半導(dǎo)體芯片電路線寬顯微測(cè)量精度分析

何慧斌 黃晶

摘要：半導(dǎo)體激光器由于壽命長、體積小、可靠性高、成本低、頻率可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于測(cè)量和通信等領(lǐng)域。普通半導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用，窄線寬穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器在基礎(chǔ)研究及高科技產(chǎn)品研發(fā)中都有著非常重要的應(yīng)用，如光原子鐘、高分辨率激光光譜、基本物理常數(shù)測(cè)量和基礎(chǔ)物理研究等。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)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(cè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。如衛(wèi)星間的光互聯(lián)空地相干通信，多普勒激光冷卻原子實(shí)驗(yàn)以及氣象探測(cè)激光雷達(dá)等應(yīng)用均充分證明了這一點(diǎn)。外腔半導(dǎo)體激光器是一種廉價(jià)高性能的窄線寬光源，然而國內(nèi)對(duì)于其線寬性質(zhì)的研究并不全面，國外Hisham等人對(duì)外腔激光器進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但是卻無法很好地體現(xiàn)外腔的壓窄作用。針對(duì)其研究缺陷，本文在考慮外腔壓窄作用下，對(duì)激光器的線寬特性進(jìn)行了全面的研究。

外腔激光器可以分為強(qiáng)反饋和弱反饋兩種，外腔反饋強(qiáng)于耦合端面時(shí)為強(qiáng)反饋，外腔反饋弱于端面時(shí)為弱反饋。激光增益芯片耦合端通常鍍有增透膜，其反饋強(qiáng)度往往遠(yuǎn)小于外腔反饋強(qiáng)度，即強(qiáng)反饋。針對(duì)這種情況，本文同時(shí)考慮了內(nèi)腔與外腔的雙重作用，分析研究了激光器內(nèi)部閡值特性、電學(xué)以及激光器外腔反饋、壓窄等特性對(duì)激光器線寬的影響，理論模擬的結(jié)果顯示外腔反饋的增強(qiáng)、有源區(qū)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(dǎo)體激光器壓窄線寬顯微和測(cè)量精度分析

對(duì)于半導(dǎo)體激光器，可以通過改變其自身的一些參數(shù)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(nèi)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(huán)境因素引起的擾動(dòng)也會(huì)影響激光器的線寬。改善半導(dǎo)體激光器輸出線寬的方法主要分為以下兩類：

2.1半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻技術(shù)

一般的半導(dǎo)體激光穩(wěn)頻原理，這是一種常見的負(fù)反饋系統(tǒng)。通過對(duì)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(hào)，將得到的誤差信號(hào)經(jīng)過環(huán)路濾波后，再通過負(fù)反饋系統(tǒng)校正激光器的輸出頻率。在這樣的系統(tǒng)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(xué)諧振腔（Fabry-Perot腔，簡(jiǎn)稱F-P腔）的諧振頻率。

下面具體介紹幾種常見的半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻方法：①原子或分子譜線穩(wěn)頻。利用原子或分子的飽和吸收特性，將半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定于原子或分子的飽和吸收峰，從而穩(wěn)定激光的頻率。由于原子或分子的躍遷譜線是物質(zhì)的固有屬性，受環(huán)境的影響很小，所以這種穩(wěn)頻方法具有較好的絕對(duì)穩(wěn)定度。②F-P腔邊帶穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)，科研人員通常通過將半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定到諧振腔的共振頻率上來實(shí)現(xiàn)激光的穩(wěn)頻，激光頻率的穩(wěn)定度與F-P腔諧振頻率的穩(wěn)定度相關(guān)。

在邊帶穩(wěn)頻技術(shù)中，F(xiàn)-P腔的鑒頻性能隨精細(xì)度增大而提高，但F-P腔透射信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)速度與腔精細(xì)度成反比，腔的精細(xì)度越高，誤差信號(hào)的響應(yīng)速度越慢。邊帶穩(wěn)頻不需要調(diào)制技術(shù)就可以將激光鎖定到F-P腔共振頻率上，但這種技術(shù)具有一些嚴(yán)重的缺陷：1.探測(cè)信號(hào)的幅度噪聲很大;2.系統(tǒng)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(dòng)使得鎖定結(jié)果不夠牢固;4.透射強(qiáng)度有噪聲。③PDH穩(wěn)頻。為了不再受限于邊帶穩(wěn)頻技術(shù)的固有缺陷，一種借用微波穩(wěn)頻技術(shù)發(fā)展起來的相位調(diào)制光外差技術(shù)（Phase Modulation Heterodyne），也稱為PDH （Pound-Drever-Hall）穩(wěn)頻方法得到了廣泛應(yīng)用其原理。輸出激光首先經(jīng)過聲光調(diào)制器，二分之一波片用于調(diào)整激光的偏振方向，電光調(diào)制器對(duì)入射激光產(chǎn)生相位調(diào)制。調(diào)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(dāng)激光與F-P腔共振時(shí)，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(zhuǎn)了90°，經(jīng)偏振分光鏡反射后進(jìn)入探測(cè)器。目前，一些實(shí)驗(yàn)室中用于光原子鐘研究的超窄線寬穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器就是利用PDH方法將激光頻率鎖定到一個(gè)超穩(wěn)、高精細(xì)度的F-P腔上實(shí)現(xiàn)的。在PDH穩(wěn)頻中，激光頻率穩(wěn)定度主要取決于F-P腔的腔長穩(wěn)定度，而F-P腔的腔長變化主要由溫度變化、機(jī)械振動(dòng)和熱噪聲等引起。這種技術(shù)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(duì)于諧振腔的參數(shù)要求非常高;2.外界振動(dòng)和溫度變化對(duì)諧振腔的共振頻率影響很大;3.為了獲得穩(wěn)定的激光頻率，必須要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精密的控制。

2.2半導(dǎo)體激光器線寬壓窄技術(shù)

目前半導(dǎo)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(nèi)腔法和外腔法）。光注入法壓窄半導(dǎo)體激光器線寬的實(shí)質(zhì)是選擇特定波長的縱模注入激光器，導(dǎo)致該縱模在模式競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)先起振，優(yōu)先達(dá)到飽和狀態(tài)，使半導(dǎo)體激光器的增益曲線下降（半導(dǎo)體激光器屬于均勻加寬），從而抑制旁縱模的振蕩，窄化半導(dǎo)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(wěn)定性好的激光信號(hào)，也有報(bào)導(dǎo)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(shí)質(zhì)類似。內(nèi)腔法是在激光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的激光諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、線寬較窄、波長可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，為一種外腔半導(dǎo)體激光器原理圖，是典型的Littrow結(jié)構(gòu)，增益區(qū)的輸出端鍍有增透膜，另一端鍍有高反膜，腔內(nèi)光束經(jīng)閃耀光柵發(fā)生衍射，一級(jí)衍射光反饋回增益介質(zhì)中，零級(jí)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(xì)度

F-P腔來反饋激光。

改變激光器的注入電流調(diào)制激光器的頻率，當(dāng)激光頻率與折疊型腔的某個(gè)諧振頻率共振的時(shí)候，腔內(nèi)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(shí)現(xiàn)線寬壓窄和頻率鎖定的效果。在這種方案中，F(xiàn)-P腔精細(xì)度越高，反饋光的線寬就越窄。

結(jié)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(qū)內(nèi)，通過光纖光柵的選模及反饋光與有源區(qū)的相互作用，可以有效改善半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)輸出特性，壓窄線寬，降低噪聲。