可调谐外腔半导体激光器为什么是理想光源呢？
自从半导体激光器研制成功以后，波长可调谐的半导体激光器一直备受行业关注。可调谐外腔半导体激光器（ecdl）能够实现波长宽范围调谐(大于100 nm)、单模输出、大激光功率、稳定输出光谱、大边模抑制比等优良性能，并且易与光纤耦合，被广泛应用于白光干涉测量波分复用系统、光学相干断层扫描、相干光通信、气体检测、原子物理实验、原子钟等领域。尤其是随着5g和智能时代的到来，可调谐ecdl凭借其独特的性能正成为越来越多应用领域中的理想光源。
一
可调谐外腔半导体激光器的基本原理
波长可调谐激光器的调谐原理是通过各种技术手段直接或间接改变激光器腔长，使谐振腔中谐振模式的位置发生微小移动，并通过波长选择器件选择出特定的波长。
可调谐外腔半导体激光器（ecdl）由半导体激光器外部引入光学反馈元件构成，通过外部光学元件的反馈与选频作用，大大改善了激光器的性能，结构如图1所示。
图1 ecdl基本结构示意图
半导体激光器（激光二极管，ld）两端面构成的谐振腔为内腔，ld与外腔镜之间构成的谐振腔称为外腔。外腔镜将ld部分输出光反馈回内腔，反馈光与内腔光场发生相互作用，外腔镜选择特定的单模波长输出激光。
清华大学柴燕杰等推导出了ecdl的线宽表达式，引入外腔反馈因子和henry线宽增强因子，为了得到较窄的线宽，需增强外腔反馈因子，应选择长外腔长度、高衍射光栅反射率和低芯片后端面反射率。通过调整外腔镜位置或旋转外腔镜等方式，改变激光器的外腔长度和外腔镜选频模式，使外腔镜反馈频率曲线和外腔频率曲线的移动速率相匹配，得到连续无跳模可调谐的单模输出，如图2所示。
图2 外腔激光器波长调谐示意图
二
不同类别的可调谐外腔半导体激光器
可以作为外腔反馈元件的光学元件种类很多，常见的有衍射光栅、光纤光栅、体全息光栅、体布拉格光栅、低损耗波导、滤光片、f-p标准具、反射镜、波导滤波器等。ecdl采用外腔反馈技术使得线宽得到极大压窄，一般都能达到千赫兹级别。
根据谐振腔结构设计和外腔反馈光学元件的不同，将可调谐ecdl主要分为 衍射光栅型、光纤光栅型和波导型ecdl等 。表1 对比了几种ecdl的性能参数。
vol.1
衍射光栅型ecdl
衍射光栅ecdl通常使用littrow或littman两种结构，分别如图3(a)和(b)所示。
衍射光栅型 ecdl 的激射波长同时满足激光器相位条件公式和光栅方程:
式中，λ为激射波长，l为外腔激光器腔长，q为模式数，d为光栅常数，θ为入射角(与一级衍射角相等)
littrow结构通过旋转衍射光栅，littman结构通过旋转反射镜，同时改变光栅的一级衍射角和外腔腔长进行选模，实现激光调谐。
(a) littrow-ecdl
(b) littman-ecdl
图3 衍射光栅ecdl结构示意图
（1）littrow型外腔半导体激光器
littrow结构一般由ld增益芯片、准直透镜和衍射光栅组成，增益芯片前端面出射激光经准直透镜准直光束后进入衍射光栅发生衍射，一级衍射光沿原光路返回至增益芯片，激光从光栅零级衍射方端面反射率。通过调整外腔镜位置或旋转外腔镜等方式，改向或芯片后端面输出。
littrow型外腔半导体激光器（littrow-ecdl）具有窄线宽、宽调谐范围、结构简单、输出功率大等优点。科研人员对其进行了不少的研究，如使用锆钛酸铅镧陶瓷（plzt）电光偏转器作为波长可调谐元件构成的稳定可调谐littrow-ecdl、基于衍射光栅的二阶littrow-ecdl、采用普通的商用ld构建littrow-ecdl、使用saf增益芯片和衍射闪耀光栅构成 littrow-ecdl、双波长littrow-ecdl、基于gan ld的littrow- ecdl、使用反射全息光栅构建蓝光littrow-ecdl等，扩大了波长调谐范围，进一步抑制内腔fp振荡模式，提高了激光器的稳定性和功率，实现了高功率蓝紫色激光的输出。
（2）littman型外腔半导体激光器
littman结构是在littrow结构的基础上增加一个反射镜，一级衍射光经反射镜反射发生第二次衍射，然后反馈进入增益芯片，形成谐振。经过模式竞争，一级衍射光模式得到放大，其他振荡模式得到抑制，激光器实现单模输出。
随着半导体制备工艺和光学镀膜技术的发展littman型外腔半导体激光器(littman-ecdl)在实现窄线宽的同时可以获得高激光输出功率。随着研究的深入，星形柔性铰链调谐结构的littman-ecdl、mems-ecdl等纷纷被研制出来，提高了激光器的偏振性能，实现外腔激光器的小型化，尤其是基于微型littman结构、体全息光栅和微透射光栅三种结构的小型可调谐 ecdl，具有输出功率高、窄线宽、可调谐、边模抑制比大等特点，可实现便携性和手持设备操作，克服了传统外腔激光器不可携带的缺点。
同时不可忽视的是，衍射光栅ecdl通过改变光栅角直接获得大的调谐范围，输出光功率大， 但是一般采用机械调谐，调谐速度较慢， 虽然研究人员对此进行了许多改进，但是调谐速度依然仅达到几十毫秒以上。
衍射光栅 ecdl的另一个缺点是体积较大，光路准直和激光稳定困难 ，通过结合mems技术来降低光路系统复杂性和提高稳定性，可以制作出结构紧凑坚固的激光器，甚至实现可携带的蝶形封装。
vol.2
光纤光栅型 ecdl
光纤光栅型外腔半导体激光器（fbg-ecdl）由ld增益芯片输出端耦合fbg组成，如图4所示。fbg 的功能本质是具有窄带高反特性的反射镜，将布拉格反射峰带宽内的特定波长反馈射入增益芯片，与有源区光相互作用，增加该振荡模式光子寿命，降低其阈值,通过模式竞争从而得到单模输出。利用锥形光纤耦合ld和fbg可以有效减小ld端面的反射光，抑制内腔f-p振荡模式。
图4 光纤光栅 ecdl结构示意图
随着光纤光栅的刻写工艺不断成熟，fbg- ecdl不断受到国内外的关注。在单模光纤中形成fbg的单频可调谐ecdl、fbg-fp外腔半导体激光器、基于增强热敏性fbg的紧凑无跳模ecdl、集成 fbg-ecdl等技术相继推出，在波长调谐范围、输出功率、相位和频率的噪声和抑制等方面都得到了较大提升。fbg-ecdl通常使用机械、温度、电流等方式拉伸fbg以实现波长的调谐。
光纤光栅 ecdl虽然具有结构简单、波长稳定性和可控性好、易与光纤耦合的特点，常被应用在许多光纤通信和传感系统中，但是 激光器的调谐范围仅有几纳米，这也是在其他应用领域没有得到广泛应用的最大限制因素 。
vol.3
波导型ecdl
得益于硅基光子技术的发展，加上波导ecdl具有外腔的窄线宽和宽调谐范围特性，同时具备单片集成激光器的低损耗、高集成度和高可靠性的特点，近年来受到了人们的广泛关注。相继出现了硅基波导ecdl、双环谐振器（mrr）硅基波导ecdl、硅基混合mrr可调谐ecdl、单片集成 ecdl、mach-zehnder干涉仪（mzi）集成ecdl、inp-rsoa和si3n4外腔波导集成的ecdl、低损耗氮化硅单环形波导的紧凑型窄线宽ecdl等技术。
波导型可调谐ecdl通常由半导体光放大器（soa）和集成光子芯片外腔耦合组成，soa提供增益放大，集成光子芯片外腔负责波长选择，图5给出了硅基波导的ecdl的典型结构。
图5 双mrr的硅基波导ecdl结构示意图
soa耦合到硅基线波导的光波通过两个微环谐振器（mrr）发生滤波，其原理是设置两个 mrr的半径略微不同，自由光谱范围（fsr）也不同：
其中，λ为激光波长，r为 mrr半径，neff 为mrr硅波导有效折射率。两个mrr的透射光谱相互叠加，相互匹配峰的波长通过模式竞争决定激射波长，通过热光效应，调节pt加热器，mrr的fsr发生变化，导致传输峰移动，然后通过游标效应，可以在宽范围内进行波长调谐（如图6所示）。
图6 双mrr的波长调谐工作原理
硅基波导ecdl因其具有结构紧凑、成本低、可大规模生产、封装一体化、体积小等优良特性，在实现窄线宽的同时具有宽的调谐范围，且mrr的fsr可以设置为wdm系统中itu-t标准的波长间隔,被认为是未来wdm系统的最佳选择。
目前硅基波导ecdl 的技术难点是如何提高耦合效率和降低耦合处反射率。 另外，热光效应调谐过程中的热积累和消散需要一定的时间，影响了高速调谐，如何进一步提高调制速度是一大挑战。
除了硅基波导ecdl外，长/短腔体全息光栅(vhg)ecdl、双光纤环的 dbr-ecdl、反馈量可调谐的双滤光片ecdl也是近些年受关注比较多的波导型ecdl。
三
小 结
可调谐外腔半导体激光器正朝着窄线宽、宽调谐范围、高输出功率等方向发展。通过新材料（光学反馈元件、半导体激光器）的选择、新的外腔结构设计，以及主动稳频等技术来改善激光器的光谱质量，满足各种应用的要求，实现体积小、线宽窄、调谐范围宽、无模式跳变、扫描频率快、频率和波长稳定、相位和频率噪声低，以及与光纤耦合的高性能激光器，在未来光通信和精密测量等领域将有广泛的应用前景。
目前，国内对可调谐外腔半导体激光器的研究正逐渐向国际先进水平靠拢，但在产品化和封装技术方面还有一定的差距，如何实现激光器产品化、小型化、集成化、封装化和提高制作生产工艺是今后的重点研究方向。
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一
可调谐外腔半导体激光器的基本原理
波长可调谐激光器的调谐原理是通过各种技术手段直接或间接改变激光器腔长，使谐振腔中谐振模式的位置发生微小移动，并通过波长选择器件选择出特定的波长。
可调谐外腔半导体激光器（ecdl）由半导体激光器外部引入光学反馈元件构成，通过外部光学元件的反馈与选频作用，大大改善了激光器的性能，结构如图1所示。
图1 ecdl基本结构示意图
半导体激光器（激光二极管，ld）两端面构成的谐振腔为内腔，ld与外腔镜之间构成的谐振腔称为外腔。外腔镜将ld部分输出光反馈回内腔，反馈光与内腔光场发生相互作用，外腔镜选择特定的单模波长输出激光。
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图2 外腔激光器波长调谐示意图
二
不同类别的可调谐外腔半导体激光器
可以作为外腔反馈元件的光学元件种类很多，常见的有衍射光栅、光纤光栅、体全息光栅、体布拉格光栅、低损耗波导、滤光片、f-p标准具、反射镜、波导滤波器等。ecdl采用外腔反馈技术使得线宽得到极大压窄，一般都能达到千赫兹级别。
根据谐振腔结构设计和外腔反馈光学元件的不同，将可调谐ecdl主要分为 衍射光栅型、光纤光栅型和波导型ecdl等 。表1 对比了几种ecdl的性能参数。
vol.1
衍射光栅型ecdl
衍射光栅ecdl通常使用littrow或littman两种结构，分别如图3(a)和(b)所示。
衍射光栅型 ecdl 的激射波长同时满足激光器相位条件公式和光栅方程:
式中，λ为激射波长，l为外腔激光器腔长，q为模式数，d为光栅常数，θ为入射角(与一级衍射角相等)
littrow结构通过旋转衍射光栅，littman结构通过旋转反射镜，同时改变光栅的一级衍射角和外腔腔长进行选模，实现激光调谐。
(a) littrow-ecdl
(b) littman-ecdl
图3 衍射光栅ecdl结构示意图
（1）littrow型外腔半导体激光器
littrow结构一般由ld增益芯片、准直透镜和衍射光栅组成，增益芯片前端面出射激光经准直透镜准直光束后进入衍射光栅发生衍射，一级衍射光沿原光路返回至增益芯片，激光从光栅零级衍射方端面反射率。通过调整外腔镜位置或旋转外腔镜等方式，改向或芯片后端面输出。
littrow型外腔半导体激光器（littrow-ecdl）具有窄线宽、宽调谐范围、结构简单、输出功率大等优点。科研人员对其进行了不少的研究，如使用锆钛酸铅镧陶瓷（plzt）电光偏转器作为波长可调谐元件构成的稳定可调谐littrow-ecdl、基于衍射光栅的二阶littrow-ecdl、采用普通的商用ld构建littrow-ecdl、使用saf增益芯片和衍射闪耀光栅构成 littrow-ecdl、双波长littrow-ecdl、基于gan ld的littrow- ecdl、使用反射全息光栅构建蓝光littrow-ecdl等，扩大了波长调谐范围，进一步抑制内腔fp振荡模式，提高了激光器的稳定性和功率，实现了高功率蓝紫色激光的输出。
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vol.2
光纤光栅型 ecdl
光纤光栅型外腔半导体激光器（fbg-ecdl）由ld增益芯片输出端耦合fbg组成，如图4所示。fbg 的功能本质是具有窄带高反特性的反射镜，将布拉格反射峰带宽内的特定波长反馈射入增益芯片，与有源区光相互作用，增加该振荡模式光子寿命，降低其阈值,通过模式竞争从而得到单模输出。利用锥形光纤耦合ld和fbg可以有效减小ld端面的反射光，抑制内腔f-p振荡模式。
图4 光纤光栅 ecdl结构示意图
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vol.3
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得益于硅基光子技术的发展，加上波导ecdl具有外腔的窄线宽和宽调谐范围特性，同时具备单片集成激光器的低损耗、高集成度和高可靠性的特点，近年来受到了人们的广泛关注。相继出现了硅基波导ecdl、双环谐振器（mrr）硅基波导ecdl、硅基混合mrr可调谐ecdl、单片集成 ecdl、mach-zehnder干涉仪（mzi）集成ecdl、inp-rsoa和si3n4外腔波导集成的ecdl、低损耗氮化硅单环形波导的紧凑型窄线宽ecdl等技术。
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图5 双mrr的硅基波导ecdl结构示意图
soa耦合到硅基线波导的光波通过两个微环谐振器（mrr）发生滤波，其原理是设置两个 mrr的半径略微不同，自由光谱范围（fsr）也不同：
其中，λ为激光波长，r为 mrr半径，neff 为mrr硅波导有效折射率。两个mrr的透射光谱相互叠加，相互匹配峰的波长通过模式竞争决定激射波长，通过热光效应，调节pt加热器，mrr的fsr发生变化，导致传输峰移动，然后通过游标效应，可以在宽范围内进行波长调谐（如图6所示）。
图6 双mrr的波长调谐工作原理
硅基波导ecdl因其具有结构紧凑、成本低、可大规模生产、封装一体化、体积小等优良特性，在实现窄线宽的同时具有宽的调谐范围，且mrr的fsr可以设置为wdm系统中itu-t标准的波长间隔,被认为是未来wdm系统的最佳选择。
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三
小 结
可调谐外腔半导体激光器正朝着窄线宽、宽调谐范围、高输出功率等方向发展。通过新材料（光学反馈元件、半导体激光器）的选择、新的外腔结构设计，以及主动稳频等技术来改善激光器的光谱质量，满足各种应用的要求，实现体积小、线宽窄、调谐范围宽、无模式跳变、扫描频率快、频率和波长稳定、相位和频率噪声低，以及与光纤耦合的高性能激光器，在未来光通信和精密测量等领域将有广泛的应用前景。
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