什么是分布式布拉格反射器（DBR）激光器？

分布式布拉格反射器（DBR）激光器是一种半导体激光器，其活性介质为p-n结，并在活性区域的两侧各包含一个或两个布拉格反射器。布拉格反射器是作为镜子或端反射器的光栅，其反射率在特定波长下经过优化，从而缩小了激光的光谱宽度。在DBR激光器中，光栅位于不流电流的活性区域外。DBR激光器的发射波长通常在700 nm到4000 nm之间，具体取决于设计和应用。它们通常具有数百毫瓦的输出功率，并以单一的TEM₀₀ 模式工作。由于其发射光谱宽度小于4 MHz，因此非常适合拉曼光谱应用。这些激光器广泛应用于电信、传感和科学研究等领域。

图1：DBR激光器的示意图

图1显示了分布式布拉格反射器激光器的示意图。

通过改变电流或温度，DBR激光器可以在大约2 nm的范围内连续调谐。这些激光器非常稳定，噪声低。DBR激光器使用高反射率的表面光栅和高折射率对比。它们具有较低的缺陷水平，从而实现更高的功率和更好的稳定性。

DBR激光器的原理

DBR激光器基于分布式反馈原理，其反馈机制由活性区域中折射率的周期性变化形成的波纹结构提供。通过交替使用两种不同折射率的材料层来实现这种周期性变化。用于DBR激光器的最常见材料是GaAs和AlGaAs。

DBR结构位于活性区域的两侧，充当激光光的高反射镜。当对设备施加偏置电压时，电子和空穴被注入增益介质，导致光子在腔内共振的发射。然后，布拉格反射器选择性地将光反射回腔内，形成一个正反馈回路，放大激光发射并引发激光作用。

DBR激光器的结构

图2：DBR激光器的结构

DBR激光器的结构由三个主要区域组成：活性区域、DBR镜面区域和波导区域。

活性区域包含一个量子阱或量子点结构，提供激光所需的增益。该区域通常位于DBR激光器结构的中心，并被DBR镜面区域包围。

DBR镜面区域由多层两种不同的半导体材料组成，具有不同的折射率，按周期结构排列。该结构的周期性设计用于反射特定波长范围，从而决定激光的发射波长。DBR镜面区域充当高反射镜，反射激光光在活性区域内来回传播，形成使激光振荡的反馈机制。

波导区域位于活性区域与DBR镜面区域之间。它作为引导结构，限制激光光在活性区域内的传播。波导区域通常是单层半导体材料，其折射率低于DBR镜面区域。

分布式布拉格反射器（DBR）激光器的优点

• 光谱宽度窄
• 输出功率高
• 阈值电流低

DBR激光器的缺点

• 最大输出功率约为150 mW

DBR激光器的应用

DBR激光器在不同领域有许多应用。其中一个最重要的应用是在电信领域。DBR激光器作为光源用于光纤通信系统，使得高速数据传输成为可能。DBR激光器还用于波长分复用（WDM）系统，通过不同的波长在单根光纤上传输多个信号。

DBR激光器的另一个重要应用是在传感领域。DBR激光器可以作为高分辨率光谱和传感工具，检测和测量各种物理和化学参数，如温度、压力和气体浓度。DBR激光器还可以作为光学生物传感器，用于医学诊断和药物发现。

这些激光器在科学研究中也有应用。它们用于激光冷却实验，以将原子或分子冷却并捕获到接近绝对零度的温度。它们还用于量子信息处理实验，以生成和操控光子和原子的纠缠态。