分布布拉格反射激光器

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缩写:DBR激光器

定义:将分布布拉格反射器作为端反射镜的激光器。

分布布拉格反射激光器中的激光器谐振腔增益介质(活性区域)之外至少包含一个分布布拉格反射器(DBR)。DBR是一个布拉格反射镜,即利用周期性结构产生的布拉格反射的一种光反射器件。通常情况下,布拉格反射镜是一个四分之一波长反射镜,在特定层数的情况下可以提供最大的反射率。

DBR类型的激光器通常为激光器二极管,通常也用于包含光纤布拉格光栅光纤激光器。下面会描述这两种类型的激光器。大多数固态体激光器都采用了布拉格反射镜,但是这种激光器并不被称为DBR激光器。

DBR激光器与分布反馈激光器不同,后者的整个活性介质都放置在一个分布反射结构中的。

DBR激光二极管

DBR激光器二极管包含一些波纹波导结构(光栅部分)提供随波长变化的反馈从而决定辐射波长。另一部分激光器波导结构的作用是作为放大介质(活性区域),谐振腔的另一端可以采用另一个DBR。

DBR激光器二极管通常是输出为衍射极限单频激光器,并且激光器通常是波长可调的(参阅可调谐激光器)。在激光器谐振腔的自由光谱区进行调谐还需要结合单独的相位剖面,后者通常是电加热的或者通过改变驱动电流来得到增益区域的温度变化。如果整个装置的温度发生改变,其波长响应比普通的单模激光二极管小很多,因为光栅的反射带转移使增益小于峰值。也可以结合电光调谐。通过结合对布拉格光栅和增益结构的调谐,可以实现在更大波长范围内进行无跳模调谐。

还有一些更复杂的装置设计,利用了取样光栅的Vernier效应(SG-DBR激光器),在无跳模的情况下可以得到40 nm的调谐范围。

通常DBR二极管的线宽为几MHz。由于其激光器谐振腔较短,其线宽比外腔半导体激光器大。

在MOPA结构中,相同的半导体芯片上多了一个放大器部分(一个半导体光放大器)。这时DBR激光器就是一个种子激光器。这一装置的输出功率可以达到100 mW以上。也可以采用谐振腔中包含一个表面布拉格光栅的大面积激光二极管来得到高功率(>10 W)[10]。这时辐射的光不是单模的,但是线宽相对也比较小。

垂直腔面发射二极管(VCSELs)实际上是分布布拉格反射激光器,尽管”DBR激光二极管”通常是指边发射半导体激光器

DBR激光二极管的应用包括光纤通信自由空间光通信激光制冷光学测量和传感器,以及高分辨率光谱学。DBR激光器可以与外腔半导体激光器(ECDLs)相比拟,后者也能够提供波长调谐单频输出,它在噪声上具有更好的性能,但是装置也更加复杂。包含DBR激光器阵列的芯片可以作为波分复用系统的光源,尺寸很小。


DBR光纤激光器

DBR类型的光纤激光器通常具有一个线性的激光器谐振腔,是由两个光纤布拉格光栅和其中的活性光纤(稀土掺杂)组成的。与光纤中包含具有激光器增益的光栅的DFB光纤激光器相比,DBR光纤激光器的谐振腔更长,因此能得到更高的输出功率和功率效率,以及更窄的线宽。但是,这也可能会导致辐射多个模式,对应更大的辐射带宽。单频DBR光纤激光器与DBR激光二极管的输出功率类似,约为几十毫瓦,有时大于100 mW。

图1:辐射窄线宽的短DBR光纤激光器


在DBR激光二极管中提到的取样光栅也可以用在DBR光纤激光器中。得到的调制范围也可以达到几十纳米。


参考文献

[1] R. D. Dupuis and E. P. Dapkus, “Room-temperature operation of distributed-Bragg-confinement Ga1−xAlxAs-GaAs lasers grown by metalorganic chemical vapor deposition”, Appl. Phys. Lett. 33 (1), 68 (1978)

[2] M.-C. Amann et al., “Tunable twin-guide laser: a novel laser diode with improved tuning performance”, Appl. Phys. Lett. 54, 2532 (1989)

[3] G. A. Ball et al., “Modeling of short, single-frequency, fiber lasers in high-gain fiber”, IEEE Photon. Technol. Lett. 5 (6), 649 (1993)

[4] W. H. Loh et al., “High performance single frequency fiber grating-based erbium:ytterbium-codoped fiber lasers”, J. Lightwave Technol. 16 (1), 114 (1998)

[5] G. Morthier et al., “A λ/4-shifted sampled or superstructure grating widely tunable twin-guide laser”, IEEE Photon. Technol. Lett. 13 (10), 1052 (2001)

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[7] R. Todt et al., “Wide wavelength tuning of sampled grating tunable twin-guide laser diodes”, Electron. Lett. 40, 1491 (2004)

[8] R. Todt et al., “Sampled grating tunable twin-guide laser diodes with over 40-nm electronic tuning range”, IEEE Photon. Technol. Lett. 17 (12), 2514 (2005)

[9] X. Xu et al., “Chirped and phase-sampled fiber Bragg grating for tunable DBR fiber laser”, Opt. Express 13 (10), 3877 (2005)

[10] J. Fricke et al, “High-power 980-nm broad-area lasers spectrally stabilized by surface Bragg gratings”, IEEE Photon. Technol. Lett. 22 (5), 284 (2010)

参阅:单频激光器波长调谐可调谐激光器激光二极管分布反馈激光器腔外半导体激光器光纤激光器光纤布拉格光栅布拉格反射镜