激光二极管中的光反馈

发布时间:2023-07-19 00:00:00.000Z

人们对各种半导体激光器的外部光反馈效应进行了深入研究 [1] - [3]。从法布里-珀罗(FP)激光器到 DFB 和 DBR 激光器,这些反馈效应对所有半导体激光器都有同样的影响。 有五种反馈状态决定了半导体在外部反馈下的工作方式。 这些状态取决于三个因素:

反馈功率与发射功率之比

到反馈反射器的距离。

输入功率的相位。

如图 1 所示,这五种状态的映射取决于前两个因素。 在图 1 中,光反馈功率与发射功率之比以 dB 为单位,与反馈反射器的距离以 cm 为单位。 

图 1. 根据反馈功率与发射功率之比以及反馈反射距离确定的半导体激光器工作状态。 图 1 改编自参考文献 3。


这五种状态描述如下:

状态 1:最低反馈水平。 激光线宽的宽窄取决于到反射器的距离,这决定了反馈信号的相位。

状态 2:到反馈反射镜的距离越大,激光器对低水平反馈的敏感度就越高。 在这种情况下,反馈相位的变化会导致激光的跳模。 这些跳变与激光器输出面和反馈反射器之间的外部空模式相对应。

状态 3:从反馈电平 -39 dB 到 -45 dB 的这一非常窄的状态会导致线宽变窄。 在这种情况下,激光器在单线上工作,反射镜的长度和反馈相位都无关紧要。较大的反馈反射仍会造成问题。 

状态 4:在这一状态下,激光频谱中会出现边模,与主模之间以弛豫振荡频率相隔。 随着反馈的增加,激光会进入 "相干坍缩"。如图 2 所示,在相干坍缩过程中,激光线会拓宽到 10 几 GHz,并出现几个峰值。 激光对反馈相位的变化不敏感。 

模式 5. 这种状态通常需要在激光器输出面上涂一层抗反射涂层。 在这种情况下,激光器是长腔激光器中的一个短有源部分。激光器的背面和反馈反射器充当腔镜。 只要有足够的波长选择性,激光器就能在单一纵模上工作,并在所有反馈相位上都具有较窄的线宽。 

图 2. 相干塌缩 "1064 nm DBR 激光器的光学频谱分析仪输出。 相干塌缩 "光谱大致填满了与 DBR 反射相对应的光谱宽度。 

应用
应用要求决定了可接受的反馈水平。 在许多应用中,二极管激光器最好始终在模式 3 下运行。 然而,在反馈功率如此小的情况下很难强制产生反射。 例如,100 毫瓦的输出需要 12.6 至 31.6 微瓦的反馈功率。由于很难实现这种控制,因此必须仔细考虑应用的要求。

对稳定性要求极低的一个应用实例是,在带宽为几纳米的多层传输滤波器的通带中保持稳定。 在这种应用中,Photodigm DBR 激光器可以在五种反馈状态中的任何一种状态下轻松运行。只要温度控制得当,任何激光器封装都能满足这种最低要求。 

中等稳定性要求的一个应用实例是保持二次谐波晶体的接受带宽。 这通常要求激光器保持在带宽小于 0.2 nm 的窗口内。 在这种应用中,Photodigm DBR 激光器可以在稳态 1、稳态 2 或稳态 3 下运行。 只要温度控制得当,任何激光器封装都能满足中等稳定性要求。

高稳定性要求的一个应用实例是激发碱蒸汽(如铷或铯)的天然吸收带。 这类应用要求激光器保持在带宽约为 1.5 皮米或 0.4 千兆赫的窗口内。 在这类应用中,Photodigm DBR 激光器可以在模式 1、模式 2 或模式 3 中运行。 同样,只要有足够的温度控制,任何激光器封装都能满足这些高稳定性要求。

对于稳定性要求极高的应用,例如解析碱蒸汽吸收带的超精细结构,激光器必须能够持续调整波长。在这种应用中,激光器不能在模式 2 下运行。 激光器将在外部空腔模式之间跳变,而这些模式之间的间隔可达 10 数兆赫。 在需要这种极端控制的应用中,Photodigm DBR 激光器可以在模式 1 或 3 下运行。 如图 1 所示,在模式 1 下运行需要非常低的反馈反射。 这可以通过 C 型或 TO-8 型激光二极管、适当镀膜的短焦距透镜和自由空间隔离器来实现。 此外,应尽量减少来自隔离器后的反射,以确保稳态 1 运行。 
 

对于稳定性要求极高的设备,不推荐使用蝶形封装设备。 原因是光纤会将设置的光纤部分的任何反馈反射直接引导回激光器。FC/APC 连接器的反馈反射约为 -55 dB,光纤隔离器回波损耗也与之类似。 反馈电平将使激光器进入第 2 阶段工作,如前所述,激光器将在外部空腔模式之间跳变。 电信激光器的蝶形封装中内置有隔离器,但这些小型隔离器的功率处理能力仅约为 100 m@。如果提供有意的反馈,迫使激光器在模式 3 下工作,则可以使用蝶形封装的设备。这种运行方式很难维持。 此外,还可以增加第一次反馈反射的距离,以便将外腔模式间距减小到几兆赫。 

参考资料

[1] J. Mork, B. Tromborg, and J. Mark, "Chaos in semiconductor lasers with optical feedback:  theory and experiment,"  Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, Issue 1, January 1992, pp. 93-108

[2] K. Peterman, Laser Diode Modulation and Noise, Kluwer Academic Publishers, 1991.

[3] R.W. Tkach and A. R. Chraplyvy, "Regimes of feedback effects in 1.5 micron distributed feedback lasers," Journal of Lightwave Technology, Vol LT-4, No. 11, Nov. 1986, pp. 1655-1661.  

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