外腔式可调谐半导体激光器（Tunable laser）的四种基本结构
可调谐半导体激光器是一种能够改变输出波长的激光器，它在光通信、光谱学、传感技术等领域有着广泛的应用。可调谐半导体激光器具有如下几个特点
1）波长可调谐性：能够在一定的波长范围内连续或离散地改变激光的输出波长，满足不同应用场景对不同波长激光的需求，如在光谱分析中可覆盖多个吸收峰，实现多物质的同时检测259.
2）高光谱纯度：通过精细的结构设计和调谐机制，可输出具有较窄线宽和高相干性的激光，有利于提高光谱分辨率和信号质量，在高精度测量和通信等领域具有重要意义。
3）紧凑小巧：半导体材料和芯片制造工艺的发展使得可调谐半导体激光器具有较小的体积和重量，便于集成到各种小型化、便携式的设备中，如微型光谱仪、传感器节点等。
4）快速调谐速度：能够在短时间内完成波长的切换和调谐，适应快速变化的测量需求或高速通信中的波长复用和解复用操作，其调谐速度可达到纳秒甚至皮秒量级。
5）低功耗：相较于一些传统的激光器，如气体激光器等，可调谐半导体激光器在工作时消耗的电功率较低，这对于一些需要电池供电或对能耗有严格限制的应用场景非常有利，如无线传感器网络中的气体监测节点。
可调谐半导体激光器可以通过不同的机制实现波长调谐，主要结构包括但不限于以下几种：
1外腔式可调谐激光器（External Cavity Diode Laser, ECDL）：
这种激光器通过在半导体激光器芯片外部设置一个可调谐的光学腔来实现波长的选择。通常使用光栅或法布里-珀罗干涉仪作为选择特定波长的元件。当改变这些元件的位置或状态时，可以改变激光器发射的波长。
目前，可获得宽调谐范围、无跳模的高光谱纯净度外腔谐振激光输出的方法主要分为4种：(1)是Littrow型结构；(2)Littman-Metcalf型结构；(3)微环谐振器型结构；(4)滤波器型结构。
1.2 Littrow型结构
Littrow型结构如下图1，主要由激光器芯片，准直透镜和衍射光栅三部分组成， 激光器的光经过准直后入射到衍射光栅上，衍射光栅在空间上分离出激光输出的光谱分量。一阶衍射被反射回激光器腔体内部形成反馈光。光栅的零级衍射被耦合出来做为光输出。通过旋转光栅从而改变光反馈的波长来调谐输出波长。在Littrow腔中，为了最大限度地发挥ECDL的性能，二极管激光器在其前表面具有AR涂层（增透膜），以减少非波长选择性光反馈。Littrow腔主要优点是
图1 Littrow外腔半导体激光器
1）它结构简单，腔长小。
2）比大多数配置，它有更少的光学元件，容易调整。
3）由于腔内损耗小，因此具有高输出功率。
主要缺点在于，输出光束的方向与波长相关，因此，为了调谐输出波长而旋转光栅时，输出光束会发生转向。这使得在需要进行波长调谐的实验中必须对光束进行定期校准。在Littrow外腔中，通过同步旋转和平移光栅来增加无跳模调谐范围，以确保反馈曲线与纵向激光模式以相同的速率移动。
1.3 Littman-Metcalf型结构
Littman-Metcalf外腔体结构在Littrow结构的基础上增加了一个反射镜，如下图2所示。激光器出射光经过光栅衍射后，一级衍射光束射向镜子，然后镜子将其反射回光栅。在光栅处，反射分量再次发生衍射，一级衍射作为光反馈被反射回激光器腔体内部。激光器输出的零级衍射作为输出光束，而来自反射镜返回光的零级衍射则损耗掉了。
图2 Littman-Metcalf外腔半导体激光器
腔长是从二极管激光芯片到反射镜的距离。Littman-Metcalf结构的调谐是通过机械改变反射镜角度而非光栅角度来实现的，这样在波长改变时，光栅以及零级衍射输出光束能够保持固定。因为光在衍射光栅处要经过两次，会产生较大的损耗，而且从反射镜返回的光的零级衍射也损失掉了。因此，其输出功率比类似的Littman腔要低。这种几何结构相对于Littman腔的主要优势在于，当反射镜旋转时，光束方向保持不变。通过调谐反射镜的引入使半导体激光器有源区出射的激光光束经历两次光栅衍射，既增加了系统的腔体长度又实现了不同频率的窄线宽、高功率、高边摸抑制比和单一方向的稳定激光光束输出，故Littman-Metcalf型ECDL的应用范围越来越广，成为了ECDL的一个主流结构设计方法。
1.4 微环谐振器型（Micro-Ring Resonator, MRR）结构
微环谐振器用于调谐激光器时，其主要功能是作为激光器中的波长选择元件。这种类型的激光器利用了微环谐振器的高Q值（即品质因数，表示谐振器储存能量的能力与其耗散能量的速度之比），从而可以在非常窄的波长范围内选择性地放大光信号。具体来说，调谐过程可以通过改变微环谐振器的有效折射率来实现，这通常通过电光效应（例如使用外部电压改变材料的折射率）、热光效应（加热或冷却微环以改变其物理尺寸和折射率）或机械方法（如移动微环的位置）来完成。
2006 年，石坂正茂（Masahige Ishizaka）等人报道了一种集成了二氧化硅（SiO₂）双微环谐振器（MRR）和半导体光放大器（SOA）的外腔半导体激光器。其结构如图 3 所示，波长调谐范围为 45 纳米，能够完全覆盖波分复用（WDM）光通信系统中的 C 波段和 L 波段。
图3 双微环谐振器（MRR）硅衬底外腔半导体激光器结构示意图
用于外腔反馈的氮氧化硅芯片集成了双微环波导（MRR），两个微环谐振腔长度稍有差异，可通过游标效应调节波长。氮氧化硅芯片右侧镀高反膜（HR），左侧镀抗反膜（AR）并与半导体放大器（SOA）芯片直接耦合；SOA 芯片的左侧镀低反射膜并作为输出端。
图4 可调谐激光器和硅光子芯片集成封装结构
其中增益芯片（SOA）的前端波导和硅光子学的侧边波导旋转了 19.5°，以避免由端面反射引起的谐振腔干扰。SOA芯片的前端进行了抗反射处理，后端则镀有高反射膜，该后端成为外谐振腔的反射面之一。一组微环被用作游标组合来调谐波长。在硅光子芯片上完成激光谐振且选定波长之后，然后经准直透镜、隔离器和会聚透镜把调制后的信号输出到适配器。
1.5 干涉滤波器型结构
第一种外腔的示意图如图5所示。
激光器LD输出端面上镀有抗反射膜，并与外腔相结合，从而实现了较大的波长调谐范围。LD发出的光经过透镜lens进行准直，干涉滤光片（IF Filter）放置在准直透镜（lens）和透镜 L1 之间的外腔内，用于粗略的波长调谐。它是谐振器的一部分，能迫使激光器保持稳定的单模状态并减小线宽。该干涉滤光片由一个玻璃基板制成，玻璃基板的一侧涂覆有许多电介质层，另一侧则进行了抗反射涂层。光反馈由猫眼透镜（L1）和在猫眼透镜焦距处部分反射输出耦合镜（OC）共同提供。这种猫眼结构对输出耦合镜（OC）的失准没那么敏感。猫眼反射器降低了对光学失准的敏感度，并使反馈效率最大化。外腔的光学长度通过压电管（PZT）来进行调谐。光路中的最后一个光学元件准直透镜（L2），它用于对输出耦合的激光进行再准直。
图5 干涉滤光片外腔二极管激光器结构图LD: laser diode; CL: collimating lens; IF: interference filter; L1: cat’s-eye lens; PZT: piezotube; OC: partially reflective out-couple mirror; L2: re-collimating lens.
在激光二极管（LD）和外腔光学系统中，轴模间隔（axial mode spacing）是相邻纵模之间的频率差。这个间隔是由光腔的长度决定的，具体来说，它与腔长成反比。计算公式为：
Δ𝜈=𝑐/2𝑛𝐿
·其中：Δ𝜈 是轴模间隔（单位： Hz）
·𝑐 真空中的光速
·𝑛 是腔内介质的折射率
·𝐿 是光腔的有效长度（单位：米）
光腔的总外部长度 𝐿 为 50 毫米（或 0.05 米），我们可以假设腔内介质为空气或真空，此时折射率 𝑛 大约等于 1（如果是在玻璃或其他材料中，则需要使用相应的折射率）。因此，我们可以通过上述公式计算出轴模间隔。
Δ𝜈=(299,792,458 m/s)/(2×1×0.05 m)
Δ𝜈=299,792,458/0.1
Δ𝜈≈3GHz
第二种外腔结构如图6所示。
外腔可调谐激光器主要由一个激光器芯片(SOA)、两个标准具(etalon)、两个透镜以及一个可移动反射镜组成。SOA 芯片的后端面镀有高反膜，为了减少增益芯片的内部谐振，其右侧面需要进行抗反射处理，包括镀抗反射膜以及采用弯曲波导。透镜主要用于准直，提高各个组件之间的耦合效率。只有频率满足标准具共振条件的光子才能以高透射率穿过标准具。Etalon1 相对于光轴的垂直方向有一个微小的角度，以减少Etalon1和增益芯片之间的共振，而Etalon 2 则向另一侧倾斜。反射器的左侧面镀有抗反射膜。右侧面作为外腔激光器的前端面，具有特定的反射率，光从该面射出。满足两个标准具共振条件的光子被反射回增益芯片并发生受激辐射。
图6外腔激光器结构示意图。
考虑到光子在外腔可调谐激光器的前后端面之间持续共振，这两个端面可被视为形成了一个Etalon3。只有满足Etalon 3 共振条件的光子才能在外腔激光器中稳定存在。Etalon 1、Etalon 2 和反射镜覆盖有加热金属电极，通过调节温度可以改变共振条件和输出波长。因此，这三个标准具共同决定了外腔可调谐激光器的激光模式。
图7是一个简化的外腔可调谐激光器模型，T1 T2 Rf T2 T1 GRb GC3β代表共振峰，其中T 1 ,T 2是Etalon 1和Etalon 2的透射光。C3是由Etalon 3引起的共振光谱。Rf和Rb分别是前后端面的反射率。G是单向光增益，ξ是单向链路损耗。
图7 简化的外腔激光器模型。
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