可调谐激光器原理及应用

可调谐激光器是光通信、光谱检测、精密测量等领域的核心光源，它能够在宽光谱范围内连续调谐输出波长，精准匹配不同实验与工程的需求。

可调谐激光器是如何实现波长调谐的？

要理解可调谐激光器的原理，先回顾一下激光器的基础知识。激光器的核心由三个要素构成：增益介质（提供光子放大）、谐振腔（提供光学反馈）、泵浦源（提供能量）。激光的输出波长由谐振腔的共振条件决定，即：

其中m为纵模阶数，λ为输出波长，n为谐振腔的折射率，L为腔长。从这个公式可以直观看出，只要改变腔长或折射率，就能改变输出波长。

可调谐半导体激光器因具有体积小、效率高、易于集成等优势，成为当前研究和产业化的重点。基于上述公式，根据波长调谐机构与有源放大区的组合方式，可调谐半导体激光器可分为外腔型和单片集成型两大类^[1]。单片集成式激光器轻小简便，但工艺复杂，成本昂贵。近几十年来，随着半导体工艺技术的发展，外腔可调谐激光器产品愈发成熟，在高端应用中逐渐占据主导位置。

 

一、单片集成式可调谐半导体激光器

1. 可调谐分布式反馈阵列激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）^[2]

如图1所示，可调谐的DFB 激光器中集成了一个复杂的 DFB 阵列，阵列中包含很多小激光器，每个小激光器都有自己特定波长的激光输出，DFB 阵列的调谐是利用温度实现的，温度的变化使每一个离散波长的小激光器输出波长发生变化，DFB 阵列混合后整体输出激光的波长也就发生相应的变化，也就是说，将单个DFB激光器集成为阵列，就能构成可调谐的DFB激光器。DFB 激光器虽然具有优异的输出性能，但也存在制造流程复杂，工艺不稳定，成本昂贵等缺陷。

 

图1 DFB激光器

 

2. 可调谐分布式布拉格反馈激光器（Distributed Bragg Reflector Laser，DBR）^[2]

DBR 激光器也称为分布式布拉格反射激光器，一般由有源区、相位区和光栅区三部分组成。如图2所示，控制有源区电极的注入电流可以控制激光器输出功率，相位区和光栅区材料折射率一般情况下是利用材料的等离子体效应来改变的，而这一特性直接决定了激光器光功率和波长的输出。要实现波长的精密调节，则是需要同时调整光栅区和相位区的注入电流，使腔内纵模和选模光栅中心模式保持一致。普通 DBR 激光器调谐范围为 22nm 左右，但存在模式容易跳变问题，且工艺流程复杂、造价昂贵。

 

图2 DBR激光器

 

3. 可调谐垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）^[2]

VCSEL激光器有着阈值低、体积小、便于集成等优点，通过改变谐振腔腔长完成波长调谐。如图3所示，衬底下的反射镜和薄膜上的反射镜构成谐振腔，在静电的作用下，薄膜上下移动，带动反射镜位置的变化，谐振腔长度发生相应改变，从而实现输出波长的调谐。由于激光器谐振腔非常短，纵模间隔就比较宽，因此可实现无跳模连续调谐。此外，VCSEL激光器还具有光谱特性好、耦合效率高等优点，但VCSEL 的垂直腔结构导致光功率难以提升，且只能用于短距离（≤100 m）传输。

 

图3 VCSEL激光器

 

二、外腔可调谐半导体激光器

 

外腔可调谐半导体激光器主要由增益芯片、准直透镜和外部光反馈元件三部分组成。其中，外部光反馈元件凭借其更灵活的自由空间选择性，具备较高的个性化设计空间。它能够对增益芯片发出的光进行选择，只有被特殊选择的光会被重新反射回增益芯片的有源区与内部光场进行耦合作用，从而产生谐振，输出单纵模激光。根据外部光反馈元件的不同，常见的有以下三类：

 

1. 波导反馈型

 

波导型外腔可调谐半导体激光器由集成的光子芯片实现输出模式调谐，半导体光放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）提供增益^[3]，如图4所示。将 SOA 产出的光通过模斑转换器耦合进硅基波导上， 利用两个微环谐振腔将光谱相互叠加实现波长的精准滤波。提供加热器改变微环的温度，进而改变其自由光谱范围，实现波长调谐。波导反馈型具有调谐范围大、 精度高、线宽窄、集成化程度高等优点。

 

图4 硅基波导可调谐激光器结构示意图

 

2. F-P共焦型

 

共焦F-P腔是由两个相同的球面反射镜组成的光学谐振腔。这种设计优点能够减少准直过程，实现快速调谐。两个球面的内凹面都镀有高反膜，外凸面镀有一层宽带增透膜，当入射光与共焦 F-P 腔共振时产生谐振。其结构紧凑、频率及功率稳定性高，具有光反馈激光器的低噪声和更窄线宽特性。

 

图5 共焦F-P腔结构[4]

 

3. 光栅反馈型

 

以光栅作为外部光反馈元件是研究最早、工艺最成熟的外腔方案。根据光路可以划分为Littrow 和 Littman-Metcalf 两种结构类型，原理图如图5所示。Littrow结构通过旋转闪耀光栅的角度来选择波长，调谐范围大、输出功率高，但其线宽较宽且输出光方向随着波长改变，不便于后续的模块化封装。Littman-Metcalf 结构在闪耀光栅1级衍射光方向增加一块反射镜，通过调节反射镜的角度选择波长，光经过光栅两次衍射后沿原路返回，模式选择能力更强，因此光谱纯度更高、线宽更窄，且输出光方向固定，方便后续的耦合检测^[5，6]。

 

图6 外腔可调谐半导体激光器结构示意图
（a） Littrow 型，（b）Littman-Metcalf 型

 

总的来说，光栅反馈型外腔激光器在结构简洁性、成本控制和综合输出性能（宽调谐、窄线宽、高光谱纯度）之间取得了良好平衡，是目前应用最广泛的类型之一。

 

表1 不同类型可调谐半导体激光器对比表

可调谐激光器核心参数有哪些？

调谐范围：指激光器输出波长（或频率）能够连续调节的区间范围，通常以纳米（nm）表示。调谐范围主要受增益介质的增益带宽和谐振腔设计共同限制。

输出功率：激光器在指定波长输出时的光功率，通常以毫瓦（mW）或dBm表示。

线宽：指激光器输出光谱的谱线半高全宽，反映激光的单色性程度，通常以kHz或MHz为单位。线宽越窄，激光的单色性越好、相干性越高，越适合高分辨率光谱分析、相干光通信、精密测量等应用。

边模抑制比：指主模（激射波长）的功率与最强边模功率之比，通常以dB表示。边模抑制比越高，说明激光器在单一纵模下工作的纯度越好、噪声越低，能有效避免模式跳变。

调谐精度：指激光器能够实现的最小波长步进或实际输出波长与设定波长的偏差程度。调谐精度决定了激光器能否精确锁定到目标波长，波长精度直接影响测量和通信质量。

调谐速度：指激光器从当前波长切换到目标波长所需的时间，反映了波长调谐的动态响应能力。

可调谐激光器能做什么？

相比传统半导体激光器，可调谐的半导体激光器具有很多优点：单频特性高、输出功率稳定、线宽窄等，因此能在各领域成为高质量光源。

光谱分析：高分辨激光光谱是研究原子、分子激发态结构和动力学的重要手段。可调谐外腔半导体激光器是原子分子的高分辨光谱相干辐射源的理想选择。通过改变外腔半导体激光器的温度、注入电流或者外部光学元件，可实现宽频带扫描，便捷获取精确光谱信息。在原子和分子光谱学中，紫-蓝（390 ~ 420 nm）、可见光（650 ~ 690 nm）及近红外（750 ~895 nm）等波段，外腔半导体激光器均有重要应用^[7]。

原子钟计时：原子钟是精确计时的工具，因此需要稳定的频率和较窄线宽的激光器来约束原子钟的工作稳定性。外腔可调谐半导体激光器因其输出功率稳定、线宽较窄等特点，可以维持原子钟长期稳定的工作状态，是原子钟应用领域重要的光学器件[8,9]。

相干光通信：相干光通信技术领域对光电器件的要求非常高，通常用载波的相位传输比特信息，而整个收发系统都需要稳定的激光光源，这个光源要求具有低相位噪声的可调谐激光器才能满足要求。激光器的线宽直接决定相位噪声水平——线宽越窄，相位噪声越低。因此，窄线宽的可调谐激光器是相干光通信系统中的首选光源。

干涉测量：传统的 He-Ne 激光器或氩离子激光器体积较大、电压较高，难以集成化，不适用于干涉测量领域。大多数普通半导体激光器因发射光束呈现为椭圆形且发散角较大[10]，导致相干性较差，而分布式反馈（DFB）阵列和分布式布拉格反射器（DBR）激光器[11]制作工艺复杂、成本又过高好。以光栅作为选频元件的外腔可调谐半导体激光器，因宽调谐、输出功率稳定、单纵模特性好以及窄线宽的输出优势，使得相干性较好，非常适用于高精度光学干涉测量。

 

参考文献

[1] 齐步祥.基于MEMS反射镜的外腔可调谐半导体激光器的研究[D].南京邮电大学,2024.
[2]伍越.基于棱镜扩束的光栅外腔半导体激光器的研究[D].国防科学技术大学,2015.
[3]花金平,江毅.可调谐外腔半导体激光器研究进展[J].半导体光电,2021,42(1):11-19+56.
[4] Keke D ,Yuhang M ,Long W , et al.Research on Narrow Linewidth External Cavity Semiconductor Lasers[J].Crystals,2022,12(7):956-956.
[5] Heim P J S, Fan Z F, Cho S H, et al. Single-angled-facet laser diode for widely tunable external cavity
semiconductor lasers with high spectral purity[J]. Electronics Letters, 1997, 33(16): 1387-1389.
[6]Chen D, Fang Z, Cai H, et al. Polarization characteristics of an external cavity diode laser with Littman– Metcalf configuration[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2009, 21(14): 984-986.
[7]王延.Littrow结构近红外外腔半导体激光器的研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2020.
[8]Seimetz M. High-order modulation for optical fiber transmission[M]. Springer, 2009.
[9] Camparo J C. The diode laser in atomic physics[J]. Contemporary Physics, 1985, 26(5): 443-477.
[10]张倩琳. 半导体激光器激光光束的研究[J]. 实验科学与技术, 2006, (S1): 22-24+144.
[11]曾杰. 基于重构等效啁啾技术的可调谐激光器设计及线宽压窄技术研究[D]. 南京: 南京大学, 2020.