感知是智能汽車的最關鍵的技術之一。曾經激光雷達被譽為自動駕駛的天眼，但近年來卻因遠距離限制、識別速度有限、出場費太高等缺點逐漸遭到詬病，車企紛紛采用毫米波雷達實現全自動駕駛的陣營。難道激光雷達就這么被"拋棄"了？

新型全固態激光雷達, 具有分辨率高、抗有源干擾能力強、體積小、重量輕、成本低等優勢, 可滿足未來智能汽車的需求. 窄線寬半導體激光器作為全固態激光雷達的理想光源, 其技術的進步與發展能大幅提升全固態激光雷達的實用化進程。

1引言

1.1 研究背景

人類社會正迎來智能出行時代, 智能汽車的發展對高精度探測技術的要求越來越高, 因此迫切需要發展高精度雷達技術.

傳統的高精度雷達技術, 如微波雷達、毫米波雷達等, 因其探測精度低、體積及重量大, 不適用于智能汽車搭載, 而全固態激光雷達具有分辨率高、抗有源干擾能力強、體積小、重量輕、成本低等優勢, 可滿足未來智能汽車對高精度探測技術的需求.

窄線寬半導體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、可直接電流驅動、光譜線寬窄、相干性好等優勢, 是新一代高精度全固態激光雷達的理想光源. 窄線寬半導體激光器通常在諧振腔中集成頻率選擇結構或者在激光腔外部與選模器件進行耦合, 從而控制不同波長的增益損耗, 來實現壓縮其光譜線寬的目的.

1.2 國內外研究動態與現狀

半導體激光器壓窄線寬的方法主要分為兩類: 內腔光反饋法和外腔光反饋法。隨著全固態激光雷達技術的快速發展, 需要進一步提高掃描速率, 增加探測距離和成像清晰度. 這些方面的提升也需要提升半導體激光器的光譜特性, 如減低激光器的線寬、抑制低相位噪聲和低相對強度噪聲等. 壓窄激光器的線寬特征可以提高光束的傳輸距離和成像清晰度. 降低半導體激光器線寬的方法主要有增加輸出功率、降低線寬增強因子、降低激光器的固有線寬的方式.

目前, 國際上在窄線寬半導體激光器研究領域比較有代表性的研究機構和公司有: 德國的費迪南·布勞恩研究所(Ferdinand Braun Institute)、萊布尼茨高頻率技術研究所(Leibniz Institute of High Frequency Technology of Germany, FBH)、德國DILAS公司、美國貝爾實驗室(Bell Laboratory)、普林斯頓大學(Princeton University)、法國III-V實驗室、日本東北大學(Tohoku University)、愛爾蘭都柏林大學(University College Dublin)等. 在內腔光反饋技術方面, 各研究機構采用新型外延芯片結構和新型光柵制備技術, 成功將半導體激光器的線寬降低至 10 kHz. 2016年, 德國卡塞爾大學(University of Kassel) [1] 提出一種高質量量子點分布反饋(distributed feedback, DFB) 半導體激光器, 成功將激光線寬降低至 10 kHz. 隨后, 芬蘭坦佩雷大學(University of Tampere) [2] 采用納米壓印技術制備出側向耦合表面光柵DFB 激光器, 實現激光功率為28.9 mW、線寬<10 kHz. 在外腔反饋技術方面, 德國FBH 研究所[3] 提出利用DFB激光芯片與集成式共焦法布里-珀羅腔(Fabry-Pérot cavity, F-P) 諧振器等組成共振反饋諧振腔, 實現輸出功率為 50 mW, 洛倫茲(Lorentz) 線寬僅為15.7 Hz, 為目前國際最高水平.

國內開展有關窄線寬半導體激光器的研究稍晚于國外研究機構, 主要的研究機構有: 北京大學、浙江大學、中國科學院半導體研究所、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院上海光學精密機械研究所等. 在內腔光反饋技術方面, 國內研究機構已成功將半導體激光線寬降低至kHz量級, 中國科學院半導體研究所[4]報道了基于單片集成非對稱相移DFB激光器開發的窄線寬激光器模塊, 實現激發波長1550 nm, 激光功率26 mW, 最窄激光線寬達到35 kHz. 在外腔光反饋技術方面, 中國計量科學研究院[5] 采用高精度雙鏡式非共焦腔Littman結構, 成功降低外腔半導體激光器的激光線寬至100 Hz, 瞬時洛倫茲線寬降低至30 Hz.

本研究團隊研究設計并制備了一種寬條高階光柵分布布拉格反射(distributed Bragg reector, DBR)激光器[6], 這種DBR激光器實現了3 dB光譜線寬小于0.04 nm (13.13 GHz), 出光功率213 mW 的穩定單縱模激光輸出, 其邊模抑制比達到42 dB. 而后又提出了一種基于增益耦合機理的表面淺刻蝕高階光柵分布反饋半導體激光器[7]. 這種高階光柵DFB半導體激光器, 實現了單邊144 mW高功率單縱模激光輸出, 3 dB線寬為0.04 nm (12.62 GHz), 邊模抑制比(side-mode suppressionratio, SMSR) 達到29 dB.

1.3 本文章節介紹

本文詳細介紹了各種新型的窄線寬半導體激光器的設計思路、關鍵技術及光學特性。 第2節介紹了基于內腔光反饋法的窄線寬半導體激光器研究進展, 包括分布反饋半導體激光器、分布布拉格反射半導體激光器和耦合腔半導體激光器. 第3節介紹了基于外腔光反饋法的窄線寬半導體激光器研究進展, 包括體全息光柵(volume holographic grating, VHG)、體布拉格光柵(volume Bragg grating,VBG)、法布里{ 珀羅腔平面波導、光纖光柵等外腔半導體激光器. 第4節做出了總結.

2、內腔光反饋窄線寬技術

基于內腔光反饋技術的窄線寬半導體激光器通常采用集成布拉格光柵或者特殊波導結構的方案, 集成布拉格光柵方案按照其分布位置的不同可分為分布布拉格反射半導體激光器和分布反饋半導體激光器, 特殊波導方案如耦合腔半導體激光器等.

因此, 具有緊湊結構的高功率窄線寬半導體激光器是目前各國研究人員的關注熱點, 并且對提高空間探測能力和空間通信能力具有至關重要的作用. 其中DFB半導體激光器和DBR 半導體激光器是實現窄線寬半導體激光器的重要手段.

2.1 分布反饋半導體激光器

分布反饋激光器通常將布拉格光柵結構分布于整個諧振腔中, 其主要起到光反饋選模及增益的作用[8], 其結構如圖1所示. 這種激光器具有優越的光譜特性和可高速調制特性等優點, 使其廣泛應用于高精度探測、光通信等領域[9]. DFB激光器的研究開始于20世紀70年代. 1971年, 美國貝爾實驗室[10] 提出了分布反饋激光器的概念, 次年他們采用電磁場的耦合模理論分析了DFB激光器的工作原理和特性. 1973年, 日本Nakamura等[11] 用光泵浦GaAs基光柵結構表面, 實現了第一只DFB激光器. 隨著半導體外延技術進步, 各國研究人員不斷開發新的光柵技術, 研制出多種多樣的新型DFB激光器. 按照光柵構建方式不同, DFB激光器可分為兩種: (1) 在有源區附件構建光柵的二次外延分布反饋(re-grown DFB, RG-DFB)半導體激光器; (2) 在外延芯片P面光波導表面或者側壁直接刻蝕光柵, 形成表面光柵分布反饋(surface grating DFB, SG-DFB)半導體激光器.

圖1. DFB激光器結構示意圖

2.1.1 二次外延分布反饋半導體激光器

二次外延分布反饋激光器通常采用二次外延技術: 在MOCVD工藝進行到N 型或P型波導層生長完成時, 停止生長工藝并取出一次生長芯片, 采用光刻和刻蝕的手段在其N 型或P型波導層上構建一組低折射率光柵結構, 之后將芯片放入外延設備中繼續完成生長工藝. 該種二次外延光柵分布在有源區附近, 有利于光柵與光模式場的高效耦合, 可有效降低散射損耗, 提高耦合效率, 實現頻率選擇和線寬壓縮.

為滿足原子光泵浦、原子鐘、德布羅意波干涉儀器(陀螺、重力儀、梯度儀、加速度計) 和全固態激光器等應用對近紅外波段(760～890 nm) 高功率、窄線寬半導體激光器的需求. 2006年, 德國費迪南·布勞恩研究所、萊布尼茨高頻率技術研究所(FBH) 采用金屬有機氣相外延(MOVPE)技術, 研制出室溫工作寬條型DFB激光器, 采用全息光刻和濕法腐蝕技術制備出二階布拉格光柵, 實現激射波長808 nm, 激光功率3 W, 光譜線寬0.6 nm (275.7 GHz) 的單縱模激光輸出[12]. 2012～2014 年, 該研究所[13, 14] 采用二次外延技術報道了780 nm 波段的脊形波導RG-DFB 激光器, 通過優化諧振腔長度和光柵耦合系數, 獲得了波長780 nm 線寬35 kHz@279 mW 的激光輸出.

為滿足銫原子的D1和D2線泵浦所需的894 和852 nm 半導體激光源, 法國III-V 實驗室[15, 16] 提出采用二次外延技術的大光腔結構DFB激光器, 獲得了激光波長852 nm, 激光功率110 mW@50 mA, 邊模抑制比超過50 dB, 洛倫茲線寬僅為200 kHz, 可滿足Cs原子D2線泵浦需求. 2016 年, 該實驗室聯合瑞士紐夏特大學(University of Newcastle, Switzerland) 提出一種脊形波導DFB激光器, 采用MOVPE二次外延技術在P面包覆層中構建一組50 nm 厚的InGaAsP光柵(周期為273.5 nm), 實現腔長1.5 mm、寬度4 μm 的脊形波導DFB激光器, 獲得激光波長894.4 nm@66.4℃、激光線寬797 kHz、激光功率40 mW@160 mA、SMSR 超過50 dB [17], 可滿足原子鐘設備中Cs原子的D1線泵浦需求.

為滿足相干光通信、光纖通信等應用對1064 和1550 nm 波段的窄線寬、高效率半導體激光器的需求, 2010年, 德國FBH 研究所[18] 采用二次外延技術構建了耦合系數為2 cm?1的二階光柵結構, 研制出1064 nm 波段脊形波導DFB激光器, 實現了激光功率150 mW, 同時獲得最小固有線寬22 kHz. 隨后, 法國III-V 實驗室[19] 采用非對稱包層外延結構和稀釋波導技術, 研制出1500 nm 波段DFB半導體激光器, 實現激光功率180 mW@25?C, 并且通過溫度調節實現了9.7 nm 的調諧范圍, SMSR>55 dB, 相對強度噪聲(RIN) < 160 dB/Hz, 線寬小于300 kHz.

2.1.2 表面光柵分布反饋半導體激光器

隨著半導體外延生長技術和刻蝕技術的進步[20], 尤其是電感耦合等離子刻蝕技術日趨完善, 研究人員越來越關注基于等離子體深刻蝕技術表面光柵分布反饋半導體激光器的研究工作. SG-DFB激光器根據光柵構建區域不同, 可分為大面積光柵分布反饋(large-area grating DFB, BA-DFB)激光器和側向耦合分布反饋(laterally coupled DFB, LC-DFB)激光器, 這兩種激光器分別在外延芯片P 面波導表面和波導側壁構建深刻蝕(> 1 μm) 表面光柵, 可保證波導內的光模式場與光柵充分耦合反饋, 利用散射效應抑制高階模式, 實現波導中單模振蕩, 達到選擇頻率和降低激光線寬的目的, 又可有效避免二次外延技術可能引入的芯片結構缺陷, 提高芯片的可靠性和成品率, 簡化DFB激光器制備工藝, 實現高可靠性的窄線寬激光輸出. 這兩種激光器的研制難點是光柵結構的設計與制備, 要充分考慮光柵周期、寬度、深度等結構參數對激光器性能的影響, 同時需要高精度刻蝕技術的配合, 才能獲得理想的激光器件.

芬蘭坦佩雷理工大學(Tampere University of Technology) 的Dumitrescu等[21] 報道了一種基于紫外納米壓印技術的LC-DFB激光器, 研制了894 nm 波長LC-DFB 激光器, 實現了功率9 mW, 線寬878 kHz@180 mA, 邊模抑制比35 dB的窄線寬激光, 器件性能接近同期二次外延DFB激光器, 是一種理想的低成本DFB激光器技術方案, 該技術使得LC-DFB更易于集成至大規模光電器件中. 2018年, 芬蘭坦佩雷大學的Virtanen等[2] 提出一種窄線寬DFB激光器, 采用納米壓印技術制備出三階側向表面光柵結合脊形波導結構, 獲得了波長780 nm, 激光功率為28.9 mW@300 mA, SMSR > 40 dB, 線寬< 10 kHz的窄線寬輸出, 該技術適用于制造低成本小型化原子鐘泵浦模塊.

1550 nm波段高功率、窄線寬單模DFB半導體激光器在激光雷達、自用空間通信等應用方向有著巨大的潛力. 為了簡化1550 nm波段DFB激光器的研制過程, 2012年, 英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)[22] 報道了一種新型側向耦合DFB激光器, 采用DFB-LD, CurvedWG 和Tilt aredWG 相結合的技術手段, 研制出了窄線寬側向耦合集成錐形半導體放大器DFB 激光器, 實現了波長1550 nm, 功率為210 mW, 線寬僅為64 kHz, SMSR大于45 dB的激光輸出. 2015年, 中國科學院半導體研究所劉建國團隊[4]報道了基于單片集成非對稱相移DFB激光器開發的窄線寬激光器模塊, 實現激光波長為1550 nm, 最大輸出功率26 mW@200 mA, 最窄激光線寬達到35 kHz@150 mA.

2013～2014 年, 加拿大渥太華大學(University of Ottawa)的Dridi等[23～25] 采用步進式光刻技術在沿脊形波導側壁上制備出三階光柵結構, 研制多種N 段電極側向耦合DFB 激光器, 獲得了中心波長為1560 nm, SMSR > 52 dB, 波長調諧范圍> 3 nm, 輸出功率> 6 mW, 窄線寬小于170 kHz@25℃的單模激光輸出.

為了進一步降低側向耦合DFB半導體激光器的光譜線寬, 國外研究人員提出基于量子點激光芯片的DFB激光器的技術方案. 2016年, 德國卡塞爾大學Bjelica團隊[1]提出一種高質量量子點激光器生長技術, 結合傳統DFB光柵耦合諧振腔結構, 研制出激光線寬僅為10 kHz, 輸出功率12 mW的QD-DFB激光器. 2018年, 法國巴黎·薩克雷大學(Universite Paris-Saclay) [26] 報道了一種新型InAs/InP量子點DFB半導體激光器, 其具有反轉因子低、線寬增強因子低等特性, 可獲得低溫度敏感的窄線寬(160 kHz)激光輸出, 同時采用雙面敷涂減反膜設計, 提高激光功率(4 mW), 并抑制空間燒孔現象.

目前DFB半導體激光器主要研究RG-DFB激光器以及SG-DFB激光器這兩種結構. 這兩種結構的共同點都是將布拉格光柵結構分布于整個諧振腔中, 其主要起到光反饋選模及增益的作用. RGDFB激光器通常采用二次外延技術在N型或P型波導層生長完成后, 采用光刻和刻蝕的手段在其N型或P型波導層上構建一組低折射率光柵結構, 之后將芯片放入外延設備中繼續完成生長工藝. 這種二次外延光柵分布在有源區附近, 有利于光柵與光模式場的高效耦合, 可有效降低散射損耗, 提高耦合效率, 實現頻率選擇和線寬壓縮, 但是二次外延技術可能引入芯片結構缺陷, 影響芯片的可靠性和成品率. SG-DFB激光器是在外延芯片P面光波導表面或者側壁直接刻蝕光柵, 形成表面光柵分布反饋半導體激光器, 可保證波導內的光模式場與光柵充分耦合反饋, 利用散射效應抑制高階模式, 實現波導中單模振蕩, SG-DFB的研制難點是光柵結構的設計與制備, 要充分考慮光柵基本參數對激光器性能的影響.

2.2 分布布拉格反射半導體激光器

分布布拉格反射激光器(示意圖如圖2 所示)的諧振腔通常由集成于端面的反射光柵結構和增益區構成, 其與法布里{ 珀羅(F-P)腔類似, 在增益區的一端或兩端構建無源布拉格光柵代替F-P激光器的一端或者兩端腔面反射鏡, 光柵結構僅起到反射鏡的作用, 由于光柵結構對滿足布拉格條件的光模式具有極強的反射作用, 因此可以通過對光柵區的耦合系數進行優化, 獲得理想的最大反射率和反射譜寬度, 實現DBR激光器的單縱模、窄線寬工作.

圖2. DBR 激光器示意圖

在自由空間相干光通信等應用中, 需要1064 nm波段的窄線寬半導體激光器光源. 2010年德國FBH研究所[31] 采用6 階表面布拉格光柵, 研制了4 μm 條寬、4 mm腔長的1064 nm波段DBR結構激光器, 實現了線寬為180 kHz@180 mW, 測出固有線寬為2 kHz, 閾值電流為65 mA@25℃, 斜率效率為0.41 W/A@25℃.

針對高性能光纖激光器對975 nm波段窄線寬半導體激光泵浦源的需求, 美國伊利諾伊大學(University of Illinois) 的Coleman等[32] 采用在寬條波導(40 μm) 表面刻蝕光柵的方法, 研制出腔長1.5 mm的974.8 nm波段DBR 激光器, 實現激光功率500 mW, 激光線寬350 kHz, SMSR > 40 dB的高功率輸出. 隨后, 德國FBH 研究所[33]采用普通紫外光刻和反應等離子體刻蝕技術制備出80 階表面光柵DBR激光器, 在970 nm波段實現激光功率6 W, 電光轉化率> 50%, 光參量積< 1.8 mm×mrad, 激光線寬僅為0.41 nm (130.7 GHz), 十分適用于泵浦光纖激光器.

窄線寬紅光激光器(620~650 nm 波段)是激光光譜學、相干測量和全息技術的重要光源, 針對這一需求, 德國FBH研究所[34] 提出一種633 nm波段的窄線寬DBR激光器, 激光器諧振腔總長2 mm, 其中脊形增益區為1.5 mm、光柵區為0.5 mm, 實現了激光功率10 mW@150 mA, 光譜線寬< 1 MHz的輸出, 可連續工作1700 h@14 mW. 隨后, 該研究所的Paschke 等[35] 報道了一種脊型波導DBR激光器, 通過步進光刻和反應離子刻蝕在激光結構中引入光柵, 研制出波長為626.5 nm的DBR激光器, 實現輸出功率> 50 mW@ 0℃, 激光線寬< 1 MHz@150 mA, SMSR > 20 dB, 該技術可替代傳統全固態激光器作為量子信息實驗光源, 通過降低光源模塊體積, 可有效提升量子信息系統的微型化程度.

550~620 nm 波段黃光激光在大氣測量、生物醫學領域具有廣泛應用, 而目前黃光產生主要采用1180 nm 波段LD 泵浦全固態激光器的方案. 為滿足該種需求, 芬蘭坦佩雷理工大學[36] 提出一種寬調諧DBR 激光器, 采用三階表面梯形光柵結合脊形波導結構設計, 避免了二次外延生長問題, 同時提高器件邊模抑制比, 實現了激光線寬< 250 kHz, 功率> 500 mW, SMSR超過50 dB, 持續工作2000 h無退化的高性能激光輸出.

目前窄線寬分布布拉格反射半導體激光器主要采用表面Bragg光柵結構作為反射鏡實現頻率選擇作用, 通過合理設計光柵結構參數, 獲得理想的光柵反射率、反射率半寬和光柵中光波相位變化等光電特性, 實現窄線寬輸出的DBR半導體激光器. 這種表面DBR激光器相比于傳統的多次外延DBR激光器的優勢就是避免了不同區位波導間耦合效率低下的問題, 降低了制備工藝復雜程度, 提高了DBR激光器的應用價值.

2.3 耦合腔半導體激光器

20 世紀80年代, 美國貝爾實驗室的研究人員提出耦合腔激光器, 其利用一個或多個深槽將兩段或多段諧振腔耦合起來的激光器, 實現單模激光輸出. 最初采用分離式結構, 將兩個腔面距離極近的F-P腔激光器焊接到同一熱沉上, 此時芯片間隙相當于一個深刻蝕槽, 通過這個槽的耦合作用, 實現線寬500 kHz的窄線寬激光[37]. 之后, 愛爾蘭布拉納光電公司(Branna Electronics Company)、都柏林大學、格拉斯哥大學、浙江大學等機構的研究人員將該結構進一步改進, 分別研制出基于單刻蝕槽和周期性刻蝕槽的耦合腔激光器, 都獲得了理想的窄線寬激光輸出.

2011年, 愛爾蘭布拉納光電公司聯合瑞士紐夏特大學[38]提出一種分離模式半導體激光器, 通過在脊形波導上刻蝕多個深槽引入折射率微擾, 進而增強一個F-P模式, 損耗其他模式, 獲得單縱模激光輸出, 實現激光波長780 nm, 光譜線寬僅為2 MHz. 在此基礎上, 愛爾蘭布拉納光電公司和都柏林城市大學(Dublin City University) [39]聯合研制出一種寬工作溫區的分離模式半導體激光器, 實現在0℃ < T < 85℃ 溫度范圍內保持單縱模工作, 激光線寬< 250 kHz, SMSR 達40 dB, 輸出功率約4 mW. 2018 年, 該公司[40]又報道了一種單片集成單模紅光半導體激光器, 采用分離模式結構實現激光波長689 nm, 激光功率10 mW, SMSR 達40 dB, 光譜線寬2 MHz, 在0℃~50℃ 內保證無跳模輸出.

2014年, 愛爾蘭都柏林大學的Abdullaev 等[41] 報道了一種彎曲波導slot-DBR 單模激光器, 實現了洛倫茲線寬為720 kHz@160 mA, SMSR 為50 dB 的穩定單模輸出. 2017年, 愛爾蘭廷德爾國家研究院(Tyndall National Institute) 的Yang等[42] 提出一種新型多模干涉波導(multimode interference waveguide, MMI) 激光器, 通過將1×2 MMI與淚珠形反射波導耦合, 在環形波導半徑為150 μm的情況下, 實現了1562.5 nm波段的單模激發, 線寬為75 KHz@25℃, SMSR 為30 dB.

為滿足光通信領域對低成本1550 nm波段半導體激光芯片的需求, 都柏林圣三一大學(Trinity College Dublin) [43] 提出一種基于Slot光柵結構的耦合腔半導體激光器, 在1569 nm 波段實現邊模抑制比> 50 dB的單縱模激射. 浙江大學何建軍教授課題組[44～46] 采用深刻蝕slot-F-P腔工藝技術, 開發了多種窄線寬耦合腔半導體激光器, 其線寬僅為80 kHz, SMSR為38 dB.

3、外腔光反饋窄線寬技術

基于外腔光反饋技術的窄線寬半導體激光器(external cavity optical feedback technology, ECL), 是一種采用外部光學元件對半導體激光芯片的出射光進行反饋和選頻, 增加諧振腔有效長度, 提高激光器諧振腔的品質因子Q值, 降低激光線寬, 又因其采用無源光學元件進行頻率選擇和光反饋, 更容易實現低相位噪聲和高溫度穩定性, 是空間相干通信、相干探測、高精度傳感等應用領域的理想光源.

ECL可有效避免內腔集成光柵的光波衍射與散射損耗, 但是其對外部光學選頻元件耦合光路與工作環境的穩定性要求較高, 其中外部光學選頻元件作為ECL的核心裝置, 主要包括: (1) 采用激光全息技術在特殊光敏玻璃中制作的體全息光柵、體布拉格光柵等衍射光柵元件; (2) 低損耗F-P波導、鍍膜反射鏡及采用飛秒激光技術加工的光纖光柵波導等波導型反饋元件.

3.1 外腔光柵反饋半導體激光器

選用衍射光柵作為反饋元件的外腔激光器通常會采用Littrow或Littman結構[47], 這兩種結構外腔激光器的諧振腔通常由半導體激光芯片、光學透鏡或反射鏡、閃耀光柵或者全息光柵等光學元件構成, 其結構示意圖如圖3所示. Littrow結構ECL通常由半導體芯片、光學透鏡和衍射光柵構成, 通過改變光柵角度θ, 使某一特定波長光波反饋回半導體激光芯片, 大幅提高其余波長光波的衍射損耗, 同時改變諧振腔整體長度, 實現波長穩定的窄線寬激光輸出. Littman結構ECL通常由半導體芯片、光學透鏡、衍射光柵和反射鏡構成, 其中反射鏡起到調諧器作用, 光柵固定不動, 通過改變反射鏡角度, 將入射光沿入射光路返回, 光波經過光柵二次衍射后, 邊模抑制比大幅提高, 激光線寬進一步窄化, 但其結構比Littrow結構ECL復雜, 導致功率損耗大, 不易于實現高功率輸出.

圖3. Littrow 結構(a) 和Littman 結構(b) 外腔半導體激光器結構示意圖

由于Littrow結構外腔半導激光器在獲得窄線寬輸出的同時, 可獲得相對較高的輸出功率, 引起了科研人員的廣泛關注, 德國漢諾威大學(Universitat Hannover)、耶拿大學(Universitat Jena) [48]、土耳其蘇萊曼·德米雷爾大學(Suleiman Demirel University of Turkey)、澳大利亞國立大學(Australian National University)等多家科研機構對其進行了研究報道. 2016年, 澳大利亞國立大學的Shin等[49] 提出采用單邊傾斜出光的增益芯片和閃耀光柵(1200 線/mm) 構成Littrow-ECL, 實現輸出功率300 mW@600 mA, 在1080 nm波段附近100 nm 范圍的寬調諧, 洛倫茲線寬4.2 kHz@22.5 ms, 同時獲得優良的波長穩定性(40 kHz@11 h). 同年, 土耳其蘇萊曼·德米雷爾大學[50] 采用一種side-of-fringe穩定技術, 實現了頻率主動穩定ECL, 其波長調諧范圍為60 nm (10001060 nm), 線寬由160 KHz 窄化為400 Hz. 隨后, 蘇萊曼·德米雷爾大學[51] 又創新性地采用超低腔面反射率(0.005%)的增益芯片結合雙Littrow結構實現一種雙縱模激射ECL, 獲得120 nm (覆蓋1470~1590 nm) 的波長調諧范圍, 這種雙波長光源適用于光傳感、太赫茲波源、成像、雙波長干涉儀、光開關、波分復用等應用領域.

北京大學、廈門大學、華中科技大學和中國科學院上海光學精密機械研究所[52] 等國內機構也對Littrow結構ECL開展了深入研究. 2007年, 北京大學陳文蘭等[53] 采用商用半導體激光管構建了一個Littrow-ECL, 在780 nm波段獲得線寬< 1 MHz, 連續調諧范圍> 3 GHz, 同時實現穩定度提升至1012量級. 2017年, 廈門大學的車凱軍課題組[54] 報道了一種利用光柵線與GaN基增益芯片節平面平行構建Littrow結構ECL, 實現激光線寬由1 nm 降低至0.1 nm (151 GHz), 放大自發輻射抑制比達35 dB, 同時實現輸出功率為1.24 W, 可調諧帶寬3.6 nm (443.9 447.5 nm), 中心波長的外腔耦合效率達80%的高功率藍光激光. 同年, 華中科技大學的左都羅團隊[55] 報道了一種窄線寬更窄的藍光Littrow-ECL, 實現最大激光功率500 mW, 激光線寬50 pm (75.7 GHz), 可調諧范圍達2 nm, SMSR超過20 dB.

為實現激光線寬的進一步窄化, 中國科學院上海光學精密機械研究所、中國計量科學研究院等國內單位開展了Littman結構外腔半導體激光器研究. 2009年, 中國科學院上海光學精密機械研究所的蔡海文團隊[56] 研究了一種Littman-Metcalf結構外腔半導體激光器的偏振特性, 通過旋轉LD芯片, 改變LD 光束橫向電場方向與光柵線之間的夾角來表征ECL的偏振特性. 該團隊發現: 當LD橫向電場方向與光柵線槽平行時, ECL輸出激光束呈線偏振特性, 線極化率為100; 當LD橫向電場方向與光柵線槽出現夾角時, ECL輸出激光束呈左橢圓偏振狀態. 同時提出了ECL輸出光束偏振態方程, 既為高偏振性能ECL的研究提供了理論支持, 又有助于開發具有圓形或橢圓形偏振輸出的ECL激光器. 2012年, 中國計量科學研究院的趙陽等[5] 報道了一種新型100-Hz量級窄線寬外腔半導體激光器, 采用高精度雙鏡式非共焦腔Littman結構, 成功降低ECL的激光線寬至100 Hz, 瞬時洛倫茲線寬降低至30 Hz, 激光相位噪聲被顯著抑制到50 dB.

在Littrow結構和Littman結構外腔激光器之外, 還有直接采用體光柵(體全息光柵體和體布拉格光柵) 作為光反饋元件的外腔激光器. 2009年, 芬蘭赫爾辛基理工大學(Helsinki University of Technology) Hieta等[57]報道了基于體全息光柵的長腔長外腔半導體激光器, 其總腔長達68 mm, 諧振腔長度增加至15 mm, 使得其品質因子Q 大幅提高, 結合VHG 的選頻作用, 實現635 nm波段高斯線寬900 kHz, 邊模抑制比達35 dB. 2013~2017年, 德國FBH 研究所聯合洪堡大學(Humboldt University) [58, 59] 針對780 和1064 nm 波段體全息布拉格光柵(VHBG) 外腔激光器開展了大量研究, 開發了ECDL-MOPA激光器模塊, 實現輸出功率575 mW@1.5A, 激射波長1064.49 nm, 光譜線寬FWHM 30 kHz, SMSR > 45 dB.

3.2 外腔波導反饋半導體激光器

基于外腔波導反饋技術的窄線寬激光器, 主要通過耦合外部低損耗波導或光纖光柵波導(如圖4所示), 增加激光器諧振腔的長度, 提高激光器諧振腔的品質因子Q值, 達到降低激光器線寬的目的, 在實現窄線寬激光輸出具有良好的表現.

圖4.Littrow 結構和Littman結構外腔半導體激光器結構示意圖

采用外部低損耗波導作為光反饋元件可有效降低半導體激光器線寬, 并獲得低噪聲光譜特性. 美國馬里蘭大學(University of Maryland)和雷德芬集成光學公司(Redn Integrated Optics Company) [60]合作開發出一種平面波導型外腔激光器(PW-ECL), 可顯著降低ECL的頻率噪聲和強度噪聲, 獲得1542 nm波段的窄線寬(2 kHz)輸出, 同時激光功率達10 mW. 同一時期, 中國計量科學研究院[61] 也報道了一種采用集成法布里-珀羅腔(MFC) 代替傳統外腔反射鏡, 實現ECL光譜線寬僅為6.8 kHz.

隨著硅基光子學的發展, 研究人員開始關注采用硅基低損耗波導為反饋元件的外腔半導體激光技術. 2015 年, 美國加州大學圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara) [62] 提出一種寬調諧、窄線寬單片集成外腔半導體激光器, 采用腔長為4 cm的低損耗硅基波導作為光反饋元件, 通過控制外腔元件的光反饋, 在O波段實現54 nm的寬調諧范圍, 同時顯著降低激光器線寬, 在調諧范圍內均低于100 kHz, 最低線寬可達到50 kHz. 2017 年, 美國康奈爾大學(Cornell University) 和哥倫比亞大學(Columbia University) [63] 聯合報道了一種基于低損耗硅基環形波導結構的外腔激光器, 利用高Q值微型諧振腔的窄帶反射特性, 同時采用環形波導可避免光模式反饋, 獲得激射波長1550 nm, 激光線寬13 kHz, 輸出功率1.7 mW.

為獲得更低噪聲的外腔激光器, 普林斯頓大學、德國FBH 研究所、日本東北大學等研究機構采用外腔晶體作為光反饋元件, 實現低噪聲輸出. 2010 年, 普林斯頓大學[64]采用ZnSe楔形晶體作為半反射器提供光反饋, 實現單縱模激光輸出(功率達40 mW), 線寬僅為480 kHz. 隨后, 德國FBH研究所[3] 提出利用DFB 激光芯片與集成式共焦法布里·珀羅腔諧振器等組成共振反饋諧振腔, 實現功率為50 mW, 洛倫茲線寬僅15.7 Hz, 同時獲得超低噪聲(白噪聲等級5 Hz2/Hz) 輸出, 其噪聲水平比普通DFB激光器和外腔激光器分別低了5個和3個數量級. 2015~2018年, 日本東北大學Konosuke Aoyama 團隊[65, 66] 提出一種相干光學負反饋方法降低單模半導體激光器線寬, 利用外腔負反饋鏡片將激光器線寬由13.5 MHz 優化為3 kHz, 頻率調制(FM)噪聲的能量密度降低35 dB, 同時相對強度噪聲低于－140 dB/Hz, 該系統可以保持窄線寬穩定輸出超過一小時.

近年來, 中國科學院上海光學精密機械研究所[67, 68]、中國科學院半導體研究所[69, 70] 等多家國內研究機構對光纖波導外腔半導體激光器逐漸開展研究, 采用光纖光柵波導反饋技術將半導體激光器的激光線寬進行窄化至10 kHz. 其中, 中國科學院上海光學精密機械研究所楊飛等[67] 報道了一種基于布拉格光柵法布里·珀羅腔光纖波導結構的1550 nm 波段自注入鎖定ECL, 實現了亞kHz固有線寬(洛倫茲線寬125 Hz), 同時相對強度噪聲< －142 dBc/Hz. 中國科學院半導體研究所[69] 報道了一種基于光纖波導的雙循環自注入壓縮線寬的方法, 成功研制出一種寬調諧DBR激光器, 光譜調諧范圍達13 nm (覆蓋18 個信道), SMDR > 38 dB, 線寬均< 10 kHz, 達到國際領先水平.

目前外腔反饋結構半導體激光器的研究主要包括: Littrow型或Littman型衍射光柵反饋外腔半導體激光器和基于低損耗波導和光纖光柵波導結構的外腔波導反饋半導體激光器. 這兩種外腔反饋激光器都是采用外部光反饋元件實現激光頻率的選擇和線寬的壓縮, 線寬水平都能達到kHz量級. 而外腔光柵反饋半導體激光器的優勢就是通過調整光柵位置就能實現波長調諧, 同時由于光路耦合效率高, 更易于實現高功率輸出, 應用前景更加廣闊.

4、總結與展望

半導體激光器正向著高功率、窄線寬的方向快速發展, 內腔反饋技術方面, 通過激光芯片外延結構和波導結構的分別優化設計, 獲得低于10 kHz的窄線寬激光輸出; 外腔反饋技術方面, 通過不斷開發新型光反饋元件和光學諧振腔設計, 實現低于100 Hz的超窄線寬激光, 結合其體積小、重量輕、高轉換效率、光譜范圍廣等特性, 將在超高精度激光雷達、衛星間通信、相干光通信、激光光譜學、原子鐘泵浦、大氣吸收測量及光纖通信等領域獲得極其廣泛的應用.

目前, 我國在窄線寬半導體激光器研究領域, 由于起步較晚、工藝技術限制及國外的高端技術封鎖等因素, 與國外仍有一定差距, 需要進一步提高半導體激光器的功率和光譜特性; 解決二次高質量外延生長技術和表面光柵的高深寬比刻蝕技術; 攻克高精度光柵等光學反饋元件制造關鍵技術; 亟待整合國內優勢單位進行聯合研發, 突破關鍵技術, 實現高功率、窄線寬半導體激光器的自主化研發。