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分布反馈半导体激光器(DFB-LD)

时间：2011-12-31 22:52:03  来源： 打印本文

分布反馈半导体激光器(DFB-LD)

2005/7/15/8:15来源：中兴通讯    普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。

    在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。

    利用内藏布拉格光栅选择工作波长的概念，早在20世纪70年代初就被提出来了，并得到广泛重视。但由于技术原因，有关DFB-LD的研究曾一度进展缓慢。在制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤。为此，人们提出了分别限制结构，将光栅刻制在有源层附近的透明波导层上，这样能有效地降低DFB-LD的阈值电流，这种结构在后来被广泛应用。但是这种结构是典型的折射率耦合结构，如何实现这类器件的单模工作就成为DFB-LD的重要研究课题。

    对于实际的DFB-LD来说，光栅两端的端面是存在反射的，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪个位置是不可控制的。对于纯折射率耦合DFB-LD来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通过这种方法实现单模激射的。但是由于反射相位具有随机性，这就导致了单模成品率问题。对于激光器端面无镀膜的情况，这一概率为20%～50%。另外，激光器端面镀膜对DFB-LD的单模成品率有较大的影响，在DFB-LD一个端面镀低反射膜，另一个端面镀高反射膜时，单模成品率可达50%。运用这种方法制作的DFB-LD，在静态工作时，其边模抑制比(SMSR)可大于40 dB，而在高速调制时，其SMSR小于20 dB，不能完全满足高速光通信的需要。在光栅的中心引入一个四分之一波长相移区，是消除双模简并，实现单模工作的有效方法。这种方法的最大优点在于它的模式的阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作。但是，它的制作工艺十分复杂且需要在两个端面蒸镀抗反射膜。

    对于增益耦合DFB-LD而言，是不存在模式简并问题的。1988年，本文作者罗毅与东京大学的多田邦雄教授等一起率先开始了增益耦合DFB-LD的实验研究，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术制作了内含增益光栅的DFB-LD，并引入了抑制折射率耦合的结构，从而有可能实现纯粹的增益耦合。此外，采用传统的分别限制异质结结构(SCH)将以往的透明光栅改为吸收损耗光栅的方法也成功地制作了增益耦合DFB-LD。通过研究发现，增益耦合DFB-LD与折射率耦合DFB-LD相比具有一系列优点：制作工艺简单，不需要镀端面抗反射膜；单模选择特性不易受端面反射率的影响，成品率可高达95%；外部反射光引起的噪声低；高速调制下频率展宽(啁啾)小。

    直接调制DFB-LD的最大优点是在高速调制(2.5 Gbit/s～10 Gbit/s)的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光纤通信系统，如城域网。目前商业应用的直接调制DFB-LD能够达到阈值电流5 mA左右，在2.5 Gbit/s调制速率下能传输上百公里。调制速率为10 Gbit/s的直接调制DFB-LD正成为新的研发热点。例如日本三菱公司2000年报道的应用于10 Gbit/s局域网传输的直接调制DFB-LD，工作波长为1.3 ?滋m，在P型衬底上采用掩埋结构，光栅为?姿/4相移结构。通过降低电极面积和激光器腔长(腔长为200 ?滋m)，来提高调制带宽。并且通过提高耦合系数来保证器件的高温特性。在25℃～70℃的范围内，调制带宽都在10 GHz以上，在标准单模光纤中传输距离超过20 km。