子数成正比。

增加谐振腔的长度既减少了的自发辐射光子数（通过减少每个纵模的“冷腔”光谱宽度），又增加了谐振腔中的总光子数，实现固定输出功率。

这就是为何Schallow-Townes 公式中谐振腔长度项出现两次的原因。

腔长为0.3毫米的单频分布式反馈（DFB ）二极管激光器的将通常具有1MHz 到10MHz 的发射线宽。

举例来说，如果把腔长增加到3厘米，将会使发射线宽变窄超过100倍。

已有报导[2]显示腔长增加的半导体激光器的发射线宽可降低至
单波长工作和调谐
对于许多应用，我们希望得到单纵模（单频）激光，能够调节激光波长，或者两点都能满足。

为了满足这种需求，可在半导体激光器芯片的外部加入波长选择反馈元件，用于选择激射波长。

为了实现这种外腔激光器（ECL ）的正确工作，需要抑制半导体芯片法布里-珀罗腔产生的本征光学反馈，从而使它不会干扰外部反馈。

通过在芯片的一个端面镀光学减增透膜（AR ），可以减少增益芯片的法布里-珀罗腔效应。

图3：基于增益芯片的外腔运行
在最小值时，芯片端面反射（R 1）应该比外部反馈（R ext ）小20 dB ；也就是，R 1 < 10-2 x R ext [3]。

即使镀了增透膜，法布里-珀罗增益芯片端面的残余反射也常常限制了ECL 的稳定性、输出功率和光谱质量，特别
是如果激光器是可调谐的。

为了进一步减少芯片端面的反射，可以结合使用带角度的波导和增透膜，从而有效地消除来自内部芯片法布里-珀罗腔的大部分反馈[4] 。

该单角度面（SAF）增益芯片为ECL，特别是在宽带可调谐ECL中，提供了优越的结构。

图4：单角度面增益芯片
外腔激光器设计
实现外腔半导体激光器的方法有很多[3]。

对于大多数方法，首先考虑的是选择一个合适的波长选择反馈元件。

最常用的反馈元件之一是衍射光栅，可用作单频和宽带可调谐外腔激光器的反馈元件。

当增益芯片的准直输出光以相对于光栅表面θ角入射到衍射光栅上，并垂直于光栅线时，衍射光束的出射角为θ'由光栅公式确定：
公式5：光栅方程
这里n是衍射级数，λ是衍射波长，d是光栅常数（刻槽之间的距离）。

对n > 0级衍射，衍射光栅将会再空间上分离同一级衍射光中的不同波长成分，因为衍射角θ'与波长有关。

一旦增益芯片的光谱成分被空间分离，可以通过很多方法来选择被反射回增益介质的特定光波长。

Littrow谐振腔ECL结构
最简单的方法之一就是使用Littrow结构，此时衍射光栅的朝向是固定的，所以一级衍射沿入射光方向原路返回到增益芯片中（即上述的公式（5）中θ = θ'）：
公式6：光栅公式，Littrow结构
激光器的输出功率可以从光栅的零级反射光得到，通常采用这种方法，因为这种方法构建ECL所需的光学元件最少（只需要一个准直透镜和一个衍射光栅）。

波长调谐是通过旋转衍射光栅实现的，旋转光栅改变反射回波导的光波长。

当选定衍射光栅（光栅常数）、准直透镜和腔长后，在波导的接收角范围内，只有一个纵模被反射回增益芯片，外腔激光器将产生单频激光光谱。

注意准直透镜的选择非常重要，因为准直透镜会影响照射到光栅上的面积，也会影响耦合进半导体增益芯片的聚焦点尺寸。

这种结构的一个缺点是零级输出光的角度随波长的变化而变化。

然而，如果ECL 输出是从SAF增益芯片的垂直面出射的话，这个问题就可以避免。

在这个结构中，SAF垂直面的反射率通常会减少到R ~ 10% ，并选择对所用的衍射级有效衍射的光栅，从而使ECL的输出功率最大。

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图5：Littrow外腔激光器
Littman-Metcalf ECL结构
另一种常用的ECL实现方法是Littman-Metcalf结构，该结构使用额外的可调节反射镜来选择反馈波长[5]。

相比前一种结构，Littman-Metcalf结构中入射角增加，并在光栅上发生两次衍射，从而使外腔具有更好的波长选择性。

正因如此，Littman-Metcalf ECL的输出光束的线宽通常比类似的Littrow结构的线宽更窄。

在Littman-Metcalf结构中，激光的输出光束通常是衍射光栅的零级反射，这是因为当波长调谐时，传输方向保持不变。

在这种情况下，为了使ECL内的损耗最小，在SAF的垂直面上镀上高反（HR）膜，一般>90%，使输出功率最大。

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图6：Littman-Metcalf外腔激光器
对于一些应用，可能还是会希望使用SAF芯片的垂直面作为激光器的耦合输出器。

对于这些应用, 需要SAF 芯片垂直面镀低反射率膜，来使激光器的输出功率最大。

Littman-Metcalf设计的一个缺点是其内部损耗要高于Littrow结构，所以通常激光器的输出功率也较低。

其内部损耗增加主要是因为从转向镜反射的零级光束的损耗，以及当用于大角度反射光时，光栅的效率降低引起的损耗增加。

创新的ECL设计
SAF芯片的创新设计非常适合用于外腔激光器，因为它几乎消除了来自增益芯片腔内端面的有害反馈。

Thorlabs提供在垂直面上镀低反膜和高反膜的SAF芯片，以支持各种各样的外腔结构。

关于自定义镀膜来优化特殊外腔激光器结构的性能的信息，请联系技术支持。