边模抑制比,英文名 Side-Mode Suppression Ratio 。主模强度和边模强度的最大值之比称为边模抑制比,是标志纵模性能的一个重要指标。
一般测量边模抑制比时,需要配合光谱分析仪中marker和analysis使用。用maker来标识主波峰值和最高副波峰。读取两波峰值。边模抑制比为两峰之间的能级差。可通过analysis中的子选项进行计算。
了解了边摸定义之后,我们再来理解动态单纵模:
由于激光器谐振腔的作用,在垂直和水平于光传输方向上会存在横模和纵模。横模表现为横向光斑分布,纵模表现为光谱分布。在laser的光谱中,若光强仅存在一个极大值,就成为单纵模。如果激光器在高速直接调制情况下仍然保持单一纵模,就成为动态单纵模DSLM。在工程应用中,常把高速直接调制下其边模抑制比大于35dB的激光器,成为动态单纵模激光器。
如何提高laser的边模抑制比,就是如何实现频谱更窄的单纵模激光,
通过上图我们可以知道,抑制边摸的基本方法是“过滤”不希望的波长。同时laser的腔长越长,越容易产生边模,所以想获得高边摸抑制比的话,采用短腔长是个好方向,但是光功率也会跟着下降。比如vcsel,可以自建DBR结构,但是激光震荡用的光腔短。
对于需要大功率的laser通常采用两种方式提高边模抑制比。
1)腔面分布布拉格发射结构,也叫DBR结构。2)分布在谐振腔内的分布反馈结构,DFB结构。
1、DBR
2010年德国FBH研究所,采用表面DBR结构获得高功率输出。90 μm条宽单管输出功率14 W, 最大转换效率为50% . 同年, 他们采用六阶表面光栅结
构, 在激射波长974 nm, 单模输出功率超过1 W, 3 dB光谱线宽仅为1.4 MHz . 2011年, 研制出1064 nmDBR激光器, 连续输出功率180 mW、线宽为180 kHz .中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制出38阶光栅耦合DBR半导体激光器, 获得213 mW、线宽40 pm单纵模出光, 边模抑制比40 dB 。
该方法是在芯片阶段做光栅结构,牺牲掉一部分光腔来做布拉格反射模块。无需二次外延生长。
2、DFB
分布反馈(DFB)半导体激光器. 国外从2004年开始高功率DFB半导体激光器的研究, 如德国FBH研究所研制出976 nm的一阶和二阶光栅器件,稳定基横模激射, 输出功率分别为400 mW和2.4W , 转换效率35.6%; 美国Alfalight公司报道了975 nm二阶光栅器件, 条宽100 μm、腔长2 mm的DFB激光器, 连续输出功率3 W、电光转换效率50%、线宽0.3 nm ; 韩国Gwangju科学院和加拿大国立研究院研制的1.55 μm三阶和二阶光栅DFB, 单纵模功率为15 mW ; 美国Eagleyard公司的976 nm的DFB激光器, 单纵模输出功率150 mW(Eagleyard.EYP-DFB-0976-00150-1500-TOC03-0000[EB/OL]. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制出968.8 nm增益耦合DFB激光器, 实现了144.6 mW、线宽40 pm单模出光, 边模抑制比29dB ; 设计并研制出940 nm二阶光栅DFB半导体激光器, 连续输出101 mW、光谱线宽90 pm、远场发散角为2.7°和7.3°、边模抑制比20 dB。
传统上,光通信对DFB激光器的功率需求并不高,一般不超过20 mW。但随着光通信技术从光纤发展到自由空间,空间光通信系统也开始采用单横模、单纵模的DFB激光器。由于大气中不存在波导效应,对光束没有限制能力,同时受气象条件带来的各种损耗和畸变影响,发射端需要提高发射光功率来满足最低探测功率需求。通常,百mW乃至瓦级光功率输出才能为这类应用提供足够的功率预算。
大功率DFB激光器面临的主要问题是大电流注入下的发光效率和模式稳定性问题。具体包括大注入条件下有源区对载流子的限制问题、内部损耗控制问题、纵向空间烧孔抑制问题、侧模控制问题等。从设计角度,主要考虑在保持较高的斜率效率的情况下,提高最大工作电流,同时维持单模工作状态。主要优化手段包括量子阱优化、腔长优化、分别限制层及盖层优化、模式控制等。
结合多种优化手段,目前国际上通信波段大功率DFB的功率水平已经可以达到600 mW以上室温连续输出
该方法是在有源区上方做光栅结构,然后二次生长外延。由于外延对应力、温度、基板表面状态十分敏感,因此二次生长出来的质量很难保证一致,因此DFB芯片的合格率偏低、生产成本高。