自從半導體激光器研制成功以后，波長可調諧的半導體激光器一直備受行業關注。可調諧外腔半導體激光器（ECDL）能夠實現波長寬范圍調諧(大于100 nm)、單模輸出、大激光功率、穩定輸出光譜、大邊模抑制比等優良性能，并且易與光纖耦合，被廣泛應用于白光干涉測量波分復用系統、光學相干斷層掃描、相干光通信、氣體檢測、原子物理實驗、原子鐘等領域。尤其是隨著5G和智能時代的到來，可調諧ECDL憑借其獨特的性能正成為越來越多應用領域中的理想光源。

一

可調諧外腔半導體激光器的基本原理

波長可調諧激光器的調諧原理是通過各種技術手段直接或間接改變激光器腔長，使諧振腔中諧振模式的位置發生微小移動，并通過波長選擇器件選擇出特定的波長。

可調諧外腔半導體激光器（ECDL）由半導體激光器外部引入光學反饋元件構成，通過外部光學元件的反饋與選頻作用，大大改善了激光器的性能，結構如圖1所示。

圖1 ECDL基本結構示意圖

半導體激光器（激光二極管，LD）兩端面構成的諧振腔為內腔，LD與外腔鏡之間構成的諧振腔稱為外腔。外腔鏡將LD部分輸出光反饋回內腔，反饋光與內腔光場發生相互作用，外腔鏡選擇特定的單模波長輸出激光。

清華大學柴燕杰等推導出了ECDL的線寬表達式，引入外腔反饋因子和Henry線寬增強因子，為了得到較窄的線寬，需增強外腔反饋因子，應選擇長外腔長度、高衍射光柵反射率和低芯片后端面反射率。通過調整外腔鏡位置或旋轉外腔鏡等方式，改變激光器的外腔長度和外腔鏡選頻模式，使外腔鏡反饋頻率曲線和外腔頻率曲線的移動速率相匹配，得到連續無跳模可調諧的單模輸出，如圖2所示。

圖2 外腔激光器波長調諧示意圖

二

不同類別的可調諧外腔半導體激光器

可以作為外腔反饋元件的光學元件種類很多，常見的有衍射光柵、光纖光柵、體全息光柵、體布拉格光柵、低損耗波導、濾光片、F-P標準具、反射鏡、波導濾波器等。ECDL采用外腔反饋技術使得線寬得到極大壓窄，一般都能達到千赫茲級別。

根據諧振腔結構設計和外腔反饋光學元件的不同，將可調諧ECDL主要分為 衍射光柵型、光纖光柵型和波導型ECDL等 。表1 對比了幾種ECDL的性能參數。

Vol.1

衍射光柵型ECDL

衍射光柵ECDL通常使用Littrow或Littman兩種結構，分別如圖3(a)和(b)所示。

衍射光柵型 ECDL 的激射波長同時滿足激光器相位條件公式和光柵方程:

式中，λ為激射波長，L為外腔激光器腔長，q為模式數，d為光柵常數，θ為入射角(與一級衍射角相等)

Littrow結構通過旋轉衍射光柵，Littman結構通過旋轉反射鏡，同時改變光柵的一級衍射角和外腔腔長進行選模，實現激光調諧。

(a) Littrow-ECDL

(b) Littman-ECDL

圖3 衍射光柵ECDL結構示意圖

（1）Littrow型外腔半導體激光器

Littrow結構一般由LD增益芯片、準直透鏡和衍射光柵組成，增益芯片前端面出射激光經準直透鏡準直光束后進入衍射光柵發生衍射，一級衍射光沿原光路返回至增益芯片，激光從光柵零級衍射方端面反射率。通過調整外腔鏡位置或旋轉外腔鏡等方式，改向或芯片后端面輸出。

Littrow型外腔半導體激光器（Littrow-ECDL）具有窄線寬、寬調諧范圍、結構簡單、輸出功率大等優點。科研人員對其進行了不少的研究，如使用鋯鈦酸鉛鑭陶瓷（PLZT）電光偏轉器作為波長可調諧元件構成的穩定可調諧Littrow-ECDL、基于衍射光柵的二階Littrow-ECDL、采用普通的商用LD構建Littrow-ECDL、使用SAF增益芯片和衍射閃耀光柵構成 Littrow-ECDL、雙波長Littrow-ECDL、基于GaN LD的Littrow- ECDL、使用反射全息光柵構建藍光Littrow-ECDL等，擴大了波長調諧范圍，進一步抑制內腔FP振蕩模式，提高了激光器的穩定性和功率，實現了高功率藍紫色激光的輸出。

（2）Littman型外腔半導體激光器

Littman結構是在Littrow結構的基礎上增加一個反射鏡，一級衍射光經反射鏡反射發生第二次衍射，然后反饋進入增益芯片，形成諧振。經過模式競爭，一級衍射光模式得到放大，其他振蕩模式得到抑制，激光器實現單模輸出。

隨著半導體制備工藝和光學鍍膜技術的發展Littman型外腔半導體激光器(Littman-ECDL)在實現窄線寬的同時可以獲得高激光輸出功率。隨著研究的深入，星形柔性鉸鏈調諧結構的Littman-ECDL、MEMS-ECDL等紛紛被研制出來，提高了激光器的偏振性能，實現外腔激光器的小型化，尤其是基于微型Littman結構、體全息光柵和微透射光柵三種結構的小型可調諧 ECDL，具有輸出功率高、窄線寬、可調諧、邊模抑制比大等特點，可實現便攜性和手持設備操作，克服了傳統外腔激光器不可攜帶的缺點。

同時不可忽視的是，衍射光柵ECDL通過改變光柵角直接獲得大的調諧范圍，輸出光功率大， 但是一般采用機械調諧，調諧速度較慢， 雖然研究人員對此進行了許多改進，但是調諧速度依然僅達到幾十毫秒以上。

衍射光柵 ECDL的另一個缺點是體積較大，光路準直和激光穩定困難 ，通過結合MEMS技術來降低光路系統復雜性和提高穩定性，可以制作出結構緊湊堅固的激光器，甚至實現可攜帶的蝶形封裝。

Vol.2

光纖光柵型 ECDL

光纖光柵型外腔半導體激光器（FBG-ECDL）由LD增益芯片輸出端耦合FBG組成，如圖4所示。FBG 的功能本質是具有窄帶高反特性的反射鏡，將布拉格反射峰帶寬內的特定波長反饋射入增益芯片，與有源區光相互作用，增加該振蕩模式光子壽命，降低其閾值,通過模式競爭從而得到單模輸出。利用錐形光纖耦合LD和FBG可以有效減小LD端面的反射光，抑制內腔F-P振蕩模式。

圖4 光纖光柵 ECDL結構示意圖

隨著光纖光柵的刻寫工藝不斷成熟，FBG- ECDL不斷受到國內外的關注。在單模光纖中形成FBG的單頻可調諧ECDL、FBG-FP外腔半導體激光器、基于增強熱敏性FBG的緊湊無跳模ECDL、集成 FBG-ECDL等技術相繼推出，在波長調諧范圍、輸出功率、相位和頻率的噪聲和抑制等方面都得到了較大提升。FBG-ECDL通常使用機械、溫度、電流等方式拉伸FBG以實現波長的調諧。

光纖光柵 ECDL雖然具有結構簡單、波長穩定性和可控性好、易與光纖耦合的特點，常被應用在許多光纖通信和傳感系統中，但是 激光器的調諧范圍僅有幾納米，這也是在其他應用領域沒有得到廣泛應用的最大限制因素 。

Vol.3

波導型ECDL

得益于硅基光子技術的發展，加上波導ECDL具有外腔的窄線寬和寬調諧范圍特性，同時具備單片集成激光器的低損耗、高集成度和高可靠性的特點，近年來受到了人們的廣泛關注。相繼出現了硅基波導ECDL、雙環諧振器（MRR）硅基波導ECDL、硅基混合MRR可調諧ECDL、單片集成 ECDL、Mach-Zehnder干涉儀（MZI）集成ECDL、InP-RSOA和Si3N4外腔波導集成的ECDL、低損耗氮化硅單環形波導的緊湊型窄線寬ECDL等技術。

波導型可調諧ECDL通常由半導體光放大器（SOA）和集成光子芯片外腔耦合組成，SOA提供增益放大，集成光子芯片外腔負責波長選擇，圖5給出了硅基波導的ECDL的典型結構。

圖5 雙MRR的硅基波導ECDL結構示意圖

SOA耦合到硅基線波導的光波通過兩個微環諧振器（MRR）發生濾波，其原理是設置兩個 MRR的半徑略微不同，自由光譜范圍（FSR）也不同：

其中，λ為激光波長，r為 MRR半徑，neff 為MRR硅波導有效折射率。兩個MRR的透射光譜相互疊加，相互匹配峰的波長通過模式競爭決定激射波長，通過熱光效應，調節Pt加熱器，MRR的FSR發生變化，導致傳輸峰移動，然后通過游標效應，可以在寬范圍內進行波長調諧（如圖6所示）。

圖6 雙MRR的波長調諧工作原理

硅基波導ECDL因其具有結構緊湊、成本低、可大規模生產、封裝一體化、體積小等優良特性，在實現窄線寬的同時具有寬的調諧范圍，且MRR的FSR可以設置為WDM系統中ITU-T標準的波長間隔,被認為是未來WDM系統的最佳選擇。

目前硅基波導ECDL 的技術難點是如何提高耦合效率和降低耦合處反射率。 另外，熱光效應調諧過程中的熱積累和消散需要一定的時間，影響了高速調諧，如何進一步提高調制速度是一大挑戰。

除了硅基波導ECDL外，長/短腔體全息光柵(VHG)ECDL、雙光纖環的 DBR-ECDL、反饋量可調諧的雙濾光片ECDL也是近些年受關注比較多的波導型ECDL。

三

小 結

可調諧外腔半導體激光器正朝著窄線寬、寬調諧范圍、高輸出功率等方向發展。通過新材料（光學反饋元件、半導體激光器）的選擇、新的外腔結構設計，以及主動穩頻等技術來改善激光器的光譜質量，滿足各種應用的要求，實現體積小、線寬窄、調諧范圍寬、無模式跳變、掃描頻率快、頻率和波長穩定、相位和頻率噪聲低，以及與光纖耦合的高性能激光器，在未來光通信和精密測量等領域將有廣泛的應用前景。

目前，國內對可調諧外腔半導體激光器的研究正逐漸向國際先進水平靠攏，但在產品化和封裝技術方面還有一定的差距，如何實現激光器產品化、小型化、集成化、封裝化和提高制作生產工藝是今后的重點研究方向。