電調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的研究

岳叢建，閆紅

（長治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

電調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的研究

岳叢建，閆紅

（長治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

介紹了電光調(diào)諧的結(jié)構(gòu)與電光調(diào)諧的一些設(shè)計思想和實驗裝置，分析了實驗結(jié)果。

外腔半導(dǎo)體激光器，波長調(diào)諧，電光晶體

0 引言

半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光通信、光傳感、光譜測量、光存儲和光信息處理等領(lǐng)域。與其它激光器相比，它具有體積小、效率高、損耗低和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[1]。對于商用半導(dǎo)體激光器，引入外腔技術(shù)，可以選取單縱模和壓窄線寬，并且能在較寬范圍內(nèi)進行波長調(diào)諧。它能提供半導(dǎo)體激光器增益區(qū)間630 nm-2 μm內(nèi)任何波長。

雖然外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器在商業(yè)上已得到廣泛的應(yīng)用，但由于它是手工的機械調(diào)諧，調(diào)諧速度慢，精度不高，不易重復(fù)實現(xiàn)，很難使激光器處于最佳工作狀態(tài),在實際應(yīng)用上有一定的局限性。電調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器能克服這些缺點，它可提供超高相干性光束和超高速波長調(diào)諧[2]。

1 電光調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器

電光調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的工作原理，就是在光柵外腔半導(dǎo)體激光器的諧振腔內(nèi)插入電光晶體，通過改變電光晶體的電壓來實現(xiàn)頻率的調(diào)諧。在外加電場作用下電光晶體的折射率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。折射率的變化和電場成正比的電光效應(yīng)稱為普克爾效應(yīng)，電光調(diào)諧就是利用晶體的普克爾效應(yīng)來實現(xiàn)激光器頻率調(diào)諧的。

電光晶體（EOC）放在外腔半導(dǎo)體激光器的諧振腔內(nèi)(如圖1)準(zhǔn)直透鏡和光柵之間。頻率調(diào)諧采用橫向電光效應(yīng)，光傳輸方向垂直于電場方向和晶體的光軸，沿著晶體光軸方向加電場。激光場的偏振方向平行于外電場，ncrystal是電光晶體的折射率。這種結(jié)構(gòu)適于小型的外腔半導(dǎo)體激光器，一般它的外腔光路長度為4-5 cm。半導(dǎo)體激光器的前端面鍍高反，后端面鍍高透，它的輸出偏振方向平行于光柵刻痕，電光晶體用電壓控制腔長來調(diào)諧輸出波長。

2 電光調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的工作原理

選擇鈮酸鋰晶體（LiNbO3）作為電光調(diào)諧元件。它的優(yōu)點是容易得到大塊單晶，光學(xué)均勻性好，透光性好，質(zhì)地堅硬，不易潮解，易加工且電光系數(shù)較大。

下面說明鈮酸鋰晶體電光調(diào)諧的工作原理。設(shè)無外加電場時晶體的折射率橢球方程為：

鈮酸鋰晶體加電場,z為光軸方向，LiNbO3晶體只能采用橫向調(diào)制方式。設(shè)外加電場平行于z方向，即Ez≠0，Ex=Ey=0,其折射率橢球方程為：

式中無交叉項，說明加電場后折射率橢球的三個主軸方向沒有變，只是橢球的三個主軸長短隨電場E的大小發(fā)生變化。形成x'、y'、x'三個新主折射率：

從（3）式可以看出，在z方向的電場作用下，電感應(yīng)主軸x'，y'，z'與晶體的三個介電主軸方向一致。設(shè)x方向通光，入射光的偏振方向平行于z方向，則電壓引起的晶體折射率的變化量Δn為

z方向的偏振光波通過長度為L，厚度為d(電場方向)的晶體，由電壓引起的腔長變化ΔL為

由于在諧振腔中振蕩的激光必須滿足駐波方程qλ=2L，則

式中Lc為激光器諧振腔腔長的光程，λ1和λ2為晶體腔長變化前后在激光器諧振腔中振蕩的波長，由（6）可知這兩個波長差為

因此，ΔL引起的頻率變化Δf，波長變化Δλ為

3 電光調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的設(shè)計

半導(dǎo)體激光器輸出光束經(jīng)光準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直以后，通過電光晶體，照射到閃耀光柵上，轉(zhuǎn)動光柵使其處于自準(zhǔn)直狀態(tài)（見圖1）。一級衍射光經(jīng)電光晶體反饋回半導(dǎo)體激光器有源區(qū)，零級衍射光通過透鏡聚焦，注入MS9001B1光譜分析儀，測量其光譜特性。

圖1 電光調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

3.1 電光晶體尺寸的設(shè)計

選用LiNbO3晶體，在其z方向加電場，x方向通光。由上面分析可知，電光調(diào)諧光柵外腔LD的頻率調(diào)諧范圍Δf與外加電壓、晶體的尺寸L/d和LiNbO3晶體的電光系數(shù)成正比。在選定材料和電壓后，晶體尺寸的選擇主要根據(jù)晶體的均勻透光性選取晶體的長度，根據(jù)光束的尺寸選取晶體的厚度。根據(jù)實際情況，我們選用10×4×4 mm3優(yōu)質(zhì)LiNbO3晶體。

3.2 電光調(diào)諧光柵外腔LD的調(diào)諧范圍估計

由（8）式可知，頻率變化與電光調(diào)諧光柵外腔半導(dǎo)體激光器的外腔腔長的光程有關(guān)。而外腔腔長的光程等于LD內(nèi)腔的光程+外腔的光程，外腔光程包括晶體的光程和除晶體以外的外腔的光程。電光調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器的外腔結(jié)構(gòu)應(yīng)非常緊湊，由晶體腔長引起的頻率變化才明顯，但由于各種光學(xué)元件大小的制約，外腔結(jié)構(gòu)不可能太小。在實驗中，電光調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器腔長大約為15 cm，LD的中心波長為650 nm，LiNbO3晶體的電光系數(shù)ne=2.2，r33=30.8×10-11cm/V，由(6)式可得出z方向加電場，x方向通光，偏振方向平行于z方向時，晶體內(nèi)光程的變化ΔL=1.23x10-3cm。由(8)可計算出ΔL引起的波長變化為Δλ=0. 0533 nm。用分辨率為0.1 nm的光譜儀不能分辨，應(yīng)該用分辨率高的掃描干涉儀。由此得出如下結(jié)論：與其它調(diào)諧方式比較，電光調(diào)諧調(diào)諧速度快，調(diào)諧范圍小。

4 實驗研究與討論

實驗中，限于條件限制我們選擇現(xiàn)有的用于角度電光傳感系統(tǒng)的4×4×10 mm3LiNbO3晶體。根據(jù)晶體的加工情況，它只能x方向加電場，z方向通光。選用的半導(dǎo)體激光器的中心波長是650 nm，最大注入電流為26 mA，最大輸出功率為5 mW，MS9001B1型光譜儀的最小分辨率為0.1 nm。在實驗中，我們逐步增加晶體兩端的電壓，最高增加到3000 V。沒有觀察到波長的變化，只觀察到某個波長的光強發(fā)生了周期性的變化，圖2所示為加在晶體上的電壓V=500 V的光譜。

圖2 光譜圖

［1］B.Boggs,et al.Simple high-coherence rapidly tunable external-cavity diode laser［J］,Opt,lett.V (23)1998 1906-1909

［2］P.Gu,et al.Generation of Coherent cw-Terahertz Radiation Using a Tunable Dual-Wavelength External Cavity Laser Diode［J］,J.Appl.Phys.38 (2004)1246.

（責(zé)任編輯 郝瑞宇）

O47

A

1673-2015（2015）05-0047-03

2015—07—15

岳叢建（1962—）男，山西武鄉(xiāng)人，高級實驗師，主要從事物理學(xué)教學(xué)和激光器研究工作。