DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器
DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器是一种利用分布布拉格反射器结构来选择和稳定激光输出波长的半导体激光器。DBR 激光器通过在激光二极管的一端或两端集成周期性的折射率调制区域（即布拉格光栅），形成高反射率的反射镜，从而实现对激光腔内振荡模式的选择。这种设计可以提供非常窄的线宽和高度稳定的单纵模输出。
1 DBR激光器芯片结构
分布布拉格反射（DBR）激光器通常由三个主要部分构成：有源区、布拉格反射区以及相位控制区。有源区是通过电泵浦或光泵浦来产生光的区域。布拉格反射区位于有源区的两端，其内部折射率呈周期性变化，从而形成了一种对波长具有选择性的反射镜。而相位控制区并非存在于所有的 DBR 激光器中，它能够对激光波长进行精细调节。
图1 三段式 DBR激光器结构原理图
图2 5段式 DBR激光器结构原理图
2 DBR激光器基本原理
DBR（分布布拉格反射）激光器基于分布反馈原理。在这种原理中，反馈机制是由激光器有源区中折射率周期性变化形成的波纹状结构提供的，分布布拉格反射（DBR）结构位于有源区的两侧，它对激光起着高反射镜的作用。这种周期性变化是通过交替使用两种具有不同折射率的材料层来实现的。
当向该器件施加偏置电压时，电子和空穴会被注入到增益介质中，从而导致光子发射，这些光子会在谐振腔内发生谐振。接着，布拉格反射器会有选择性地将光反射回腔内，形成一个正反馈回路，该回路会对激光发射进行放大，并最终产生激光作用。
通过改变电流或温度，分布布拉格反射（DBR）激光器能够在大约 2 纳米的范围内实现连续调谐。
3 调谐原理
分布布拉格反射（DBR）激光器的调谐原理基于改变布拉格光栅的有效折射率或温度，从而调整其反射波长，进而实现对激光器输出波长的控制。为了深入理解这一过程，我们可以从以下几个方面进行详细的计算推导：布拉格条件、有效折射率的变化、调谐机制的具体实现以及调谐范围的估算。
3.1 布拉格条件与调谐原理
DBR 激光器的核心是布拉格光栅，它通过周期性变化的折射率来反射特定波长的光。根据布拉格条件，当入射光的波长满足以下条件时，会发生强反射：
(1)
其中：λB是布拉格波长；𝑛𝑒𝑓𝑓是光栅区域的有效折射率；Λ是光栅的周期。
为了实现调谐，可以通过改变光栅的有效折射率𝑛𝑒𝑓𝑓 或光栅周期 Λ来调整布拉格波长 λB 。这可以通过热调谐、电调谐或机械调谐等方式实现。
3.2. 有效折射率的变化
有效折射率𝑛𝑒𝑓𝑓 的变化是调谐的关键。对于热调谐，温度的变化会导致材料的折射率发生变化。假设折射率随温度的变化率为
，则温度变化Δ𝑇引起的有效折射率变化可以表示为：
(2)
对于电调谐，通过施加电压或电流可以在光栅区域引入电场，利用电光效应（如 Franz-Keldysh 效应或量子限制 Stark 效应）改变有效折射率。假设折射率随电场的变化率为，则电场变化Δ𝐸引起的有效折射率变化可以表示为：
(3)
4 调谐机制的具体实现
4.1热调谐
在热调谐中，通常在 DBR 激光器芯片上集成微型加热器或使用外部温控装置（如TEC元件）来精确控制温度。通过调节加热电流或电压，可以实现对激光器输出波长的连续调谐。温度变化 ΔT 引起的布拉格波长变化可以表示为：
(4)
由于光栅周期 Λ 也随温度变化，假设其变化率为
；总的变化可以写为：
(5)
4.2 电调谐
在电调谐中，通过在光栅区域施加电压或电流，利用电光效应改变有效折射率。假设折射率随电场的变化率为 ，则电场变化ΔE 引起的布拉格波长变化可以表示为：
(6)
电调谐的优点是响应速度快，适合高频调谐应用，但调谐范围相对较小，通常只能覆盖几纳米的波长范围。
4.3 组合调谐
为了结合大范围调谐和快速响应的优点，可以采用组合调谐的方式。例如，先通过热调谐将波长调到大致位置，再通过电调谐进行精细调整。这种方式可以充分发挥两种调谐方法的优势，适用于复杂的调谐需求。
5 调谐范围的估算
调谐范围取决于调谐机制的选择和材料的特性。对于热调谐，假设温度变化范围为 ΔT，则调谐范围 Δ𝜆𝐵 可以通过以下公式估算：
（7）
对于电调谐，假设电场变化范围为ΔE，则调谐范围ΔλB可以通过以下公式估算：
（8）
在实际应用中，调谐范围还受到其他因素的影响，如材料的热膨胀系数、电光效应的强度等。因此，具体的调谐范围需要通过实验和数值模拟来确定
5.1实例分析
以热调谐为例，假设某 DBR 激光器的工作波长为 1550 nm，光栅的有效折射率为 3.4，光栅周期为 530 nm，折射率随温度的变化率为 
，栅周期随温度的变化率为 
，温度变化范围为 50°C，则调谐范围 ΔλB 可以通过以下公式计算：
这表明，在 50°C 的温度变化范围内，该 DBR 激光器的调谐范围约为 4.2 nm
DBR 激光器的调谐原理基于改变布拉格光栅的有效折射率或温度，从而调整其反射波长，进而实现对激光器输出波长的控制。具体来说，热调谐通过改变温度来调整折射率和光栅周期，而电调谐则通过施加电压或电流来改变折射率。调谐范围取决于调谐机制的选择和材料的特性，通常可以通过实验和数值模拟来确定。DBR 激光器的调谐能力使其在光纤通信、光谱分析、精密测量等领域得到了广泛的应用
5 DBR激光器的优势
5.1 精确的波长选择
DBR激光器能够被设计为发射特定波长的光。这是因为布拉格光栅的周期性结构决定了其反射波长。例如，在光通信领域，对于密集波分复用（DWDM）系统，信道间隔通常在0.8nm甚至更小。DBR激光器可以精确地设计其布拉格光栅的周期，使得发射光的波长能够准确地落在特定的信道波长上。这就像为光设定了一个精确的“通道”，让它按照我们想要的特定波长进行发射，从而实现高精度的光信号传输。
5.2高光谱纯度
布拉格光栅的存在为DBR激光器提供了出色的波长选择性。这种选择性使得输出光的线宽很窄。窄线宽意味着光的光谱纯度高，即光的能量更加集中在特定的波长范围内。在光谱学研究中，高光谱纯度的光源是非常关键的。例如，在拉曼光谱仪中，需要使用高光谱纯度的激光来激发样品，以获得清晰、准确的拉曼散射信号。DBR激光器的这种特性可以减少背景噪声，提高信号 - 噪声比，从而更精确地分析样品的分子结构等信息。
5.3稳定性
DBR激光器以其稳定的输出波长而闻名，即使在外部条件（如温度波动）变化的情况下也是如此。这是因为其内部的布拉格反射结构和有源区的相互作用使得激光的振荡模式相对稳定。在一些对波长稳定性要求极高的应用中，如高精度的光学干涉测量系统，温度的微小变化可能会导致普通激光器波长的漂移，进而影响测量精度。而DBR激光器能够在一定程度上抵抗这种温度变化的影响，保持波长的相对稳定，确保测量系统的准确性和可靠性。
6 分布布拉格反射（DBR）激光器的应用
DBR 激光器在不同领域有着诸多应用。DBR 激光器最重要的应用领域之一是电信领域。DBR 激光器被用作光纤通信系统中的光源，这使得能够实现长距离的高速数据传输。DBR 激光器还被用于波分复用（WDM）系统，在该系统中，利用不同波长可通过单根光纤传输多个信号。
DBR 激光器的另一项重要应用在于传感领域。DBR 激光器可用作高分辨率光谱学及传感工具，用以检测和测量诸如温度、压力以及气体浓度等各种各样的物理和化学参数。DBR 激光器还可作为光学生物传感器，应用于医学诊断以及药物研发。
这些激光器在科研领域同样也有应用。它们被用于激光冷却实验中，以便将原子或分子冷却并捕获至接近绝对零度的温度。它们还被用于量子信息处理实验，用于生成和操控光子与原子的纠缠态。
