岳丛建，闫红

（长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011）

电调谐外腔半导体激光器的研究

岳丛建，闫红

（长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011）

介绍了电光调谐的结构与电光调谐的一些设计思想和实验装置，分析了实验结果。

外腔半导体激光器，波长调谐，电光晶体

0 引言

半导体激光器广泛应用于光通信、光传感、光谱测量、光存储和光信息处理等领域。与其它激光器相比，它具有体积小、效率高、损耗低和结构紧凑等优点[1]。对于商用半导体激光器，引入外腔技术，可以选取单纵模和压窄线宽，并且能在较宽范围内进行波长调谐。它能提供半导体激光器增益区间630 nm-2 μm内任何波长。

虽然外腔结构半导体激光器在商业上已得到广泛的应用，但由于它是手工的机械调谐，调谐速度慢，精度不高，不易重复实现，很难使激光器处于最佳工作状态,在实际应用上有一定的局限性。电调谐外腔半导体激光器能克服这些缺点，它可提供超高相干性光束和超高速波长调谐[2]。

1 电光调谐外腔半导体激光器

电光调谐外腔半导体激光器的工作原理，就是在光栅外腔半导体激光器的谐振腔内插入电光晶体，通过改变电光晶体的电压来实现频率的调谐。在外加电场作用下电光晶体的折射率会发生变化，这种现象称为电光效应。折射率的变化和电场成正比的电光效应称为普克尔效应，电光调谐就是利用晶体的普克尔效应来实现激光器频率调谐的。

电光晶体（EOC）放在外腔半导体激光器的谐振腔内(如图1)准直透镜和光栅之间。频率调谐采用横向电光效应，光传输方向垂直于电场方向和晶体的光轴，沿着晶体光轴方向加电场。激光场的偏振方向平行于外电场，ncrystal是电光晶体的折射率。这种结构适于小型的外腔半导体激光器，一般它的外腔光路长度为4-5 cm。半导体激光器的前端面镀高反，后端面镀高透，它的输出偏振方向平行于光栅刻痕，电光晶体用电压控制腔长来调谐输出波长。

2 电光调谐外腔半导体激光器的工作原理

选择铌酸锂晶体（LiNbO3）作为电光调谐元件。它的优点是容易得到大块单晶，光学均匀性好，透光性好，质地坚硬，不易潮解，易加工且电光系数较大。

下面说明铌酸锂晶体电光调谐的工作原理。设无外加电场时晶体的折射率椭球方程为：

铌酸锂晶体加电场,z为光轴方向，LiNbO3晶体只能采用横向调制方式。设外加电场平行于z方向，即Ez≠0，Ex=Ey=0,其折射率椭球方程为：

式中无交叉项，说明加电场后折射率椭球的三个主轴方向没有变，只是椭球的三个主轴长短随电场E的大小发生变化。形成x'、y'、x'三个新主折射率：

从（3）式可以看出，在z方向的电场作用下，电感应主轴x'，y'，z'与晶体的三个介电主轴方向一致。设x方向通光，入射光的偏振方向平行于z方向，则电压引起的晶体折射率的变化量Δn为

z方向的偏振光波通过长度为L，厚度为d(电场方向)的晶体，由电压引起的腔长变化ΔL为

由于在谐振腔中振荡的激光必须满足驻波方程qλ=2L，则

式中Lc为激光器谐振腔腔长的光程，λ1和λ2为晶体腔长变化前后在激光器谐振腔中振荡的波长，由（6）可知这两个波长差为

因此，ΔL引起的频率变化Δf，波长变化Δλ为

3 电光调谐外腔半导体激光器的设计

半导体激光器输出光束经光准直系统准直以后，通过电光晶体，照射到闪耀光栅上，转动光栅使其处于自准直状态（见图1）。一级衍射光经电光晶体反馈回半导体激光器有源区，零级衍射光通过透镜聚焦，注入MS9001B1光谱分析仪，测量其光谱特性。

图1 电光调谐半导体激光器

3.1 电光晶体尺寸的设计

选用LiNbO3晶体，在其z方向加电场，x方向通光。由上面分析可知，电光调谐光栅外腔LD的频率调谐范围Δf与外加电压、晶体的尺寸L/d和LiNbO3晶体的电光系数成正比。在选定材料和电压后，晶体尺寸的选择主要根据晶体的均匀透光性选取晶体的长度，根据光束的尺寸选取晶体的厚度。根据实际情况，我们选用10×4×4 mm3优质LiNbO3晶体。

3.2 电光调谐光栅外腔LD的调谐范围估计

由（8）式可知，频率变化与电光调谐光栅外腔半导体激光器的外腔腔长的光程有关。而外腔腔长的光程等于LD内腔的光程+外腔的光程，外腔光程包括晶体的光程和除晶体以外的外腔的光程。电光调谐外腔半导体激光器的外腔结构应非常紧凑，由晶体腔长引起的频率变化才明显，但由于各种光学元件大小的制约，外腔结构不可能太小。在实验中，电光调谐外腔半导体激光器腔长大约为15 cm，LD的中心波长为650 nm，LiNbO3晶体的电光系数ne=2.2，r33=30.8×10-11cm/V，由(6)式可得出z方向加电场，x方向通光，偏振方向平行于z方向时，晶体内光程的变化ΔL=1.23x10-3cm。由(8)可计算出ΔL引起的波长变化为Δλ=0. 0533 nm。用分辨率为0.1 nm的光谱仪不能分辨，应该用分辨率高的扫描干涉仪。由此得出如下结论：与其它调谐方式比较，电光调谐调谐速度快，调谐范围小。

4 实验研究与讨论

实验中，限于条件限制我们选择现有的用于角度电光传感系统的4×4×10 mm3LiNbO3晶体。根据晶体的加工情况，它只能x方向加电场，z方向通光。选用的半导体激光器的中心波长是650 nm，最大注入电流为26 mA，最大输出功率为5 mW，MS9001B1型光谱仪的最小分辨率为0.1 nm。在实验中，我们逐步增加晶体两端的电压，最高增加到3000 V。没有观察到波长的变化，只观察到某个波长的光强发生了周期性的变化，图2所示为加在晶体上的电压V=500 V的光谱。

图2 光谱图

［1］B.Boggs,et al.Simple high-coherence rapidly tunable external-cavity diode laser［J］,Opt,lett.V (23)1998 1906-1909

［2］P.Gu,et al.Generation of Coherent cw-Terahertz Radiation Using a Tunable Dual-Wavelength External Cavity Laser Diode［J］,J.Appl.Phys.38 (2004)1246.

（责任编辑 郝瑞宇）

O47

A

1673-2015（2015）05-0047-03

2015—07—15

岳丛建（1962—）男，山西武乡人，高级实验师，主要从事物理学教学和激光器研究工作。