光电子学(二)期末报告.doc

光電子學(二)期末報告 Tunable Semiconductor Laser (可調半導體雷射) (圖片說明:物理系89級大一新生露營全體合照暨87.88級導生) 教師:郭艷光 班級:物四乙 學號:8522006 姓名:陳錦濤 (零)前言: 從紫外線到遠紅外線各種波長的雷射都幾乎被製造出來，現在的藍綠光雷射更是研究的重點，而白光也可以由多種方法產生，通常產生某波長的雷射可能擁有我們所要的幾種特色，但是他的波長卻不是我們所要的，這時候,我們就可以用多種調變雷射光波長的方法得到我們所想要的特定波長，更利於研究或使用。例如:Ar+離子雷射為寬頻的laser，波長有333.6、351.1、363.8、488.0，514.5nm……….等多個，所以它很利於做實驗，我們也可以容易的得到我們所想要的波長。可調變波長雷射有1970年代的染料雷射(DYE lasers)，以及固態雷射( Solid State lasers)，鈷：二氟化鎂 ( Co:MgF2)，鈦：藍寶石 ( Ti:Sapphire) 和色中心雷射(Color-center lasers)。以下介紹多種半導體雷射調變波長的方法，包括比，DFB雷射或DBR雷射單晶積體化，! (一)外加共振腔(external cavity)可調波長(粗調) 外加共振腔可調波長雷射使用過的濾波器有:散射光柵濾波器、電光濾波器、及聲光濾波器(電光和聲光是屬於固態物理學裡的方法)。使用外加共振腔的好處是可以得到較大的調變波長範圍，這是因為半導體具有較廣的增益寬度。但這種方式的缺點是波長的調變是不連續性的，而且外加的共振腔需要很好的機械穩定性。 光柵調整式(grating-tuned)外部共振腔雷射： 可調波長雷射最早的結構是在外部共振腔中，用半導體晶粒當增益介質，在晶粒的右端以繞射式光柵當作鏡面，同時光柵也是一個窄頻帶濾波器，靠光柵的晶粒端面鍍上抗反射層，並用透鏡使輸出的光線平行,而晶粒的另一端面和繞射式光柵就行成外部共振腔的鏡端面，5.25cm。而我們只要改變光柵的角度就可以調整雷射波長,另外移動光柵軸向位置或加一塊可調相位片就能夠微調波長。原則上調整範圍應該涵蓋整個增益頻譜，但實際上以波長1.5微米為中心，可調整範圍只有55奈米。 而其中透鏡的光偶合效率是最主要的限制！這種加裝光柵的外部共振腔雷射，由於它有很長的共振腔，大概可以得到約10KHz的窄線寬。中心波長0.8微米的GaAs/AlGaAs單一量子井雷射最寬的調整範圍可到105奈米。 圖一.光柵調整式外部共振腔可調波長雷射 聲光式(Acoustic-optically)可調波長半導體雷射： 結構包括聲光可調式濾波器、聲光調變器和半導體晶粒。其中聲光濾波器能利用一指定的聲頻將入射線性極化光滿足動量守恆的部分繞射成兩個正交極化的分量。光頻fo與聲頻fa的關係式為 ，其中是在真空中的光速對晶體中的聲速比例，Δn是晶體的雙折射率差 ( birefringence )，而TeO2材料的光頻對聲頻的比值大約是。藉著改變聲頻從50到90MHz，帶通3奈米的聲光濾波器峰值波長可在1到1.6微米的範圍內調整。在下面圖中，經終端鏡面反射回復極化的繞射光,通過濾波器回到半導體晶粒，此時光頻已經移了fa，因此須要一個聲光調變器修正光頻的偏移量。它的驅動功率3瓦，69.494到74.570MHz的聲頻範圍內，中心波長1.3微米的雷射最大調整範圍可寬到83奈米。 圖二.聲光式可調波長雷射圖 電光式(electro-optically)可調波長半導體雷射： 圖三為一個電光式可調半導體雷射結構，其中的可調式帶通濾波器是由波長可調的TE-TM極化轉換器和用單模鈦擴散鈮酸鋰條狀波導做成的被動極化濾波器組成。將濾波器適當的擺在端面鍍有抗反射層波長1.55微米的雷射晶粒旁，使的在鈮酸鋰波導中的TM極化光能夠得的最大的增益。TE-TM轉換器通入±50伏特的偏壓，最大調整範圍可到7奈米寬。此法雖然可以獲得很寬的調整範圍，但是窄頻帶濾波器只能讓緊臨的外部共振腔模態中的一個通過，如此容易造成雷射由一某個模態忽然跳到另一個模態，很難做到連續性的調整。另外由雷射晶粒本身鏡面反射產生的Fabry-Perot模態也會影響模態的選擇，整個光路徑的精確對準也需要很高的機械穩定性，就這些原因及實際上應用的考量，在單一基板上製作可調波長雷射會比較可行。 圖三.電光式可調波長雷射 改變溫度：改變溫度亦是一種常見的粗調方法，因為溫度高的話，輸出的頻寬就寬，中心發光強度就下降，波長就長啦。所10度左右，而且現在所做的冷凝系統已經可以達到很小