半导体分布反馈激光器-DFB

半导体分布反馈激光器

半导体分布反馈激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。GaAs－GaAlAs分布反馈激光器已实现室温连续工作，阈值3.4×103安/厘米2(320K)。282K下得到的最大连续输出功率为40毫瓦。

半导体分布反馈激光器- 简介

采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的

半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些

性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采

用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。

1970年采用双异质结的GaAs－GaAlAs注入式半导体激光

器实现了室温连续工作。与此同时，贝尔实验室H.利戈

尼克等发现在周期结构中可由反向布喇格散射提供反

馈，可以代替解理面。在实验中，最初是把这种结构用

于染料激光器，1973年开始用于半导体激光器，1975年

GaAs分布反馈激光器已实现室温连续工作。

半导体分布反馈激光器- 原理

半导体分布反馈激光器的反馈结构是一种周期结构，反馈靠反向布喇格散射提供（见图）。为了使正向波与反向波之间发生有效的布喇格耦合,要求光栅周期满足布喇格条件:半导体分布反馈激光器，式中λ0是激射波长,Ng是有效折射率，m＝1、2、3、…(相当于耦合级次)。对于GaAs材料,一级耦合:Λ＝0.115微米。在实验中，使用3250埃He－Cd激光和高折射率棱镜(nP=1.539)，已制出Λ＝0.11微米的周期结构（见半导体激光二极管）。

1.结构及工作机理

DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。

图中光栅的周期为A，称为栅距。

当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。式（2—108）将变为

(2—109)

满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。

半导体分布反馈激光器- 材料和泵浦方式

制作半导体分布反馈激光器的材料有GaAs-GaAlAsIn、P-InGaAsP、Pb1-xSnxTe和CdS等。非半导体材料的分布反馈激光器主要采用染料作为活性介质。泵浦方式主要采用电注入，也采用光泵和电子束激励。

半导体分布反馈激光器- 结构

半导体分布反馈激光器有多种结构，如同质结、单异质结、双异质结、光和载流子分别限制异质结、沟道衬底平面结构、具有横向消失场分布反馈的沟道衬底平面结构、隐埋异质结、具有横向消失场分布反馈的条形隐埋异质结等。周期结构有的是做在激光器表面，有的是在激光器内部的界面，有的则在衬底上。周期结构做在内部界面的激光器，一般需要二次液相外延，或采用液相外延与分子束外延结合的办法；周期结构做在衬底或表面的激光器则只需一次外延。在有源层和限制层之间皱折界面处，注入载流子的无辐射复合影响器件低阈值室温工作。解决这个问题的办法是：①采用光和载流子分别限制异质结，把皱折界面与有源层分开；②采用分布布喇格反散镜(DBR)结构,把光栅与有源区分开。

半导体分布反馈激光器- 性能

GaAs－GaAlAs分布反馈激光器已实现室温连续工作，阈值3.4×103安/厘米2(320K)。282K下得到的最大连续输出功率为40毫瓦。蚀刻光栅的表面总是残留有不完整性，带来一些散射损耗，因此分布反馈激光器阈值较高。分布反馈激光器的优点是具有很好的波长选择性和单纵模工作。这种选择性是由布喇格效应对波长的灵敏性产生的，分布反馈激光器的阈值随着偏离布喇格波长λ0而增加。单纵模工作的谱线宽度小于1埃。激射波长随温度和电流的变化比较小,例如GaAs-GaAlAs和InP-InGaAsP分布反馈激光器,激射波长随温度的依赖关系约为0.5～0.9┱/K,而相应的解理腔面激光器要大3～5倍。改变光栅周期,可以使激光波长在一定范围内变化，例如，在一个GaAs衬底上，已构成由六个具有不同光栅周期的GaAs －GaAlAs分布反馈二极管组成的频率复用光源。在一个激光器中制作几组不同周期的光栅，

构成多谐分布反馈激光器，产生几个激光波长，也可作为频率复用光源。

半导体分布反馈激光器因有上述特点，而且体积小，因而受到人们注意。其中最重要的,是InP-InGaAsP半导体分布反馈激光器可成为长距离大容量单模光纤通信的理想光源，因为这种激光器在高速调制下也能保持单频工作（动态单模）。

半导体分布反馈激光器-特点

与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。

（1）动态单纵模窄线宽输出

由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。DFB 激光器的发射光谱，主要由光栅周期决定。由于光栅周期很小，所以 m 阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比普通半导体激光器大得多，加之多个微型谐振腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式能获得足够的增益。

（2）波长稳定性好

由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8Å/℃，比F—P 腔激光器要好得多。DFB 激光器的每一个栅距Λ相当于一个 F-P 腔，因此布拉格反射可以比作多级调谐，使谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄。并且光栅周期不受温度影响，使得 DFB 激光器的波长温度稳定性也得到改善。

(3) 动态谱线好

由于DFB 激光器是使用布拉格光栅进行选频，因此 DFB 激光器在高速调制时不会发生多模输出，依然保持良好的单纵模特性。尽管 DFB 激光器在高速调制时谱线有所展宽，但比普通激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。

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