第一章　外腔半导体激光器技术

1.1　前言

激光技术是光电子学各相关方向的基础，自1962年第一支半导体激光器问世以来，半导体激光器有了很大的发展。20世纪70年代末，随着半导体激光介质制作工艺的改进和完善，半导体激光器的性能得到了很大的提高，各种类型的新产品不断涌入市场。由于半导体激光器具有体积小、效率高、结构简单、价格便宜、便于调谐等优点，目前已被广泛运用于光纤通信、激光印刷、激光唱机、激光测距、激光医疗等方面。另外在激光光谱、原子分子物理、量子频标、原子核物理等基础研究领域，半导体激光器也越来越发挥其重要作用。

半导体激光稳频是半导体激光实现频率控制的一种重要技术。稳频激光不但可用于长度的精密测量，而且在激光通信、原子钟、纳米科技、三维精密控制、原子分子结构的精密测量和能态的标定以及物理基本常数的精密测量等方面有着广泛的应用，目前常用的稳频半导体激光有532nm、633nm、780nm、850nm和1500nm等几个波段，前四种主要应用于精密测量、原子钟、激光光谱等领域，后一种主要应用于光纤通信。半导体激光频率标准是稳频半导体激光中稳频精度最高的一种，它是将激光频率锁定于原子或分子的超精细能级间的稳定跃迁频率从而获得高精度的激光频率，并以此作为光频率的标准（简称光频标）。常用的光频标最好的不确定度为10-13量级，对于1km的长度测量其误差仅为0.1nm。目前用于科研的最高精度的光频标的不确定度为10-18量级，若用于计时，相当于300亿年误差不超过1s。

本章详细介绍半导体激光器产生激光的基本原理以及其基本特性，包括其频率调谐特性和功率输出特性，然后介绍应用最为广泛的外延腔半导体激光器，包括外延腔压窄激光线宽的基本原理和外延腔频率调谐的基本原理。

1.2　半导体激光器产生激光的基本原理

半导体激光器是利用少数载流子注入产生受激发射的器件，和其他激光器一样，半导体激光器发射激光也必须具备三个条件：粒子数反转、共振腔和激励源。由于构成半导体激光管的晶体材料不同，半导体激光器从结构上可分为PN结激光器、异质结激光器和分布反馈激光器。

半导体晶体是构成半导体激光器的工作物质，由于其晶体内部电子的共有化运动，使半导体晶体内部原子的费米能级形成的能带结构，如图1.1所示。

在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带称为价带，如有电子因某种原因受激进入空带，则此空带称为导带。在导带和价带的间隔范围内，由于电子不能处于稳定能态，实际上形成了一个禁区，称为禁带，其宽度常用Eg表示。对于直接跃迁，例如电子吸收一个光子，它将从价带顶跃迁到导带底，反之，如从导带底跃迁到价带顶则放出一个光子，放出光子和吸收光子的频率ν满足关系：

hν≌Eg

（1.1）

由半导体激光器的理论可知，若半导体晶体中的PN结两端电压U满足：

U＞Eg/e

（1.2）

相互作用区的电子准费米能级（EF）N和空穴准费米能级（EF）P则满足产生受激发射的粒子数反转条件：

ΔEF=（EF）N-（EF）P≥Eg

（1.3）

半导体激光器产生的基本原理是在外部激励源作用下，在半导体晶体中的PN结两端加上适当的电压，使载流子形成反转分布，即导带中拥有电子，而其对应的价带中则留有空穴，如图1.1所示。导带中的电子向下跃迁至能量低的价带，而发生电子和空穴的复合，跃迁时发出光子，由于谐振腔的反馈作用使特定频率的光子可以在腔内因受激辐射而得到放大，最终产生激光。

1.2.1　半导体激光器的频率调谐特性

对于半导体激光器，激光输入的波长由腔长和激光增益二者决定。为了分析方便，可以假设激光波长λc（T）由接近于增益峰值波长λP（T）的腔模λM（T）决定，即

λc（T）=λM（T）=2n（T）L/M

（1.4）

这里，M是最接近2n（T）L/λP（T）的整数，也即

M=int{2n（T）L/λP（T）}

（1.5）

由于折射率n（T）和温度有关，

n（T）=n0+pT

（1.6）

而增益峰值频率νP（T）又由禁带宽度决定。当温度变化时，禁带宽度Eg（T）随之变化，

Eg（T）=Eg（0）-aT2/（T+b）

（1.7）

即

νP（T）=νP（0）-aT2/h（T+b）

（1.8）

对于给定的材料和温度范围，a和b可以看作常数，由此可得激光波长λc（T）和温度T的关系为：

由式（1.9）得到如图1.2（a）的λc（T）—T关系曲线，由于腔模的分裂，导致了跳模现象（ModeHopping）。为了表述激光波长（频率）随温度变化的敏感性，定义温调率为：

其单位为GHz/K，对于一般激光管，FT≈60GHz/K。

另外，当改变激光器的工作电流I时，由于电流流过激光介质产生的热效应也会改变激光频率，我们将这种激光随工作电流的变化率称为电调率：

其单位为MHz/mA，对于SDL-5420型激光管，FI≈1.3GHz/mA。如图1.2（b）所示为λc-I的关系曲线，其中也有跳模现象产生。

1.2.2　半导体激光器的功率输出特性

半导体工作物质实现了粒子数反转后，光在谐腔内传播时就有增益，但能否有效地形成激光振荡，还与腔内损耗有关。只有当光在腔内来回传播一周的过程中增益G等于损耗α时，才能满足振荡的阈值要求，此时的增益为阈值增益Gth。如图1.3所示，半导体激光介质腔，则有：

R1R2I（0）e（Gth-α）2L=I（2L）

（1.12）

亦即：

e（Gth-α）2LR1R2=1

（1.13）

或

式1.14的右式中第二项为输出端面引起的损耗，当腔长L越短，引起的损耗越大。由于半导体激光器是固体激光器，其能产生受激辐射的粒子密度（非平衡载流子）要比气体激光器的粒子密度高几个数量级，所以其增益系数远大于气体激光器的增益系数。因此，半导体激光器的谐振腔长L可比气体激光器的短很多，另外，共振腔端面的反射率也不必很高。对于砷化镓（GaAs）半导体激光器，其增益G和工作电流I呈线性关系：

G=βI

（1.15）

其对应的阈值电流为：

由式1.16可知，Ith与反射率R1和R2有关，通常两个共振腔端面都是天然解理面，有R1=R2=0.32和ln（1/R1R2）=2.28，若其中一个端面镀全反膜，有R1=1，则ln（1/R1R2）=1.14。因此，当一个端面镀全反膜时，可以降低阈值电流。另外，当腔长增大时，也可以降低阈值电流。

半导体激光器的输出功率为：

P=η（hν/e）（I-Ith）

（1.17）

其中η为量子效率，如图1.4所示，半导体激光器输出功率和工作电流的关系。

1.2.3　半导体激光器的结构和封装

半导体激光器，顾名思义就是用半导体材料作为激光介质的一类的激光器。半导体激光器所涉及的半导体的种类很多，但目前最常用的有两大类，一类是砷化镓（GaAs）和镓铝砷（Ga1-xAlxAs，下标x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数）系列；另一类是InP和Ga1-xInxAs1-yPy系列（下标x、y表示In和P的掺杂浓度）。砷化镓和镓铝砷类半导体激光器的波长λ取决于掺杂浓度x，一般为0.85μm左右，InP和Ga1-xInxAs1-yPy类半导体激光器的波长也取决于掺杂浓度x和y，一般为0.92～1.65μm，其中最常用的波长为1.3μm和1.55μm。目前光纤通信所用半导体激光波长主要在1.55μm附近，由于这种波段的激光在光纤中的传输损耗仅为0.15dB/km，适用于长距离光纤通信，因此1.55μm波段半导体激光器倍受青睐。

如图1.5所示为双异质结AlGaAs/GaAs半导体激光器的典型结构，其中间有源区材料为GaAs，它在x方向上的厚度为0.1～0.2μm，有源区被两层相反掺杂的Ga1-xAlxAs包围层所夹持，受激辐射的产生与放大就在GaAs有源区中进行。该层的z方向两端分别镀有反射膜，在出光端的反射率为14%～70%，在后向反射端的反射率高达99%以上。z方向的长度一般为300μm。因此，半导体激光器的腔长为300μm。在y方向有源区长度约为1μm左右，周围被折射率较低的半导体材料所包围，形成如图1.6所示的二维波导结构。由于有源区在x和y方向尺度不同，形成了x方向光束发散角大（30°左右），y方向光束发散角小（10°左右），如图1.7所示。

半导体发光介质经切割和镀膜后被粘贴在一个导热性能很好的铜制底座上，该底座和激光密封窗、半导体激光器极性引线构成半导体激光器。工作时需要对激光介质进行控温，一般控温的方法是将激光器固定在如图1.8所示的热沉块（或散热块）上，半导体制冷器（Thermoelectric Cooler,TEC）的一个端面一般和热沉块相接触，另一个端面与一块更大的散热底板接触，控制TEC电流的流向即可对激光器进行加热或者制冷。对于高功率激光器，散热底座要进行水冷，以保证及时换热。半导体激光器的温度控制由TEC控制器调整TEC的电流来实现。半导体激光器的温度通过测量热沉的温度得到，在半导体激光器工作时，热沉通过热敏电阻将半导体激光器的温度信息传递给TEC控制器，通过其中的比较电路得到设置温度和探测温度的差来决定提供给TEC电流的大小和方向，从而实时地控制温度。

另外还有大功率半导体激光器和激光通信专用半导体激光器，如图1.9所示。大功率激光器实际上是由许多单管叠加而成的，一般称这种激光器为半导体激光器列阵，如图1.10所示。

1.3　外腔半导体激光器

1.3.1　外腔半导体激光器压窄线宽的基本原理

在半导体激光器的诸多应用中，半导体激光器的线宽是一个非常重要的指标。目前常用的半导体激光器的线宽一般在15～100MHz左右，若加外延腔形成光反馈则激光线宽可以减小几十倍，一般都能压窄到1～5MHz左右。虽然它对于一般应用（如激光光线通信、激光印刷、激光医疗等）已经满足要求，但是对于基础研究（如高分辨率光谱、激光冷却、囚禁原子和量子频标等）仍然不能满足要求。为了让半导体激光器在基础研究中发挥作用，就必须设法将其线宽变窄。半导体激光器线宽的压窄方法主要有两种，电反馈法和光反馈法。由于光反馈法结构简单，已经为大家普遍采用。

半导体激光器在工作时，腔内同时存在着受激辐射和自发辐射两种过程。自发辐射产生的光子相位是随机分布的，彼此不相干。由于这种相位的随机分布，形成了激光场线宽的下限，即激光本征线宽，其计算由著名的Shawlow-Townes关系式给出：

此计算式只适用于单模激光，其中P是激光输出功率，Δνc是无源腔的自然线宽，它由下式表示：

其中L为无源腔的光学长度，α为腔的单程损耗，c为光速。由以上两式可以看出，激光的功率越大，激光器的腔长越长，激光的本征线宽就越窄。由于半导体激光器的腔长比气体激光器的腔长要短许多，因此它的本征线宽会比气体激光器大很多。

引入a=Δn1/Δn2，其中n1+in2为半导体激光介质的折射率。在半导体激光器中，自发辐射不仅引起相位的起伏，还能引起光场强度的起伏，这种强度的变化引起载流子密度的变化，从而引起了介质折射率的变化。这种效应将使单模激光的线宽增大为（1+a2）Δν。

为了使现有的半导体激光器的线宽能得到有效的压窄，常用的方法是利用外腔光反馈，如图1.11所示。从原理上讲，外腔光反馈可以从两个方面使线宽压窄：加外腔等效于腔长的增加；引入光反馈，有利于增强受激发射而抑制自发辐射。

下面我们将外腔光反馈半导体激光器的结构简化为如图1.11所示的三腔结构，在此只给出定量的结论，具体的推导计算可以参考有关文献。压窄后的线宽计算式：

有关参数的定义如下：

（1）a=Δn1/Δn2，其中n1+in2为半导体激光介质的折射率；

（2）Δν为单模激光的本征线宽；

（3），它表示由于外腔引起的净损耗和反馈光引起的腔内介质折射率变化的耦合效应，正是此效应导致了线宽的变化，它决定了线宽变化的大小，K和τ分别是外腔损耗引起的光强随腔轴坐标变化的衰减率和无源腔的时间常数（即光子在腔中的寿命），τ=2d/c；

（4）φ0=2π（2d/λ），反馈光在外腔往返一次所引起的相位滞后，此处不计激光增益介质引起的相位变化；

（5）φR=tan-1a，由激光增益介质折射率变化引起的附加相位变化。

定义线宽压窄系数D：

D=[1+xcos（φ0+φR]）2

分情况讨论D的变化：

（1）当无外腔光反馈时，x=0，D=1；

（2）当外腔长为纵模的整倍数时，φ0=2mπ，D=（1+Kτ）2；

（3）当相位匹配时，φ0+φR=2mπ，D=（1+x）2。

由此可以看出，在相位匹配时，线宽有最大压窄。

进一步还可以推导出半导体激光器电调率和温调率的计算公式（具体过程略）：电调率；温调率。

这说明当有外腔光反馈时，半导体激光管本身的电调率与温调率都将变小，即主要受到外腔的控制。

1.3.2　外腔半导体激光器频率调谐的基本原理

半导体激光器的频率调谐是指通过改变半导体激光器的工作温度、工作电流和外腔参数等来获得输出激光频率的相应改变。在大多数应用场合要求激光频率可以做连续的调节，同时激光是单模的并且有较窄的线宽（即单色性好），为了达到这样的要求，通常采用调节外腔参数的方法来进行激光频率调谐。

这里，我们主要介绍两类外腔半导体激光器的调谐原理：

（1）Fox型外腔半导体激光器的腔长调节。

这类半导体激光器的外腔结构如图1.11所示，根据激光纵模条件，

L=2mλ

（1.21）

这里L是外腔的腔长，一般L远大于半导体介质腔的腔长，d是外延腔反射面到最远的介质腔面的距离，m是纵模数，λ是波长。由式（1.21）我们可以得到外延腔腔长和激光频率变化的关系：

在不发生跳模的情况下，激光的频率连续改变可以通过外腔腔长的改变获得，这里需注意外腔腔长的变化斜率与激光频率的变化斜率符号相反。

（2）Littrow型外腔半导体激光器的光栅调节。

Littrow型外腔半导体激光器是常见的商用可调谐激光器，其结构如图1.12所示。这类半导体激光器也是通过加外腔的方式压窄了线宽，不过它还引入光栅反馈，使得激光线宽进一步压窄，同时通过改变光栅转角就可以获得更好的激光调谐频率。

如图1.13（a）所示是闪耀光栅的闪耀特性，其中0级反射光沿平面反射的角度出射，而其他级（±1，±2，……）衍射光的衍射角度则取决于入射光的波长和光栅的常数，由此可以看出闪耀光栅的选频作用。图1.13（b）是Littrow型外腔半导体激光器的光栅反馈示意图，利用闪耀光栅的闪耀特性，选择适当的入射光波长和入射角度，使闪耀光栅只有0级和+1级反射光，0级反射光作为出射激光，+1级反射光作为反馈光，则光栅就构成了激光器的外腔。

当闪耀光栅旋转时，激光器的腔长改变，入射光的波长和入射角也随之改变，由于闪耀光栅的选频作用，如图1.13（b）所示，+1级反射光的反射角也随之改变，使+1级反射光可以仍然按原路返回激光器，这就是调谐激光波长的基本原理。由图1.13可知，激光的波长应该满足光栅方程：

d（sinθ+sinαm）=mλ

（1.23）

这里d为光栅常数，θ为激光对于光栅平面的入射角，称为光栅转角，m为一正数。在此类激光器中，入射激光与+1级反射光在一条轴上且反向，所以可以进步写出：

2dsinθ=λ

（1.24）

则激光频率与光栅转角变化量的关系为：

如图1.14所示为Littrow型外腔半导体激光器中光栅对激光频率控制的影响。

在不发生跳模的情况下，激光的频率连续改变可以通过调节光栅转角获得。Fox外腔虽能压窄线宽和调谐频率，但由于该结构属三镜腔结构，由式（1.9）可知，在连续改变腔长L时，将发生跳模现象，以致形成激光频率的不连续性。为了避免这种现象，最近几年利用输出端面镀减反射膜（ARcoating）的半导体激光管加Litt-man型形成连续可调谐色散腔的方法扩大激光器的连续可调谐范围以及进一步压窄线宽，如图1.15和图1.16所示。

由于外腔半导体激光的波长受控于腔长，因此，其电调率和温调率曲线与不加外腔情况下稍有区别，如图1.2（c）（d）所示。