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《中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)》 2020年
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Littrow结构近红外外腔半导体激光器的研究

王延  
【摘要】:激光器在原子物理、高分辨率光谱、相干光通讯、激光雷达等领域都有很重要的应用,这些领域均要求激光器输出光可以调谐到某一个或者多个特定波长,因此,具有优良输出特性的可调谐半导体激光器已成为不可或缺的光学器件。单片集成激光器如分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射(DBR)激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等都是通过温度或者电流来实现波长的可调谐,调谐范围仅有几纳米,并且不能实现连续调谐。可调谐外腔半导体激光器(ECDL)避免了上述问题,通过调谐外腔中的光学元件实现可调谐,最大连续可调谐范围可达到几十纳米,同时实现窄线宽输出。外腔半导体激光器具有结构简单、可调谐范围大、光电转换效率高、高边模抑制比(SMSR)等优点。本文制备了不同输出波段的Littrow结构的外腔半导体激光器,通过设计特殊结构的增益芯片及调谐光学元件,优化激光器的输出特性,为可调谐外腔半导体激光器更广泛的应用提供了理论基础及实验证据。具体的研究内容及实验结果如下:(1)、外延生长InGaAs/GaAs双尺寸量子点,波导结构采用渐变折射率分离限制异质结构;并制备了量子点外腔半导体激光器。该激光器可实现第一激发态激发,由于高能态具有更高的简并度,可容纳更多的电子,因此具有高输出功率。当注入电流为500 mA时,最大输出功率可达到120 mW,激光器的可调谐范围为28.9 nm(970.1~999 nm),输出波长为988.3 nm时光谱线宽可低至0.2 nm,边模抑制比为35 dB。量子点外腔半导体激光器在调谐波长为982.6 nm时阈值电流最低,最低阈值电流为2.75 kA/cm~2。衍射光栅位置不变,逐渐增加电流,量子点外腔半导体激光器具有很好的波长稳定性。其中,调谐波长为995 nm时,波长的变化率约为0.7 nm/A。(2)、研究了1550 nm Littrow结构外腔半导体激光器输出特性的影响因素。首先以光束为轴旋转光栅,使光束偏振方向从垂直光栅刻线方向(强反馈)变成与光栅刻线方向成一定的角度(弱反馈),光栅的旋转使一阶衍射效率降低,进而降低了反馈光强度,从实验中观察到:在强反馈条件下,输出光光谱具有明显的残余反馈,导致在低电流条件下输出光的边模抑制比较低,最高边模抑制比仅为47 dB;而通过偏振失配实现的弱反馈模式,可以有效的消除残余反馈现象,边模抑制比可高达54 dB。两种输出模式均可实现单纵模、宽范围可调谐。300 mA时,弱反馈模式最大调谐范围为130.9 nm,最低阈值电流为84 mA,由于光反馈强度较弱,最大输出功率为5.5 mW;强反馈模式的最大调谐范围为161.2 nm,最低阈值电流为50 mA,最大输出功率可达到49.9 mW。弱反馈模式半导体激光器光谱纯净、单模输出且具有宽可调谐的特性,可应用于有相关要求的领域。其次,研究了光栅常数变化对外腔半导体激光器性能的影响。当光栅刻线密度从600 lines/mm增加到1200 lines/mm时,激光器的边模抑制比从47 dB增加到65 dB,可调谐范围从161.2 nm增加到209.9 nm,两种激光器的线宽分别为0.07 nm及0.05 nm。实验证明,适当提高光栅刻线密度可提高外腔半导体激光器的边模抑制比及可调谐范围。由于光栅刻线密度越大,角色散越大,提高了光栅分辨率,外腔半导体激光器具有更高的边模抑制比及更宽的可调谐范围。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2020
【分类号】:TN248.4

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