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用于POP铷原子钟的DFB激光器自动稳频技术研究鱼志健;薛文祥;赵文宇;李孝峰;陈江;阮军;杜志静;张首刚【摘要】针对传统手动稳频需要有人值守的弊端,基于饱和吸收谐波稳频的原理,设计了一套可实现对分布反馈式(distributed feedback,DFB)半导体激光器频率长期锁定的自动稳频系统.整套系统以STM32微控制器为核心,在此基础上进行自动稳频软件程序设计,具有体积小和抗干扰强的特点.经实验测试,该系统能够实现自动稳频,并在失锁后快速自动回锁.在实验室环境下,连续稳定工作超过一个月仍然保持锁定状态,失锁后能在1s内重新锁定,锁定后线宽为5 MHz.作为抽运和探测光源,DFB 激光器长期连续锁定的实现,为实现脉冲激光抽运(pulsed optically pumped,POP)铷原子钟在空间应用环境下长期无人干预稳定运行奠定了技术基础.【期刊名称】《时间频率学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】10页(P129-138)【关键词】激光器自动稳频;饱和吸收光谱;POP铷原子钟;DFB激光器【作者】鱼志健;薛文祥;赵文宇;李孝峰;陈江;阮军;杜志静;张首刚【作者单位】中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院大学,北京100049;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院大学,北京100049;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院大学,北京100049;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院大学,北京100049;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600【正文语种】中文【中图分类】TM935半导体激光器作为脉冲光抽运（pulsed optically pumped，POP）铷原子钟的泵浦源，其频率的稳定度直接影响着钟的中长期稳定度[1-3]。
dfb激光器原理DFB激光器原理。
DFB激光器是一种具有单模、窄线宽和高功率输出的激光器，其原理基于光栅的衍射效应。
DFB激光器在光通信、光纤传感、光谱分析等领域有着广泛的应用。
本文将介绍DFB激光器的原理及其工作过程。
DFB激光器的结构主要由光栅和半导体材料组成。
光栅是一种具有周期性折射率变化的光学元件，它能够选择性地增强或抑制特定波长的光。
半导体材料则是激光器的发光介质，通过注入电流使其产生光子。
在DFB激光器中，光栅的周期性折射率变化导致了光的衍射效应，从而实现了单模输出和窄线宽的特性。
DFB激光器的工作原理可以简单地描述为，在激发条件下，半导体材料中的电子和空穴复合产生光子。
这些光子在激光腔中来回反射，其中部分光子被光栅的衍射效应选择性地增强，形成了单模输出。
同时，光栅的周期性结构也限制了激光波长的选择，使得DFB激光器具有非常窄的线宽。
DFB激光器的工作过程中，光栅的周期性结构起到了关键作用。
光栅的周期决定了输出激光的波长，而光栅的折射率变化则决定了衍射效应的强度。
通过精确设计光栅的周期和折射率变化，可以实现对DFB激光器输出波长的精确控制，从而满足不同应用场景对波长的要求。
除了波长的精确控制，DFB激光器还具有高功率输出的特点。
这得益于激光腔中的光增益和光栅的衍射效应，使得DFB激光器能够实现高效的光放大和窄线宽的输出。
这使得DFB激光器在光通信和光纤传感等领域有着广泛的应用前景。
总结来说，DFB激光器是一种基于光栅衍射效应的激光器，其原理基于光栅的周期性折射率变化和半导体材料的光放大效应。
通过精确设计光栅的结构和半导体材料的特性，可以实现对波长和功率的精确控制，从而满足不同应用场景的需求。
DFB激光器在光通信、光纤传感和光谱分析等领域有着广泛的应用前景，对于推动光电子技术的发展具有重要意义。
dfb半导体激光器的原理DFB半导体激光器是一种高性能、高稳定性、高效率的光电器件，应用广泛，如：光通信、光存储、医疗、航空航天等领域。
那么，DFB半导体激光器是如何工作的呢？下面我们就来分步骤阐述DFB半导体激光器的原理。
第一步：PN结形成DFB半导体激光器是由PN结、活性层、反射镜等多层结构组成的。
首先，PN结是基本的构造单元，能够将电流和电子注入到活性区，形成电子和空穴复合放出光。
第二步：波导形成波导是长宽比优于1：5的导波结构，波导内的半导体材料的掺杂浓度和折射率要不同于其周围的材料，以便导致光的反射和传输。
第三步：活性层设置活性层是激光器中最重要的部分，它是PN结和波导之间的区域，其中的电子被激发并放出光。
DFB激光器中的活性层通常是砷化镓(GaAs)或砷化铝镓(AlGaAs)材料。
第四步：反射镜形成反射镜是DFB半导体激光器中的另一个重要组成部分。
它们采用了一种称为布拉格衍射的技术来反射某些波长的光。
布拉格衍射的基础是周期性的折射率变化可以产生反射。
第五步：DFB 半导体激光器的工作原理DFB激光器的工作原理是通过施加电压来提供一定的能量，来促进光子释放。
当电流通过PN结时，电子和空穴重新结合时释放出光子。
这些光子会在反射镜之间来回波动，因为这些反射镜被设置为不能将特定波长的光波逃逸出去。
因此，光逐渐变强并逐步放大，最终成为一束窄而强的单色光。
总之，DFB半导体激光器是一种高性能、高效率、高稳定性的光电器件，广泛应用于光通信、光存储、医疗、航空航天等领域。
以上就是DFB半导体激光器的原理分步骤阐述，希望对广大读者有所帮助。
分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。
自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。
关键字: DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
半导体分布反应激光器×103安/厘米2(320K)。
282K下得到的最大连续输出功率为40毫瓦。
半导体分布反应激光器- 简介采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反应功能的半导体激光器。
这种激光器不仅使半导体激光器的某些性能〔如模式、温度系数等〕获得改善，而且由于它采用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。
1970年采用双异质结的GaAs－GaAlAs注入式半导体激光器实现了室温连续工作。
与此同时，贝尔实验室H.利戈尼克等发现在周期结构中可由反向布喇格散射提供反应，可以代替解理面。
在实验中，最初是把这种结构用于染料激光器，1973年开始用于半导体激光器，1975年GaAs分布反应激光器已实现室温连续工作。
半导体分布反应激光器- 原理半导体分布反应激光器的反应结构是一种周期结构，反应靠反向布喇格散射提供〔见图〕。
为了使正向波与反向波之间发生有效的布喇格耦合,要求光栅周期满足布喇格条件:半导体分布反应激光器，式中λ0是激射波长,Ng是有效折射率，m＝1、2、3、…(相当于耦合级次)。
对于GaAs材料,一级耦合:Λ＝0.115微米。
在实验中，使用3250埃He－Cd激光和高折射率棱镜(nP=1.539)，已制出Λ＝0.11微米的周期结构〔见半导体激光二极管〕。
DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
图中光栅的周期为A，称为栅距。
当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层外表每一条光栅的反射。
在DFB激光器的分布反应中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。
式〔2—108〕将变为(2—109)满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。
式也称为分布反应条件〔一般m取1〕。
半导体分布反应激光器- 材料和泵浦方式制作半导体分布反应激光器的材料有GaAs-GaAlAsIn、P-InGaAsP、Pb1-xSnxTe和CdS等。
敏芯半导体分布反馈(dfb)半导体概述说明1. 引言1.1 概述：本文旨在对敏芯半导体分布反馈(DFB)半导体进行概述说明。
DFB半导体是一种应用广泛的电子器件，具有独特的原理和优势。
通过深入了解敏芯半导体和DFB 技术，我们可以更好地理解其应用领域和发展历程。
1.2 文章结构：本文将按照以下结构来进行介绍：首先，我们将从敏芯半导体的定义和特点开始，探讨其作为DFB半导体的基础知识。
接下来，我们将详细介绍DFB的原理、作用以及相关的结构和工艺技术。
紧接着，我们还将探究DFB技术的优势和局限性，以及其在通信领域、光电子器件和高速数据传输等方面的实际应用案例。
最后，在总结重点内容之后，我们将对敏芯半导体分布反馈技术未来发展进行展望。
1.3 目的：本文旨在深入了解敏芯半导体分布反馈技术，并提供一个全面而清晰的概述。
通过此篇文章，读者可以对DFB半导体有一个整体的了解，同时也能对其在各个应用领域中的发展和前景进行展望。
2. 敏芯半导体2.1 定义和特点敏芯半导体是一种新型的半导体材料，具有以下特点：- 高效能蓝光发射：敏芯半导体在发射蓝光方面表现出色，具有高亮度和高能效的特点。
其材料结构使得它能够产生纯净的蓝光。
- 超短波长：相比于其他传统材料，敏芯半导体的波长更短，使得它在高分辨率显示器和激光器等领域有广泛应用。
- 优秀电特性：敏芯半导体具有良好的电子传输特性，低载流子密度和短寿命使得其响应速度快、功耗低。
2.2 应用领域敏芯半导体在众多领域中都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：- 光电子器件：由于敏芯半导体发射蓝光且波长较短，在制造显示器、激光打印机以及汽车前灯等光电子设备中得到了广泛运用。
- 光通信：由于敏芯半导体具有高效率的蓝光发射能力，使得其成为光纤通信中的重要组成部分。
敏芯半导体在光通信领域中被广泛应用于激光器、放大器和调制器等设备。
- 生物医学：敏芯半导体在生物医学领域也有一定的应用。
DFB分布式反馈激光器091041A 谢伟超DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。
DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。
目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。
设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称动态单模半导体激光器。
实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光栅的反馈来实现纵模选择。
这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模。
分布反馈半导体激光器（DFB－LD）,在DFB－LD中，光栅分布在整个谐振腔中，所以称为分布反馈。
因为采用了内部布拉格光栅选择波长，所以DFB－LD的谐振腔损耗有明显的波长依存性，这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的F－P腔激光器。
结构及工作机理DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
图中光栅的周期为A，称为栅距。
当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。
在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。
满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。
式也称为分布反馈条件（一般m取1）。
DFB－LD的光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象。
FBG、DFB、FP三类激光器的比较分析FP:Fabry-perot法布里-珀罗，就是说LD内有法布里-珀罗谐振腔；fp是F-P 腔的，多纵模。
DFB：DistributeFeedback分布反馈式.DFBLD与FPLD的主要区别在于它没有集总反射的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的。
DFB是分布式负反馈的，单纵模。
FBG：Fiber Bragg Grating即光纤布拉格光栅。
DFB激光器性能参数DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出，此类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。
多用在1550nm波长上，速率为2.5G以上。
DFB激光器有以下性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。
-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。
阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
其典型参数见下表所示：FP激光器FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。
这类器件的特点；输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。
FP激光器有以下性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。
阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
典型参数见下表所示：FBG激光器在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
目前应用主要集中在光纤通信领域（光纤激光器、光纤滤波器）和光纤传感器领域（位移、速度、加速度、温度的测量）。
dfb激光器原理DFB（Distributed Feedback）激光器是一种具有独特结构和特性的半导体激光器。
它基于同轴叠层结构的半导体波导，通过有效的光子反馈机制实现单频谐振和波长稳定输出。
DFB激光器在通信、传感、医疗和科学研究等领域都有广泛应用。
DFB激光器的原理可通过以下几个关键步骤来解释。
首先，DFB激光器的基本结构包括电流注入层、有源波导层、光栅反射层和电极层。
有源波导层由P型和N型半导体材料构成，形成结构稳定的光导通道。
光栅反射层位于有源波导层上，通过周期性的折射率调制来实现反馈。
电流注入层用于提供激活激光器的激发电流。
其次，DFB激光器利用光栅反射层的周期性结构来实现光子反馈。
这种周期性结构导致波导中形成了布里渊散射（Brillouin scattering）的光栅准晶体结构。
光子在波导中传播时，会与光栅发生相互作用，同时返射回激光器内部，形成同一波长的光的反馈。
第三，由于DFB激光器的光栅结构引入的光场分布周期性变化，光波模式与光场的周期性变化量之间存在相位匹配条件。
当光波模式波导内的相位与光栅周期相匹配时，光场的能量会受到增强。
同时，光栅结构在波导中引起衍射，根据布拉格衍射的原理，当入射光的波长满足布拉格条件时，正好反射出入射波长的光，其他波长则被衍射至其他方向。
最后，DFB激光器通过调节激发电流和光栅参数来实现单频谐振和波长稳定输出。
通过控制激发电流的大小，可以调节激光器工作在临界或超临界状态，以实现单频输出。
而通过调节光栅的折射率调制规律和周期长度，可以调整激光器的输出波长。
这种自然折射率调制和周期性结构的组合使得DFB激光器能够实现高度单频、高纵模品质因子和波长稳定的输出。
总结起来，DFB激光器的原理基于同轴叠层结构的波导和光栅反射层的周期性结构。
通过光子反馈机制和布拉格衍射原理，实现单频谐振和波长稳定输出。
DFB激光器具有高纵模品质因子、窄线宽和波长可调等特点，广泛应用于光通信、光纤传感、光谱分析和光子学研究等领域。
