分布反馈式激光器（DistributedFeedbackLasers,DFB）原理以及调频的方法

分布反馈式激光器（Distributed Feedback Lasers, DFB）原理以及调频的方法

1 DFB的结构和基本原理

DFB（Distributed Feedback）激光器是一种特殊的半导体激光器，它通过在激光器的有源区附近引入周期性的折射率变化来实现单模输出。这种周期性结构作为光栅，提供了反馈机制，使得激光器能够在特定的波长上工作，通常用于需要高精度波长控制和窄线宽的应用中，如光纤通信、光谱学等。

图1展示了半导体分布式反馈（DFB）激光器结构的简单示意图。它有一个激光增益介质层和一个波导层，这两层被夹在 p 型和 n 型半导体之间。波导层包含负责提供分布式光反馈的光栅结构。p 型和 n 型半导体层镀有金属，用于提供电流输入，电流输入可提供泵浦能量，进而支持该系统中产生激光作用。

图1 DFB laser chip structure

与在光学腔两端具有分立反射镜的传统法布里-珀罗（F-P）激光器不同，分布式反馈（DFB）激光器利用激光器主体内的光栅作为波长选择元件。激光器的后端面镀有高反射膜，将激光腔体内的光实现完全的反射。激光器的出光口反而镀有高透射膜，实现光的完全透射。反射膜起到腔镜的作用，可将衍射光反射回去，而抗反射膜则提供激光输出。激光增益腔由后端面的反射膜和沿折射率周期分布的衍射光栅产生的分布式光反馈，再加上光放大作用，使得激光场能够在增益介质内部振荡，也同时将其提升至所需的输出功率。

图2  DFB 激光光场反馈

当激光芯片开启时，激光场开始在增益介质中增长，并随着其沿着增益介质放置而扩展到衍射光栅结构中。此处的折射率变化会导致部分反射，进而在整个激光腔中形成光反馈。这些反馈会经历反复的放大和部分反射过程。因此，激光场就在分布式反馈激光器中得以形成。

DFB激光器的优点 ：调制速度高达15Gbps；线宽窄; 低噪声；耐温；出色的侧模抑制；远距离信号强。

2  DFB光栅反馈原理

布拉格光栅对波长选择性的基本原理如图2所示，在周期性波导条件下（也就是具有一定周期的光栅），假设一束入射光波，它的传播常数是Φ0 ，并以入射角（0°≤θ≤90°）入射到光栅波导中。在间隔周期d处，入射光波经过相同的折射率调制，在同一方向反射。

图2 周期性结构布拉格反射示意图

    (1)

其中，θ是入射光线与反射器形成的角度，λ是介质中的光波长，m是衍射级次。对于DFB激光器而言，其光栅方向是上面图2的光栅旋转180°，光入射方向为垂直于光栅方向θ=90°。在这里可以令d为Λ，令，其中ne是光在激光器内部传播的有折射率。将以上条件代入到(1)式子中，得到如下式（2）。

      (2)

    (3)

尽管衍射光栅能够反射许多不同的光场模式，但通常只有一个模式会处于激光器的增益带宽范围内。在多数 DFB 激光器情况中 m=1。

     (4)

3 分布式反馈（DFB）激光波长的热调谐

调整DFB（分布式反馈）激光器的发射波长是通过改变影响其内部光学特性的参数来实现的。具体来说，可以通过温度调谐、电流调谐以及结合其他技术手段来进行。DFB激光器的工作原理依赖于内置布拉格光栅提供的周期性折射率变化，这使得只有满足特定条件的波长能够得到有效的反馈并形成稳定的激光输出。以下是对几种常见调谐方法的推导计算过程：

3.1温度调谐

温度调谐是通过改变激光器的工作温度来实现波长的变化。温度的变化会影响半导体材料的折射率 n，进而影响布拉格光栅的有效周期Λ和激光器的发射波长λ。根据布拉格条件(4)式，当温度从T0变化到T时，折射率n和光栅周期 Λ都会有所改变。假设折射率随温度的变化率为dn/dT，光栅周期随温度的变化率为 dΛ/dT，则新的波长 λ(T) 可以表示为：

                           (5)

利用线性近似，可以得到：

          (6)

       (7)

将上述表达式代入波长公式中，可以得到温度调谐后的波长变化量：

        (8)

对于大多数DFB激光器，dn/dT 和dΛ/dT是已知的材料参数，因此可以根据这些参数计算出给定温度变化下的波长变化。

3.2电流调谐

电流调谐是通过改变注入到DFB激光器中的电流来实现波长的微调。随着电流的增加，载流子浓度上升，这会导致材料折射率的变化，从而改变激光器的工作波长。根据增益介质的复折射率  随注入载流子浓度N的变化，可以写出：

       (9)

其中c是真空中的光速，w 是角频率，它与注入电流  I有关。通常情况下，折射率的变化可以用线性关系近似描述：

       (10)

这里  n0  是初始折射率， I0 是阈值电流，α是折射率随电流变化的比例系数。因此，波长的变化可以表示为：

      (11)

考虑到，我们可以进一步简化为：

    (12)

这个公式表明了波长变化与电流变化之间的直接关系。在实际应用中，α 是一个重要的设计参数，它取决于激光器的具体结构和材料特性。

3.3. 组合调谐

组合调谐是指同时使用温度和电流两种方式来实现更宽范围内的波长调谐。在这种情况下，总的波长变化 Δλtotal​是两者之和：

     (13)

即：

    (14)

这里和 分别表示温度和电流的变化量。通过合理选择 和 ，可以在较大范围内精确控制激光器的发射波长。

3.4. 其他调谐方法

除了上述两种主要的调谐方式外，还有其他一些技术可用于DFB激光器的波长调谐。例如，基于机械控制的技术，如MEMS（微机电系统），可以通过物理移动元件来选择特定的波长；或者利用非线性光学效应，如受激拉曼散射或光参量振荡，来实现波长转换。此外，还可以考虑使用外部腔体结构，其中包含可调谐的光学组件，如体全息光栅或布拉格光栅，以实现更广泛的波长选择。

综上所述，DFB激光器的波长调谐是一个涉及多物理场耦合的问题，需要综合考虑温度、电流以及其他可能的因素。通过上述推导计算，我们可以更好地理解不同调谐机制的作用，并为实际应用提供理论指导。在实际操作中，常常需要结合实验数据对理论模型进行修正，以确保预测结果的准确性。