基于InAs/InP量子点的1.55μm可调谐外腔激光器

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外腔量子点激光器由于其光谱谱线窄,可调谐范围宽,在环境监测、光谱分析和光纤通信等诸多领域有着不可或缺的作用。量子点半导体激光器具有体积小、效率高、可靠性好等优点,非常适合在未来的光通信领域中发展,但由于量子点半导体激光器采用S-K自组织生长模式,使得量子点的尺寸很难控制,从而导致量子点的发光谱非均匀展宽。外腔半导体激光器克服了普通半导体激光器谱线宽、频率稳定性差的缺点,且它效率高、寿命长、频率稳定、波长调谐范围宽,因此具有广泛的用途。虽然有DFB和DBR等结构的激光器涌现,但是对于量子点激光器,其特殊的结构决定了DFB和DBR很难在量子点上实现,利用外腔可调谐技术可以有效压窄量子点激光器的谱线线宽,而且外腔激光器可以对激光器的光谱进行调谐,尤其是针对量子点激光器的宽增益谱的特性,可以调谐至更大的波长范围,从而获得兼具有两者优点的可调谐外腔量子点激光器,所以外腔对于量子点激光器来说意义重大。本论文利用气源分子束外延技术(GSMBE)在InP衬底上生长了InAs量子点激光器,在室温下的光致发光的中心波长为1.55μm。以此为基础研制了高性能可调谐外腔量子点激光器,介绍了其结构构造,电路控制部分,以及可调谐外腔半导体激光器的工作原理,并对其性能进行了一系列测试。本论文主要包括以下几个方面:1、介绍了量子点激光器的特性及外腔量子点激光器的工作原理,分析其基本结构,并对结构中各个部件的功能及放置方法进行了详细解释。对比了两种国际主流的外腔激光器结构:Littrow和Littman结构,并分析其在我们所用系统中的可行性。2、详细介绍外腔量子点激光器的电路控制部分,对精密电流源、温度控制器、压电陶瓷驱动器的原理图进行分析。经过测试可得,精密电流源的最大输出电流为1.5A,稳定度小于1μA;温度控制器的温度控制范围为5~50℃,稳定度为0.1℃;压电陶瓷驱动器的驱动电压范围为0~110V,稳定度为10mV。3、在室温条件下,分别用直流电流和脉冲电流测试了InAs/InP量子点外腔激光器。在直流电流模式下,我们测得的调谐范围为70nm(1563~1633nm),能够完全覆盖光通信中波分复用(WDM)系统的L波段(1570~1605nm),而且阈值电流密度小于1.6kA/cm2,在波长为1.59μm处,外腔激光器的最大输出功率达到23mW。在脉冲电流模式下,我们测得的调谐范围为73nm(1557~1630nm),而且阈值电流密度比在直流电流模式下还要低。4、测试了量子点激光器的腔长、注入电流、温度以及光栅角度对外腔激光器性能的影响,并发现其规律性。随着激光器腔长的增加,调谐范围会减小,阈值电流密度也会降低;随着温度升高,阈值电流密度也会升高;改变注入电流,其腔模会移动,并出现跳模现象。5、开发了一种基于单片机的控制系统,经过数显以及数字键盘输入,实现了人机对话,可以更方便的调谐外腔量子点激光器的输出光谱。设置了RS-232以及USB接口,便于与电脑拓展,安置了Zigbee通信模块,可以实现远程联网与收发数据,从而实现了可调谐外腔量子点激光器的智能化控制,为其应用范围创造了广阔的前景。
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