为了应对共封装光学(CPO)系统对硅光外置光源提出的高功率、低噪声、低功耗等要求, 设计了一种波长在1310nm附近的AlGaInAs多量子阱(MQW)高功率连续波(CW)分布反馈(DFB)激光器芯片。通过在有源层MQW的下方插入一层InGaAsP远场减小层, 实现光模场向n型包层下移, 减小远场发散角的同时降低了量子阱区的光限制因子和整体的光吸收损耗, 制作的激光器可以实现高斜率效率、非致冷高温高功率工作。测试结果显示, 该激光器在25℃下, 阈值电流为20mA, 斜率效率为0.46W/A, 输出功率为173mW@400mA; 当注入电流为300mA时, 激光器的水平和竖直发散角分别是15.2°和19.1°, 边模抑制比大于55dB, 洛伦兹线宽小于600kHz, 相对强度噪声(RIN)小于-155dB/Hz; 在85℃高温下, 激光器阈值电流为32mA, 输出功率达到112mW@400mA。

介绍一种新型的850 nm单模面发射分布反馈激光器(SEDFB)。采用浅脊波导表面光栅结构提供足够的光反馈，采用含λ/4相移的二阶光栅在实现面发射的同时获得单纵模特性。采用方形氧化孔径构成无源分布布拉格反射镜(DBR)—有源分布式反馈区(DFB)—无源DBR三段结构，从而减小电流注入的有源区体积，获得了与垂直腔面发射激光器(VCSEL)类似的低阈值特性。对于50 μm有源区长度的SEDFB，其阈值电流为1.8 mA，当注入电流为6.5 mA时，SEDFB的边模抑制比(SMSR)高达47 dB。同时，该激光器在注入电流为9 mA的情况下获得了17 GHz的弛豫振荡频率。SEDFB实现了准圆形光斑的面发射输出，其远场光斑发散角的半峰全宽约为21°×26°。

由于目标运动时对后期处理式的相位噪声补偿方法有影响，回波拍频信号相位噪声与辅助干涉仪获取的相位噪声不匹配，导致引入额外残余相位噪声。针对该问题，分析了调频连续波(FMCW)激光雷达系统中目标物体运动对于传统光源相位噪声补偿法的影响，提出了一种预估目标距离及速度进行光源相位噪声补偿的新方法。系统光源部分采用分布反馈(DFB)激光器，使用电流直接调制进行线性扫频。对运动物体进行实测的结果表明：采用新型光源相位噪声补偿方法，测量精准度提升了41倍，且能同时精确测量距离与速度。

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率, 必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数。采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵。激光器列阵的腔长为1 mm, 25 ℃时中心波长为808 nm, 通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图, 表明当脉冲工作电流为148 A时, 激光器列阵的输出功率可以达到100 W, 斜率效率为0.9 W/A, 光谱的FWHM为0.5 nm, 边模抑制比可以达到40 dB, 出射波长随温度的漂移系数为0.056 nm/℃, 单列阵波长锁定范围可达50 ℃, 总锁定范围100 ℃。另外还分析了腔面镀膜对波长锁定效果的影响。

半导体分布反馈(DFB)激光器以其卓越的光谱特性、调制特性以及低成本、可量产优势已经成为光纤通信、空间光通信中的重要光源,并将在5G、数据中心、激光雷达以及微波光子学等应用中发挥不可替代的作用。针对通信波段半导体DFB激光器的不同应用需求及特征展开综述,分别就直接调制DFB激光器、大功率DFB激光器以及低噪声(窄线宽及低相对强度噪声)DFB激光器的设计原理、优化方法及进展进行了整理、评述与展望。

窄线宽稳频激光器在工业生产控制中具有广泛的应用, 但自由运转的半导体激光器的频率漂移限制了激光器的使用。 为稳定半导体激光器的频率, 提出了一种基于二次谐波吸收特性来实现窄线宽二极管激光器的稳频新方法, 利用1.396 μm的DFB二极管激光器测量水汽的二次谐波信号来实现激光的稳频, 实验结果表明在100 h内激光器输出波长漂移有效的抑制在±0.16 pm范围内, 激光稳频后, 其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移。 该方法具有简单、 可靠等优点, 对二极管激光频率的稳定具有广阔的应用前景。

以红外分布反馈激光器激发光源为核心的检测装置中, 分布反馈激光器发光波长的控制精度及稳定性直接决定检测装置测量准确性。为此研发了一种采用模拟PID控制的分布反馈激光器温度控制系统。该系统采用模拟比例-积分-微分温度前向控制模块和温度实时后向采集模块达到控制温度的目的。温度控制实验中采用激射中心波长为2 049 nm的分布反馈激光器, 结果表明, 系统温度控制稳定性为±0.05 ℃, 稳定时间小于30 s。同时, 利用所研制的温度控制系统对上述可调谐DFB激光器做了光谱测试实验, 结果表明, 当激光器驱动电流固定时, 激光器激射波长与其工作温度呈线性关系。

为了精密控制分布反馈激光器的温度与电流, 采用数字信号处理芯片,设计了分布反馈激光器驱动装置。通过该装置设定激光器温度和电流的参考电压, 经数模转换, 再通过温度和电流驱动模块, 馈入并驱动分布反馈激光器, 进行了实验验证。结果表明, 40min内温度变化极差与标准差分别不超过5mK和0.7mK, 电流变化极差与标准差不超过40μA和6μA; 驱动半导体光放大器, 关断时间小于1μs, 具有良好的瞬间响应特性; 该装置具有较高的温度和电流稳定性, 流控模块具有良好的瞬态特性, 能够精密控制分布反馈激光器的温度和电流。该控制装置可用于光腔衰荡光谱研究,控制分布反馈激光器并驱动光放大器来关断激光。

为了实现对火灾的早期探测, 设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33 μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段, 对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离, 从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明, 系统的检测限(LoD)为1.18 μL/L; 当积分时间达到 205 s时, 系统能够实现0.08 μL/L的测量精度。最后, 纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明, 所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。