Littrow光栅外腔可调谐掺镱光子晶体光纤激光器的实验研究讲解

窄线宽外腔可调谐激光器的理论与实验研究密集波分复用（Dense wavelength division multiplexing，DWDM）光纤通信系统的大规模应用使得业界对可调谐激光器的需求逐渐增加。

外腔可调谐激光器由于光谱线宽窄、调谐范围宽、输出功率高等优点受到了广泛的关注。

本论文对基于微机电系统（Microelectromechanical systems，MEMS）技术的窄线宽外腔可调谐激光器进行了系统的理论和实验研究。

着重开展了MEMS型外腔可调谐激光器的结构设计、理论模型建立和实际研制等工作，对设计及研制窄线宽外腔可调谐激光器有一定的参考价值。

本论文的主要创新性研究内容包括以下几个方面：提出了一种以衍射光栅结合普通单轴MEMS转镜为模式选择滤波器的窄线宽外腔可调谐激光器结构。

为实现标准ITU-T波长输出，在激光器的谐振腔内加入了自由光谱范围为50GHz的熔石英标准具，在抑制相邻纵模的同时还起到了波长锁定的作用，从而避免了附加波长锁定装置的使用。

该外腔可调谐激光器在完全保留了普通外腔激光器的线宽窄、调节范围宽等特点的同时还兼具结构简单、可靠性高的优点。

建立了一种新型的分析外腔激光器特性的理论模型：对于外腔无源光路部分，首先不考虑激光器的谐振特性，用ZEMAX光学设计软件和高斯光束耦合方法建立了外腔部分的光路模型，分析了外腔光路的包括外腔损耗，模式选择滤波器以及标准具带宽等特性；在获得了外腔无源光路的特性基础上，首次用改进的时域行波法（Timedomain travelling wave，TDTW）模拟并优化了整体器件的输出特性，着重分析了标准具的特性对该激光器的波长精度以及调节特性的影响；同时分析和讨论了该MEMS型可调谐激光器的线宽特性。

该理论模型的建立为设计各类外腔可调谐激光器起到了良好的指导作用。

研制了国内首台符合OIF-MSA-ITLA-01.2标准的窄线宽集成可调谐激光器模块（Integrated tunable laser assembly，ITLA），该器件的能够实现光通信C波段100个通道的输出，波长精度在±1GHz以内，在整个调节范围内，其输出功率大于20mW，线宽小于50kHz；研制了低噪声、小型化、高稳定性的激光器驱动电路；探索并研究了外腔型可调谐激光器中微光学器件的高稳定固定及封装的工艺方法，建立了一整套的调试、封装及测试的工艺平台。

Littrow和littman结构从Thorlabs的产品规格可以看出，中心波长在1300nm附近的两种结构的激光器的阈值电流和边模抑制比一样。

Littman结构和Littrow结构各有自己的优缺点。

一般，Littrow结构有比较高的输出光功率，然而由于先进的芯片制造技术和光学薄膜技术的采用，Littman结构也会有很高的输出光功率。

另外，因为光栅保持固定，输出光束的方向也是固定的，不需要额外的光束补偿器。

Littrow谐振腔通过使用光栅给增益元件提供反馈。

增益元件的一端必须能让光束出射，比如SAF设计。

从这个端面出射的光束首先被准直。

然后光栅对这个准直光进行衍射，一级衍射再耦合回增益元件，用来维持激射。

激光器的波长调谐可以通过改变光栅相对于谐振腔的角度来实现。

光栅的零阶衍射光从激光谐振腔出射的角度取决于光栅的角度。

Littman结构的ECL同时使用光栅和反射镜来进行调谐。

与Littrow结构相似，从增益元件未镀膜端出射的光束必须先准直。

然后用光栅对此光束进行衍射。

零级衍射光从反射镜反射回到光栅，在耦合回到增益元件前发生第二次衍射。

由于光束发生了两次衍射，损耗较高（功率损耗），但是边摸抑制比（SMSR）增加，产生了更窄线宽的激光。

在该结构中，光栅保持静止，而转动反射镜来调谐激光谐振腔的支持波长。

与Littrow激光器不同，零级自由空间光束的方向保持不变，这在某些应用中是有益的。

Littrow和Littman光栅外腔反馈的光路为：激光器发出光经透镜准直射到光栅表面，经光栅选模，将1级衍射光线按原路反馈回激光器有源区，使选出的模式在激光器内腔中的增益得到放大从而在模式竞争中获得优势最后作为光栅0级衍射光（即反射光）输出出去。

两种结构有所不同，Littrow结构较简单，出射光为光栅0级衍射光，出射光会随着光栅转动；Littman结构用平面镜将+1级光经光栅二次反射回有源区，二次衍射可以压窄线宽，光栅固定，只转动平面镜，但是镜面反射在光栅上的0级光会损失掉，而且该结构体积较大，往往要采用电控旋转镜面，造价较高，因此实验中所用的光栅外腔结构一般均为Littrow结构。

基于光子晶体的激光谐振腔研究光子晶体是一种用于光波导和光学器件的人造材料。

它的最大特点是具有与自然晶体相同的光学性质，可以对光进行控制和调制。

基于光子晶体的激光谐振腔研究是当前激光技术发展的热点之一，本文将介绍它的原理和应用。

一、激光谐振腔的原理激光谐振腔是一种将激光反复地激发和放大的装置。

它由两个光学反射镜组成，中间夹有放置激光介质的空间。

当激光通过介质时，会被放大，同时通过反射镜反射回来，不断在腔内反复激发和放大，最终形成高亮度的激光束。

基于光子晶体的激光谐振腔与传统激光谐振腔的不同之处在于，它使用了光子晶体制作的反射镜，而不是传统的金属反射镜。

光子晶体反射镜是一种高度周期性的结构，具有类似于自然晶体的能带结构。

光子晶体反射镜的特殊结构决定了它在某些波长下具有高反射率，使得激光在腔内反射时能够得到更高能量的积累，从而提高激光的输出功率和亮度。

二、基于光子晶体的激光谐振腔的应用基于光子晶体的激光谐振腔具有多种应用。

以下是其中几个典型的应用：1、微型激光器基于光子晶体的激光谐振腔由于结构精密、体积小、功耗低等特点，因此被广泛地应用于微型激光器的制造。

微型激光器是一种体积小、功耗低的激光器，可用于微机电系统、生物传感等领域。

2、光通信基于光子晶体的激光谐振腔具有优异的光谱调制和窄带宽特性，因此被广泛地应用于光通信系统中。

光通信技术是一种将信息通过光传输的技术，具有大带宽、低损耗、高速度等优点。

3、量子光学基于光子晶体的激光谐振腔由于能够控制和调制光，因此在量子光学领域中也有重要的应用。

在量子通信、量子计算、量子成像等领域，光子晶体激光谐振腔也具有广泛的应用前景。

三、结语基于光子晶体的激光谐振腔是当前激光技术发展的热点之一，它利用了光子晶体的优越光学性质，实现了激光的高效率激发和放大。

基于光子晶体的激光谐振腔不仅被广泛地应用于微型激光器、光通信和量子光学等领域，同时也为激光技术的发展带来了新的可能性。

光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究光子晶体光振子谐振腔微腔是在光子晶体中构建的微尺度的谐振腔结构，它能够将光子振荡在腔内进行反复增幅，具有高品质因子和小模式体积的特点。

因此，光子晶体光振子谐振腔微腔被广泛应用于光子学领域的多个研究方向。

首先，光子晶体光振子谐振腔微腔在光子学传感中具有重要作用。

由于光子晶体光振子谐振腔微腔的高品质因子和小模式体积，它可以增强光与物质相互作用的强度，提高传感器的灵敏度。

例如，可以在微腔中加入感应层以实现化学气体传感器的制造。

当感应层中的物质与待测气体相互作用时，光子晶体光振子谐振腔微波的传输特性将发生变化，通过测量输入和输出的光功率变化，可以在微腔中实现高灵敏度的气体检测。

其次，光子晶体光振子谐振腔微腔在光子器件中有广泛应用。

谐振腔是光子振荡器件的重要组成部分，可以用于实现光学逻辑门、光电二极管、光放大器等器件。

通过调整光子晶体光振子谐振腔微腔的结构参数，可以调控光的共振频率和频谱响应，从而实现对光的频率转换、选择性放大等功能。

此外，利用光子晶体光振子谐振腔微腔的非线性效应，还可以用于实现光学非线性器件，如光学倍频器、光学调制器等。

通过将光子晶体光振子谐振腔微腔与其他光学元件结合，可以实现高效率的光学器件，拓展光子学应用的新可能性。

最后，光子晶体光振子谐振腔微腔还在量子光学研究中发挥重要作用。

量子光学是利用光与物质相互作用的量子效应进行研究的领域，其中包括量子纠缠、量子隐形传态等。

光子晶体光振子谐振腔微腔通过增强光与物质的相互作用，可以有效地实现光与离子、原子等量子系统的相互耦合。

这种强耦合状态可以在光子晶体光振子谐振腔微腔中实现，被用于实现量子态的生成和操控。

因此，光子晶体光振子谐振腔微腔在量子光学领域的研究中具有很大潜力。

总之，光子晶体光振子谐振腔微腔是一种具有高品质因子和小模式体积的微尺度谐振腔结构，它在光子学领域的传感、器件和量子光学研究中具有重要作用。

光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，能够控制光线的传播。

在光子晶体中，电磁波受到特定的布拉格条件限制，只能在禁带内传播，形成光子带隙。

由于光子晶体的这种结构特性，可用于制造微型光学器件。

其中，光子晶体光振子谐振腔微腔是应用最广泛的一种微型光学器件，用于实现高品质因子(也称Q值)谐振，提高微型激光器、激光器阵列、光电探测器等器件的性能。

本文旨在探讨光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原理及其应用研究。

一、光子晶体光振子谐振腔微腔的结构光子晶体光振子谐振腔微腔由两个周期性介质结构构成：一个是光子晶体光振子谐振腔，另一个是微腔。

光子晶体光振子谐振腔是周期性分布的光介质结构，微腔是介质中一个局部区域，形状可以是球形、柱形、板形等。

光子晶体光振子谐振腔是一种周期性介质结构，由周期性排列的材料构成，通过这种结构来控制光线的传播。

由于光子晶体的布拉格衍射效应，只有能量与光子晶体中布拉格平面频率匹配的光子才能穿过晶体。

因此，利用光子晶体，可以制作出高品质因子的光学器件，如微型激光器、激光器阵列、光电探测器等。

光子晶体光振子谐振腔通常用于实现高品质因子的谐振，从而提高其在各种器件中的性能。

二、光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原理光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原则是选择合适的介质和结构参数，使得器件具有高品质因子、窄带宽和高透过率等特性。

为了实现这些特性，一般采用以下的设计原理：(1) 选择合适的晶体结构和周期：光子晶体中各晶体结构和周期的选择对光子晶体内的光子带隙宽度和位置具有重要影响。

在光子晶体中，只有能量在光子带隙范围内的光子可以被传播，因此，为了使谐振腔能够工作在谐振状态下，光子带隙的位置和宽度需要与器件中光的频率匹配。

(2) 调节微腔的几何形状和尺寸：微腔的几何形状和尺寸对其品质因子、谐振峰宽度和透射谱有重要影响。

例如，在球形微腔中，当等效半径小于光波长的一半时，微腔处于不连续模。

体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器研究作者：***来源：《光学仪器》2024年第02期摘要：为提高绿光激光器的输出特性，设计了一种体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器。

采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光器，并使用三硼酸锂晶体进行倍频，研究了基频光的光束及光谱特性对倍频光的光束及光谱特性的影响。

实验结果表明，使用体布拉格光栅进行外腔锁波时，所得到的倍频光同样能实现窄带宽输出，同时倍频光的远场分布与基频光的远场分布一致。

使用衍射效率为10% 的体布拉格光栅作为外腔输出镜，可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在1064nm，所得到的倍频光波长稳定在532nm 附近，光谱线宽压缩至0.4nm 左右，输出功率可达73mW。

关键词：半导体激光器；绿光；体布拉格光栅；倍频中图分类号：TN248.4文献标志码：AStudy on volume Bragg grating external cavity second harmonic generation semiconductor laser LIU Rongzhan（Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co.， Ltd.， Wuhan430000， China）Abstract： To improve the output characteristics of green light lasers， a volume Bragg grating external cavity second harmonic generation semiconductor laser is designed. A reflective volume Bragg grating was used as a feedback element to construct an external cavity semiconductor laser，and a lithium triborate crystal was used for second harmonic generation. The influence of the beam and spectral characteristics of the fundamental frequency light on the beam and spectral characteristics of the frequency doubling light was studied. The experimental results showed that when volume Bragg grating for external cavity mode locking was used， the obtained second harmonic generation also could achieve narrow bandwidth output， and the far field distribution of second harmonic generation was consistent with that of fundamental frequency light. A volume Bragg grating with a diffraction efficiency of10% was used as an external cavity output mirror. The output wavelength of the semiconductor laser could be stably locked at1064nm. The obtained second harmonic generation wavelength could be stabilized around532nm. The spectral linewidth was compressed toabout0.4nm， and the output power could reach73mW.Keywords： semiconductor laser；green light；volume Bragg grating；second harmonic引言近年來，由于光电器件相关的材料以及外延设备、技术的蓬勃发展，半导体激光器也得到了迅猛发展，尤其是用于工业加工以及泵浦的半导体激光器，其商用单芯片输出功率已突破50W。

光子晶体谐振腔设计与调控技术研究光子晶体谐振腔是一种基于光子晶体结构的微纳光学器件，具有在光学波长尺度上限制光场传播的特点，被广泛应用于光子学、量子信息等领域。

在光子晶体谐振腔的设计与调控技术研究中，人们通过对光子晶体的结构和材料进行优化，实现了对光场的高效控制和调控。

首先，光子晶体谐振腔的设计需要考虑到光子晶体的结构参数和材料特性。

光子晶体是一种由周期性的折射率分布构成的结构，其周期性的折射率分布可以通过调整光子晶体的晶格常数、填充因子和材料折射率等参数来实现。

通过对光子晶体的结构参数进行优化设计，可以实现对光子晶体谐振腔的模式选择和调控。

其次，光子晶体谐振腔的调控技术研究主要包括两个方面：谐振腔的模式调控和谐振腔的耦合调控。

在谐振腔的模式调控方面，人们通过调整光子晶体的结构参数和材料特性，实现了对谐振腔模式的选择和调控。

例如，通过调整光子晶体的晶格常数和填充因子，可以实现对谐振腔模式的调控，使其在特定波长范围内具有高品质因子和低损耗。

在谐振腔的耦合调控方面，人们通过改变光子晶体谐振腔与其他光学器件的耦合方式，实现了对光子晶体谐振腔的光场传播和耦合效率的调控。

例如，通过调整光子晶体谐振腔与光纤之间的耦合方式，可以实现对光子晶体谐振腔的光场传播和耦合效率的优化。

光子晶体谐振腔的设计与调控技术研究不仅在理论上具有重要意义，还在实际应用中具有广泛的应用前景。

在光子学领域，光子晶体谐振腔可以用于实现光场的局域化和增强，从而实现高效的光场操控和传感。

在量子信息领域，光子晶体谐振腔可以用于实现光子的单光子源和量子比特的存储和传输，从而实现量子信息的存储和处理。

此外，光子晶体谐振腔还可以应用于激光器、光学传感器、光学集成等领域，具有广泛的应用前景。

总之，光子晶体谐振腔的设计与调控技术研究是一个具有重要意义和广泛应用前景的研究领域。

通过对光子晶体的结构和材料进行优化设计，以及对谐振腔的模式和耦合进行调控，可以实现对光子晶体谐振腔的高效控制和调控。

Littrow光栅外腔可调谐掺镱光子晶体光纤激光器的实验研究
全部作者：
高艳丽李乙钢刘胜利王华陈胜平吕可诚
第1作者单位：
南开大学物理科学学院
论文摘要：
本文以976 nm半导体激光器作为泵源，闪耀光栅作为调谐元件，采用Littrow外腔结构，研究了可调谐掺Yb 光子晶体光纤激光器的波长调谐激光输出特性。

在泵浦功率为1.27 W时，实现了最大调谐范围74.4 nm的连续调谐激光输出，激光输出光谱线宽均小于0.2 nm。

在泵浦功率5.77 W，调谐波长1085 nm处，得到最大激光输出功率677 mW。

在整个调谐范围内的激光输出均为线偏振光，偏振消光比均大于12 dB。

关键词：
光纤激光器，掺镱光子晶体光纤，可调谐，闪耀光栅 (浏览全文)
发表日期：
2006年11月27日
同行评议：
实验较有价值，多尝试其它方向的研究。

综合评价：
修改稿：
注：同行评议是由特聘的同行专家给出的评审意见，综合评价是综合专家对论文各要素的评议得出的数值，以1至5颗星显示。

基于光栅相移效应的Littrow激光器的无跳模调谐周长帅;王海龙;龚谦;荣春朝;严进一;杨维凯【摘要】利用光栅相移效应实现了外腔半导体激光器的大范围无跳模调谐.激光器采用小型化的Littrow型外腔结构,标定中心波长为1550 nm,采用后腔面输出激光.在室温工作条件下,测试了激光器的无跳模调谐范围和无跳模调谐范围内激光器的功率.实验结果表明,利用光栅相移效应实现了11.8 GHz的无跳模连续调谐,最大输出功率达到17.60 mW,获得了0.092 nm的波长调谐范围.该实验证明,利用光栅相移效应也可以实现较大范围的无跳模调谐,为Littrow结构实现无跳模调谐提供了一种新思路.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)005【总页数】5页(P1045-1049)【关键词】光栅相移效应;Littrow结构;外腔;半导体激光器【作者】周长帅;王海龙;龚谦;荣春朝;严进一;杨维凯【作者单位】山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜师范大学物理系,山东曲阜 273165;山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜师范大学物理系,山东曲阜 273165;山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜师范大学物理系,山东曲阜 273165;山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜师范大学物理系,山东曲阜 273165;山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜师范大学物理系,山东曲阜 273165;中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,上海 200050【正文语种】中文【中图分类】TN929.110 引言外腔半导体激光器因其波长可调谐、阈值电流低和窄线宽等诸多优点，在高精度测量、全息数据存储和激光冷却等领域具有重要作用[1-5]。

光栅外腔半导体激光器的外腔结构主要分为Littrow和Littman两种，且二者都是通过调节光栅的左右偏角来实现波长的调谐[6-8]。

光栅的相移效应引入的附加相位会改变光栅外腔半导体激光器的激射频率，导致激光器的激射频率发生跳变，影响着激光频率的稳定性。

采用同步调谐方法的Littman型可调谐半导体激光器张为波;刘志刚;周扬理;龚海【摘要】针对采用无镀膜激光二极管的外腔可调谐半导体激光器的跳模现象难以控制的问题,研制了一种采用无镀膜的激光二极管的Littman型外腔可调谐半导体激光器.该激光器通过星型柔性铰链调节反射棱镜的角度,采用带有柔性结构的光栅座调整光栅位置与角度,用粗调与细调旋钮改变激光二极管后端面的位置,利用同步调节激光二极管的注入电流与压电陶瓷驱动电压的方法,通过实验估计确定了激光二极管注入电流与压电陶瓷扫描电压同步调谐比例系数,实现了激光器内外腔纵模同步跟踪,有效避免了跳模的产生.实验结果表明,所研制的Littman型外腔可调谐半导体激光器单纯依靠压电陶瓷电压调谐和二极管注入电流调谐仅能实现约18 GHz 与60 GHz的无跳模调谐,而采用同步调谐的方法实现了105 GHz的连续无跳模调谐,频率调谐的扫描频率为20Hz,满足了激光光频扫描干涉测距的应用要求.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2015(049)010【总页数】6页(P29-33,40)【关键词】激光器;连续无跳模调谐;同步调谐;Littman结构;无增透膜激光二极管【作者】张为波;刘志刚;周扬理;龚海【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TB96可调谐外腔半导体激光器(ECDL)结构紧凑、线宽窄、效率高、可靠性高、成本低,已被广泛应用于高精度光谱仪[1]、原子冷却与俘获、光通讯以及干涉测量[2]等领域。

在Littrow型可调谐激光器中光栅直接作为选频与光反馈元件,结构简单,出射光为光栅的0级衍射光,其出射方向会随光栅转角的变化而改变,而在Littman型可调谐激光器中光栅的1级衍射光经反射棱镜后反馈回激光二极管,0级衍射光作为出射光,出射方向不变,因此Littman结构激光器更适合应用于激光干涉测量。