半導體芯片電路線寬顯微測量精度分析

何慧斌 黃晶

摘要：半導體激光器由于壽命長、體積小、可靠性高、成本低、頻率可調諧等優點，而被廣泛應用于測量和通信等領域。普通半導體激光器頻率和相位噪聲很高，線寬很寬，因而限制了其在一些領域的應用，窄線寬穩頻半導體激光器在基礎研究及高科技產品研發中都有著非常重要的應用，如光原子鐘、高分辨率激光光譜、基本物理常數測量和基礎物理研究等。

關鍵詞：半導體芯片;線寬;精度

1前言

窄線寬激光器以其窄的輸出線寬在光通信與光探測等領域獲得了廣泛的應用。如衛星間的光互聯空地相干通信，多普勒激光冷卻原子實驗以及氣象探測激光雷達等應用均充分證明了這一點。外腔半導體激光器是一種廉價高性能的窄線寬光源，然而國內對于其線寬性質的研究并不全面，國外Hisham等人對外腔激光器進行了較為詳細的研究，但是卻無法很好地體現外腔的壓窄作用。針對其研究缺陷，本文在考慮外腔壓窄作用下，對激光器的線寬特性進行了全面的研究。

外腔激光器可以分為強反饋和弱反饋兩種，外腔反饋強于耦合端面時為強反饋，外腔反饋弱于端面時為弱反饋。激光增益芯片耦合端通常鍍有增透膜，其反饋強度往往遠小于外腔反饋強度，即強反饋。針對這種情況，本文同時考慮了內腔與外腔的雙重作用，分析研究了激光器內部閡值特性、電學以及激光器外腔反饋、壓窄等特性對激光器線寬的影響，理論模擬的結果顯示外腔反饋的增強、有源區尺寸的減小、外腔長度的增加可以有效壓窄激光器線寬。

2半導體激光器壓窄線寬顯微和測量精度分析

對于半導體激光器，可以通過改變其自身的一些參數如光限制因子、輸出光功率、線寬展寬因子、諧振腔損耗和腔內損耗等來減小激光器的線寬。此外，在激光器工作過程中，由于環境因素引起的擾動也會影響激光器的線寬。改善半導體激光器輸出線寬的方法主要分為以下兩類：

2.1半導體激光器穩頻技術

一般的半導體激光穩頻原理，這是一種常見的負反饋系統。通過對比激光頻率與外參考頻率，獲得描述激光器頻率噪聲的誤差信號，將得到的誤差信號經過環路濾波后，再通過負反饋系統校正激光器的輸出頻率。在這樣的系統中，作為外頻率參考的源主要有兩種：一種是原子或分子的躍遷譜線;另外一種是光學諧振腔（Fabry-Perot腔，簡稱F-P腔）的諧振頻率。

下面具體介紹幾種常見的半導體激光器穩頻方法：①原子或分子譜線穩頻。利用原子或分子的飽和吸收特性，將半導體激光器的頻率鎖定于原子或分子的飽和吸收峰，從而穩定激光的頻率。由于原子或分子的躍遷譜線是物質的固有屬性，受環境的影響很小，所以這種穩頻方法具有較好的絕對穩定度。②F-P腔邊帶穩頻。由于F-P腔具有高Q值，窄的共振譜線寬度，適合各種波長，以及共振頻率漂移可控等優點，科研人員通常通過將半導體激光器的頻率鎖定到諧振腔的共振頻率上來實現激光的穩頻，激光頻率的穩定度與F-P腔諧振頻率的穩定度相關。

在邊帶穩頻技術中，F-P腔的鑒頻性能隨精細度增大而提高，但F-P腔透射信號的時間響應速度與腔精細度成反比，腔的精細度越高，誤差信號的響應速度越慢。邊帶穩頻不需要調制技術就可以將激光鎖定到F-P腔共振頻率上，但這種技術具有一些嚴重的缺陷：1.探測信號的幅度噪聲很大;2.系統鎖頻前激光與F-P腔諧振頻率需要幾乎完全一致才行;3.由于擾動使得鎖定結果不夠牢固;4.透射強度有噪聲。③PDH穩頻。為了不再受限于邊帶穩頻技術的固有缺陷，一種借用微波穩頻技術發展起來的相位調制光外差技術（Phase Modulation Heterodyne），也稱為PDH （Pound-Drever-Hall）穩頻方法得到了廣泛應用其原理。輸出激光首先經過聲光調制器，二分之一波片用于調整激光的偏振方向，電光調制器對入射激光產生相位調制。調制后的激光分成兩束，其中一束透過四分之一波片后垂直入射到F-P腔。當激光與F-P腔共振時，反射出的光兩次通過四分之一波片后，其偏振方向較入射光偏振方向旋轉了90°，經偏振分光鏡反射后進入探測器。目前，一些實驗室中用于光原子鐘研究的超窄線寬穩頻半導體激光器就是利用PDH方法將激光頻率鎖定到一個超穩、高精細度的F-P腔上實現的。在PDH穩頻中，激光頻率穩定度主要取決于F-P腔的腔長穩定度，而F-P腔的腔長變化主要由溫度變化、機械振動和熱噪聲等引起。這種技術也存在著以下一些制約因素：1.由于要將激光頻率鎖定在F-P腔的諧振頻率上，因而對于諧振腔的參數要求非常高;2.外界振動和溫度變化對諧振腔的共振頻率影響很大;3.為了獲得穩定的激光頻率，必須要對系統進行精密的控制。

2.2半導體激光器線寬壓窄技術

目前半導體激光器壓窄線寬的方法主要分為兩類：光注入法和光反饋法（包括內腔法和外腔法）。光注入法壓窄半導體激光器線寬的實質是選擇特定波長的縱模注入激光器，導致該縱模在模式競爭中優先起振，優先達到飽和狀態，使半導體激光器的增益曲線下降（半導體激光器屬于均勻加寬），從而抑制旁縱模的振蕩，窄化半導體激光器的輸出譜寬。光注入法的注入光可以來自于功率小、線寬窄、頻率穩定性好的激光信號，也有報導用銣原子蒸汽的一條譜線作為注入光，取得了線寬壓窄的效果。

光反饋法和光注入法的實質類似。內腔法是在激光腔內實現光反饋，如分布式反饋激光器（DFB-LD）和分布布拉格反射器激光器（DBR-LD），也有利用一些特殊設計的激光諧振腔結構實現線寬壓窄的研究。外腔法是用外部的鑒頻器選擇特定波長的縱模反饋回激光器，外腔半導體激光器具有結構緊湊、線寬較窄、波長可調諧等優點，為一種外腔半導體激光器原理圖，是典型的Littrow結構，增益區的輸出端鍍有增透膜，另一端鍍有高反膜，腔內光束經閃耀光柵發生衍射，一級衍射光反饋回增益介質中，零級出射光作為輸出。

另外一種常用的也是本論文中用到的外腔光反饋方法是利用外部的高精細度

F-P腔來反饋激光。

改變激光器的注入電流調制激光器的頻率，當激光頻率與折疊型腔的某個諧振頻率共振的時候，腔內諧振的窄線寬激光反饋回激光器中壓窄激光器線寬，并使激光器的頻率鎖定在諧振腔的共振頻率上，從而實現線寬壓窄和頻率鎖定的效果。在這種方案中，F-P腔精細度越高，反饋光的線寬就越窄。

結束語

光纖布拉格光柵作為外腔激光器的反饋元件，可以將波長帶寬極窄的部分光反饋回芯片的有源區內，通過光纖光柵的選模及反饋光與有源區的相互作用，可以有效改善半導體激光器的各項輸出特性，壓窄線寬，降低噪聲。