摘 要：分析影响正弦相位调制半导体激光干涉仪测量精度和系统分辨力的因素，提出了用分布布拉格反射半导体激光器 DBR LD 实现高分辨力亚纳米精度测量的方案。理论计算表明，DBR LD的波长连续调制深度比 F-P 腔LD 高一个量级。指出由于 DBR LD 的特殊结构可通过简单的反馈回路稳定输出光功率，有效地避免了光强波动对测量精度提高的限制。

　　引 言

　　正弦相位调制半导体激光干涉仪以其优越的性能在高精度微位移测量中得到广泛的应用。随着实际应用中对物体测量精度要求的不断提高，作为单色光源的半导体激光器(LD)结构和调制特性对测量结果的影响越来越明显。F-P 腔结构的半导体激光器性能价格比高，在半导体激光干涉仪中得到大量的应用。但是，由于其固有的缺点，如温漂大、边模抑制比低、波长连续调制范围小等等，制约了其应用的范围。正弦相位调制干涉测量中使用电流注入调制光频时，会导致输出光强较大的波动，产生测量误差。要避免这种误差，需采用复杂的反馈控制装置[1-2]，这增加了系统的成本，并使系统的稳定性降低。再者，F-P 腔纵横间隔 /(2)20λ nd很小(n 为折射率、d 为腔长)，LD 调制中容易发生模跳变，因而波长连续调制的范围很窄。对于中心波长为 780nm 的 A1GaAs LD，理论上波长连续调制幅度小于 0.125nm,极大地限制了干涉测量系统的分辨力，且注入电流与波长变化关系的非线性也影响到测量的精度。因而，高精度半导体激光干涉测量装置中必须采用更高性能的可调谐半导体单模激光器。三区段结构分布布拉格反射(DBR)半导体激光器是一种高性能的单模激光器，可通过调节不同区段的注入电流，实现对光频的连续调谐。本文分析和计算 DBR LD 应用于半导体激光外差干涉仪中的优点及其调制特性，提出了实现亚纳米精度测量的 DBR LD 正弦相位调制干涉装置。

　　1 正弦相位调制干涉仪

　　图1 为正弦相位调制干涉仪原理图。可通过电压陶瓷改变全反射镜 M 的位置或调制 LD 输出波长实现正弦相位调制，前者调制的非线性和振动的影响较大，后者调制精度的高低与 LD 的调制性能有关。DBR LD 激活区的偏置电流大于阈值电流，调制区注入电流为i = bcosωt，对应的输出光波长λ (t )λβbcosωt0= ，0λ ，ù，a 分别为激光中心波长、调制频率和波长电调率。输出光强p(t)=0p (1+mcos ω t)，m 为强度调制系数。设干涉仪两臂的光程差为L，则光电二极管PD1上接收的干涉信号表示为

　　由上述表达式可见，p (t)使 s (t)的傅立叶变换谱受强度变化的扰动，产生测量误差;波长连续调谐范围的大小也较大地限制了干涉测量系统的分辨力。

　　2 DBR LD 的结构和连续波长调制

　　图2 为三段 DBR LD 的结构图。激活区、相移区和布拉格反射区相互隔离，可通过各区段的电极注入电流分别控制光功率、腔内纵模的位置和峰值反射波长。注入激活区的电流大于阈值时，输出光功率随电流增加而升高，由于载流子的钳位效应，此区域的载流子浓度变化不大。电流注入相移区和布拉格反射区时，介质波导的折射率发生改变，从而调制激光的相位和布拉格波长。布拉格波长的变化幅度与折射率改变的关系为

线宽增加因子、相移区的线宽增加因子和平均有效折射率。为达到大的波长调制范围，可增加注入电流提高载流子浓度。但是，波长调制范围受到波导温度随注入电流增加而升高的限制，这是因为载流子浓度增加使介质折射率减小，而温度升高则根据 β =dn /dt为正值而使介质折射率增加。激光腔内的纵模数非常多，且纵模间隔很小，单频输出是通过布拉格反射区的选频作用实现的。单独调制相移区和布拉格反射区容易产生跳模，这在波长调制半导体激光干涉仪中需要设法避免，所以波长连续调制须同时改变B λ 和P λ ，使Pλ =B λ 。图3 为输出激光模式与注入电流PI 和BI 的关系。同一纵模下，波长连续调制应使PI 和BI 满足一定的关系，以保证调制时不发生模跳变。不同结构参数的DBR LD 同一纵模的PI 和BI 关系不同，可通过实验测定单模输出时PI 和BI 的变化关系数据，编程实现注入电流单模控制。

到的波长连续减小幅度P λ 与PI 的变化关系如图4 所示。波长连续变化的最大幅度取决于P n ，计算结果表明此时的波长连续调制范围相当于 F-P 腔 LD 的十多倍，对不同热阻的DBR LD，温度随注入电流增大而升高的快慢不同，热阻越大波长连续调制范围越小。当注入电流很大时，温度引起的折射率增加起主导作用，波长向长波方向移动并将发生模跳变。

　　3 正弦相位调制干涉仪中 DBR LD 的调控

激光输出功率减少，这对测量精度的提高非常不利。但因 DBR LD 激活区和波长调制区相互隔离可独立调制，通过简单的反馈电路控制注入到激活区的电流大小，补偿光强因自由载流子吸收产生的损耗，工作原理如图1 所示。DBR LD 的采用克服了使用 F-P 腔 LD 的缺点，由于 F-P 腔 LD 只有一个控制电极，不能在调制光波频率的同时使光强固定不变，必须通过复杂的控制方式来稳定光强。采用 DBR LD 的正弦相位调制干涉仪，由于消除了光强变化的扰动，且波长连续调制范围的增大有效地提高了干涉系统的分辨力，计算表明此方法能实现亚纳米精度的干涉测量。

　　4 结 论

　　正弦相位调制干涉仪中采用 DBR LD 能实现较大范围的波长连续调制，比用 F-P 腔 LD 大一个数量级;对 DBR LD 激活区注入电流的简单反馈控制可有效地稳定正弦相位调制干涉仪中光强随相位的变化。

　　参考文献:

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　　[2] Suzuki T, Matsude M, Sasaki O, et al. Laser-diode interferometer with a photothermal modulation[J]. Appl. Opt,1999,38(34):7069-7075.

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　　[5] Casey H C, Panish M B Jr. Heterostructure lasers, part A[M]. New York: Academic Press, 1978.

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　　作者简介：列光华(1963-)，男(汉族)，广东高州人，副教授，主要从事光学技术研究。

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