自动驾驶欲“抛弃”激光雷达?窄线宽半导体激光器来救场

感知智能汽车是最关键的技术之一。激光雷达曾被称为自动驾驶的眼睛，但近年来因其距离限制、识别速度有限、出场费过高等缺点逐渐被诟病。汽车公司已经采用毫米波雷达实现全自动驾驶。激光雷达只是被遗弃的

新型全固态激光雷达具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优点。可以满足未来智能汽车的需求。作为全固态激光雷达的理想光源，其技术的进步和发展可以极大地提高全固态激光雷达的实用化进程。

1导言

1.1研究背景

社会正在迎来智能出行的时代，智能汽车的发展对检测技术的精度要求越来越高，迫切需要发展高精度的雷达技术。

传统的高精度雷达技术，如微波雷达、毫米波雷达等，探测精度低、体积大、重量大，不适合智能汽车。而全固态激光雷达具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优点，可以满足未来智能汽车对高精度探测技术的需求。

窄线宽半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、直流驱动、谱线窄、相干性好等优点，是新一代高精度全固态激光雷达的理想光源。窄线宽半导体激光器通常在谐振腔内集成一个选频结构或在激光腔外耦合一个选模器件，以控制不同波长的增益损耗，达到压缩其光谱线宽的目的。

1.2国内外研究动态和现状

缩小半导体激光器线宽的方法主要分为两类：内腔光反馈法和外腔光反馈法。随着全固态激光雷达技术的快速发展，需要进一步提高扫描速率、探测距离和成像清晰度。这些改进还需要改善半导体激光器的光谱特性，如减小激光器线宽、抑制低相位噪声和低相对强度噪声等。缩小激光器的线宽特性可以提高光束的传输距离和成像清晰度。减小半导体激光器线宽的方法主要包括提高输出功率、减小线宽增强因子和减小激光器的固有线宽。

目前在窄线宽半导体激光器研究领域具有国际代表性的研究机构和公司有：德国费迪南德布劳恩研究所和德国莱布尼茨高频技术研究所。FBH)、德国DILAS公司、美国普林斯顿大学贝尔实验室、法国III-V实验室、日本东北大学、爱尔兰都柏林大学。等等。在腔内光反馈技术方面，各个研究机构已经成功地将半导体激光器的线宽降低到了10 kHz。2016采用新型外延芯片结构和新型光栅制备技术。2016年，德国卡塞尔大学[1]提出了高质量的量子点分布反馈(distributed feedback，DFB)半导体激光器，成功地将激光线宽降低到了10 kHz。随后，芬兰坦佩雷大学[2]通过纳米压印技术制作了侧面耦合表面光栅DFB激光器，实现了28.9 mW的激光功率和10 kHz的线宽。在外腔反馈技术方面，德国FBH研究所[3]提出使用DFB激光芯片和集成共焦法布里-珀罗腔(F-P F-P)谐振腔组成谐振反馈谐振腔，可以实现50 mW的输出功率，洛伦兹线宽仅为15.7 Hz，是目前国际上的最高水平。

我国窄线宽半导体激光器的研究比国外研究机构稍晚。主要研究机构有：北京大学、浙江大学、中科院半导体所、中科院长春光学精密机械与物理研究所、中科院上海光学精密机械研究所等。在腔内光反馈技术方面，国内研究机构已经成功将半导体激光器的线宽降低到kHz量级。中国科学院半导体研究所[4]报道了一种基于单片集成非对称相移DFB激光器的窄线宽激光模块，实现了1550 nm的激发波长，26 mW的激光功率，最窄线宽35 kHz。在外腔光反馈技术方面，中国计量科学研究院[5]采用高精度双镜共焦利特曼结构，成功地将外腔半导体激光器的激光线宽降低到100 Hz，瞬时洛伦兹线宽降低到30 Hz。

我们的研究团队研究、设计并制作了具有宽高阶光栅的分布式布拉格反射器(DBR)激光器[6]。该DBR激光器实现了稳定的单纵模激光输出，3 dB谱线宽度小于0.04 nm (13.13 GHz)，输出功率为213 mW。边模抑制比达到42 dB。然后提出了基于增益耦合机制的浅表面刻蚀高阶光栅分布反馈半导体激光器[7]。这种高阶光栅DFB半导体激光器实现了单边144 mW高功率单纵模激光输出，3 dB线宽为0.04 nm (12.62 GHz)，边模抑制比SMSR为29 dB。

1.3本章介绍

本文详细介绍了各种新型窄线宽半导体激光器的设计思想、关键技术和光学特性。第二节介绍了基于内腔光反馈的窄线宽半导体激光器的研究进展，包括分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器和耦合腔半导体激光器。第三节介绍了基于外腔光反馈的窄线宽半导体激光器的研究进展，包括体全息光栅(VHG)、体布拉格光栅(VBG)、法布里-珀罗腔平面波导、光纤光栅等外腔半导体激光器。第四节做了总结。

2、内腔光反馈窄线宽技术

基于腔内光反馈技术的窄线宽半导体激光器通常采用集成布拉格光栅或特殊波导结构的方案。集成布拉格光栅方案按其分布位置可分为分布布拉格反射半导体激光器和分布反馈半导体激光器，以及耦合腔半导体激光器等特殊波导方案。

因此，结构紧凑的高功率窄线宽半导体激光器是目前世界各国研究人员的热点，在提高空间探测和空间通信能力方面发挥着重要作用，其中DFB半导体激光器和DBR半导体激光器是实现窄线宽半导体激光器的重要手段。

2.1分布反馈半导体激光器

分布反馈激光器通常在整个谐振腔中分布布拉格光栅结构，主要起到光反馈的选模和增益作用[8]。其结构如图1所示。这类激光器具有优异的光谱特性和高速调制特性，使其广泛应用于高精度探测、光通信等领域[9]。DFB激光器的研究始于20世纪70年代。1971年，贝尔实验室[10]提出了分布反馈激光器的概念。次年，他们利用电磁场耦合模理论分析了DFB激光器的工作原理和特性。1973年，Nakamura等人[11]通过用光泵浦GaAs基光栅结构的表面实现了第一台DFB激光器。随着半导体外延技术的进步，世界各国的研究人员不断开发新的光栅技术。已经开发了各种新的DFB激光器。根据光栅构建方式的不同，DFB激光器可分为两类：(1)在有源区周围构建光栅的再生长DFB(RG-DFB)半导体激光器；(2)在外延芯片的P面光波导表面或侧壁上直接刻蚀光栅，形成表面光栅DFB半导体激光器。

1.

二次外延分布反馈激光器通常采用二次外延技术：当MOCVD工艺完成后，停止生长过程，取出一次生长芯片。通过光刻和刻蚀的方法在N型或P型波导层上构建一组低折射率光栅结构，然后将芯片放入外延设备中继续生长过程。这种二次外延光栅分布在有源区附近，有利于光栅与光模场的高效耦合，可以有效降低散射损耗，提高耦合效率。

满足原子光抽运、原子钟、德布罗意波干涉仪(陀螺、重力仪、梯度仪、加速度计)和全固态激光器等应用对近红外波段(760~890 nm)大功率窄线宽半导体激光器的要求。2006年，Ferdinand Braun Institute和Leibniz Institute of High Frequency Technology(FBH)采用金属有机气相外延(MOCVD)技术研制了室温下工作的宽带DFB激光器，并通过全息光刻和湿法刻蚀技术制作了二阶布拉格光栅，实现了激光波长为808 nm、激光功率为3 W、谱线宽度为0.6 nm (275.7 GHz)的单纵模激光输出[12]。从2012年到2014年，该研究所[13，14]报道了一种采用二次外延技术的780 nm波段脊波导RG-DFB激光器。通过优化谐振腔长度和光栅耦合系数，获得了波长为780 nm、频率为35 kHz、功率为279 mW的激光输出。

为满足894和852 nm半导体激光源对铯原子D1和D2线泵浦的要求，法国III-V实验室提出了采用二次外延技术的大腔结构DFB激光器[15，16]，激光波长为852 nm，激光功率为110 mW@50 mA，边模抑制比超过50 dB，洛伦兹线宽仅为200 kHz。它可以满足铯原子D2线泵浦的需要。2016年，实验室和瑞士纽卡斯尔大学提出了脊波导DFB激光器，通过MOVPE二次外延技术在P的包层中构建了一组50 nm厚的InGaAsP光栅(周期为273.5 nm)。实现了腔长1.5毫米、宽度4微米的脊波导DFB激光器。激光波长894.4 nm@66.4，激光线宽797 kHz，激光功率40 mW@160 mA，SMSR超过50 dB [17]可以满足原子钟设备中铯原子的D1线泵浦要求。

为满足相干光通信和光纤通信等应用对1064和1550 nm波段窄线宽高效半导体激光器的需求，2010年，德国FBH研究所[18]采用二次外延技术构建了耦合系数为2cm1的二阶光栅结构，研制出激光功率为150 mW的1064 nm波段脊波导DFB激光器。同时，获得了22 kHz的最小固有线宽。随后，法国III-V实验室[19]研制出非对称包层外延结构和稀释波导技术的DFB半导体激光器，激光功率为180 mW @ 25c，通过温度调节实现了9.7 nm的调谐范围，SMSR55 dB，相对强度噪声(RIN) 160 dB/Hz，线宽小于300 kHz。

2.1.2表面光栅分布反馈半导体激光器

随着半导体外延生长技术和刻蚀技术的进步[20]，特别是电感耦合等离子体刻蚀技术的提高，研究者越来越重视基于等离子体刻蚀技术的表面光栅分布反馈半导体激光器的研究工作。SG-DFB激光器可分为大面积光栅分布反馈(大面积光栅DFB)、BA-DFB激光器和横向耦合分布反馈(LC-DFB)激光器。这两种激光器分别在外延片的P面波导表面和波导侧壁构建深刻蚀(1微米)表面光栅，可以保证波导中的光模场与光栅充分耦合和反馈，通过散射效应抑制高次模，实现波导中的单模振荡。可以达到选择频率和减小激光线宽的目的，并且可以有效避免第二次外延工艺可能引入的芯片结构缺陷。可以提高芯片的可靠性和成品率，简化DFB激光器的制作工艺，从而实现高可靠性的窄线宽激光输出。开发这两种激光器的困难在于

芬兰坦佩雷理工大学的杜米特雷斯库等人[21]报道了一种基于紫外纳米压印技术的LC-DFB激光器，并开发了一种波长为894 nm的LC-DFB激光器，实现了9 mW的功率和878 kHz@180 mA的线宽。边抑制比为35 dB的窄线宽激光器，其器件性能接近同期双外延DFB激光器，是低成本DFB激光器的理想技术方案，使LC-DFB更容易集成到大规模光电器件中。2018年，芬兰坦佩雷大学的Virtanen等人[2]提出了窄线宽DFB激光器，采用纳米压印技术制作了结合脊波导结构的三阶侧面光栅，获得了波长780 nm、激光功率28.9 MW @ 300 Ma、SMSR 40db、线宽10 kHz的窄线宽输出。该技术适用于制造低成本小型化原子钟泵模块。

550 nm波段高功率、窄线宽单模DFB半导体激光器在激光雷达、自用空间通信等应用中具有巨大的潜力。为了简化1550 nm波段DFB激光器的研制过程，2012年，Glasgow大学[22]报道了一种新型的侧向耦合DFB激光器，采用DFB-LD，结合CurvedWG和Tilt aredWG，研制出窄线宽侧向耦合集成锥形半导体放大器的DFB激光器，实现了波长1550 nm，功率210 mW，线宽仅64 kHz，SMSR大于45 dB的激光输出。2015年，中科院半导体所刘建国团队[4]报道了一种基于单片集成非对称相移DFB激光器的窄线宽激光模块，实现了激光波长1550 nm，最大输出功率26 mW@200 mA，最窄线宽35 kHz@150 mA。

2013年至2014年，加拿大渥太华大学的Dridi等人[2325]利用分步光刻技术沿脊波导侧壁制作了三阶光栅结构，并开发了多种N段电极侧面耦合DFB激光器，获得了中心波长1560 nm，SMSR 52 dB，波长调谐范围3 nm，输出功率6 mW，窄线宽小于170 kHz @ 2014。

为了进一步减小侧面耦合DFB半导体激光器的光谱线宽，国外研究人员提出了基于量子点激光芯片的DFB激光器技术方案。2016年，德国卡塞尔大学的Bjelica团队[1]提出了一种高质量的量子点激光生长技术，结合传统的DFB光栅耦合谐振腔结构，研制出激光线宽仅为10 kHz。输出功率为12兆瓦的QD-DFB激光器。2018年，法国巴黎萨克莱大学[26] 26]报道了一种新型的InAs/InP量子点DFB半导体激光器，具有低反转因子和低线宽增强因子的特点，可获得低温敏感窄线宽(160 kHz)激光输出。同时采用双面镀膜减反射膜设计。

目前，DFB半导体激光器主要研究RG-DFB激光器和SG-DFB激光器。这两种结构的共同点是布拉格光栅结构分布在整个谐振腔中，主要起到光反馈选模和增益的作用。RGDFB激光器通常在N型或P型波导层生长后采用二次外延技术。通过光刻和刻蚀的方法在N型或P型波导层上构建一组低折射率光栅结构，然后将芯片放入外延设备中继续生长过程。这种二次外延光栅分布在有源区附近，有利于光栅与光模场的高效耦合，可以有效降低散射损耗，提高耦合效率，实现频率选择和线宽压缩。然而，二次外延技术可能在芯片结构中引入缺陷。芯片的可靠性和产量受到影响。SG-DFB激光器是通过在外延片的P面光波导表面或侧壁直接刻蚀光栅，实现表面光栅分布反馈的半导体激光器。它可以保证波导中的光模场与光栅充分耦合，通过散射效应抑制高次模，从而实现波导中的单模振荡。SG-DFB研制的难点是光栅结构的设计和制备，要充分考虑光栅基本参数对激光器性能的影响。

2.2分布式布拉格反射半导体激光器

分布式布拉格反射激光器的谐振腔(示意图如图2所示)通常由集成在端面上的反射光栅结构和增益区组成，类似于法布里-珀罗(F-P)腔。在增益区的一端或两端构造无源布拉格光栅，代替F-P激光器一端或两端的腔面反射镜，光栅结构只起反射镜的作用。由于光栅结构对满足布拉格条件的光模有很强的反射作用，通过优化光栅区域的耦合系数，可以获得理想的最大反射率和反射光谱宽度，实现DBR激光的单纵模和窄线宽。

图二。DBR激光器示意图

在自由空间相干光通信等应用中，需要1064 nm波段的窄宽度半导体激光源。2010年，德国FBH研究所[31]利用6阶表面布拉格光栅研制出1064 nm波段4微米宽、腔长4 mm的DBR结构激光器，实现了180 kHz@180 mW的线宽、2 kHz的固有线宽、65 mA@25的阈值电流和0。

根据高性能光纤激光器对975 nm窄线半导体激光泵浦源的需求，美国伊利诺伊大学的Coleman等人[32]通过在宽波导(40微米)表面刻蚀光栅，研制出腔长1.5 mm的974.8 nm DBR激光器。激光功率为500 mW，激光线宽为350 kHz，SMSR为40 dB。然后德国FBH研究所[33]利用普通紫外光刻和反应等离子体刻蚀技术制备了80阶表面光栅DBR激光器，实现了激光功率6 W，电光转换率50%，光学参量积1.8 mmmrad，激光线宽仅为0.41 nm (130.7 GHz)

窄线宽红色激光(620~650 nm波段)是激光光谱学、相干测量和全息技术的重要光源。为了满足这种需求，德国FBH研究所[34]提出了633 nm波段的窄线宽DBR激光器。激光腔的总长度为2 mm，脊增益区为1.5 mm，光栅区为0.5 mm，实现了10 mW@150 mA的激光功率，0时谱线宽度为50 mW，激光线宽为20 dB。该技术可以替代传统的全固态激光器作为量子信息的实验光源。通过减小光源模块的体积，可以有效提高量子信息系统的小型化程度。

550~620 nm黄光激光广泛应用于大气测量和生物医学领域。目前，1180 nm波段LD泵浦全固态激光器的方案主要用于产生黄光。为满足这一需求，芬兰坦佩雷理工大学[36]提出了宽调谐DBR激光器，采用三阶表面梯形光栅结合脊波导结构设计，避免了二次外延生长的问题。同时提高了器件的边模抑制比，实现了激光线宽500 mW，SMSR超过50 dB，连续工作2000 h不退化的高性能激光输出。

目前，窄线宽分布布拉格反射半导体激光器主要采用表面布拉格光栅结构作为反射镜来实现选频。通过合理设计光栅结构参数，可以获得理想的光栅反射率、反射率半宽和光栅中光波的相位变化等光电特性，实现窄线宽输出的DBR半导体激光器。与传统的多外延DBR激光器相比，这种表面DBR激光器避免了不同位置波导间耦合效率低的问题，降低了制备工艺的复杂性，提高了DBR激光器的应用价值。

2.3耦合腔半导体激光器

20世纪80年代，贝尔实验室的研究人员提出了耦合腔激光器，利用一个或多个深槽将两个或多个谐振腔耦合起来，实现单模激光输出。起初，两个腔面非常接近的F-P腔激光器焊接在同一个热沉上，芯片间隙相当于一个很深的刻蚀槽。通过这种凹槽的耦合效应，实现了线宽500 kHz的窄线宽激光器[37]。之后，Branna电子公司、都柏林大学、格拉斯哥大学、浙江大学等机构的研究人员进一步改进了这种结构，分别开发了基于单刻槽和周期刻槽的耦合腔激光器

2011年，爱尔兰Blana光电公司和瑞士纳沙泰尔大学[38]提出了分离模式半导体激光器。通过在脊形波导上刻蚀多个深槽引入折射率微扰，增强了一个F-P模式，损失了其他模式，从而获得了单纵模激光输出。激光波长为780 nm，光谱线宽仅为2 MHz。在此基础上，Blana光电公司和都柏林城市大学[39]联合开发了一种宽工作温度范围的分模半导体激光器，可以在0到85的温度范围内保持单纵模。2018年激光线宽250 kHz，SMSR 40db，输出功率约4 MW。该公司[40]还报道了一种单片集成单模红色半导体激光器，采用分模结构，实现了激光波长689 nm，激光功率10 MW，SMSR 40db，光谱线宽2 MHz，0~50无跳模输出。

2014年，爱尔兰都柏林大学的Abdullaev等人[41]报道了一种弯曲波导缝隙DBR单模激光器，实现了稳定的单模输出，洛伦兹线宽720kHz @ 160mA，SMSR 50db。2017年，廷德尔国家研究所的杨等人[42]提出了一种新型的多模干涉波导(MMI)激光器。通过将12 MMI与泪珠形反射波导耦合，在1562.5 nm波段获得了25时线宽为75 kHz、SMSR为30的单模激发，环形波导半径为150微米米

为了满足光通信领域对低成本1550 nm半导体激光器芯片的需求，都柏林三一学院[43]提出了基于狭缝光栅结构的耦合腔半导体激光器。在1569 nm处实现了边模抑制比为50 dB的单纵模激光输出。何建军教授浙江大学的s研究组[4446]研制了多种窄线宽耦合腔半导体激光器，其线宽仅为80 kHz，SMSR为38 dB。

外腔光反馈窄线宽技术

外腔光反馈技术(external cavity optical feedback technology，ECL)是基于外腔光反馈技术的一种窄线宽半导体激光器，利用外部光学元件对半导体激光器芯片输出光的频率进行反馈和选择，增加谐振腔的有效长度，提高激光谐振腔的Q值，减小激光线宽。由于它采用无源光学元件进行选频和光反馈，更容易实现低相位噪声和高温度稳定性，是空间相干通信、相干探测、高精度传感等应用中的理想光源。

ECL可以有效避免内腔集成光栅的光波衍射和散射损耗，但对外部光学选频元件的耦合光路和工作环境的稳定性要求较高，其中外部光学选频元件作为ECL的核心器件，主要包括：(1)采用激光全息技术在特殊光敏玻璃中制作的体全息光栅、体布拉格光栅等衍射光栅元件；(2)利用飞秒激光技术加工的低损耗F-P波导、镀膜反射镜和光纤光栅波导。

3.1外腔光栅反馈半导体激光器

以衍射光栅为反馈元件的外腔激光器通常采用Littlerow或Littman结构[47]。这两种外腔激光器的谐振腔通常由半导体激光器芯片、光学透镜或反射镜、闪耀光栅或全息光栅组成，其结构示意图如图3所示。利特罗ECL通常由半导体芯片、光学透镜和衍射光栅组成。通过改变光栅角度，将特定波长光波反馈到半导体激光器芯片，大大增加了其他波长光波的衍射损耗，同时改变了谐振腔的整体长度，从而实现波长稳定的窄线宽激光输出。利特曼结构ECL通常由半导体芯片、光学透镜、衍射光栅和反射镜组成，其中反射镜充当调谐器，光栅是固定的。通过改变反射器的角度，入射光沿着入射光路返回。光波经光栅二次衍射后，边模抑制比大大提高，激光线宽进一步变窄。但是，它的结构比利特罗结构ECL复杂，导致功耗高，不易实现

由于利特罗结构外腔半导体激光器可以获得窄线宽输出和相对较高的输出功率，因此引起了研究者的广泛关注。汉诺威大学、耶拿大学[48]、土耳其苏莱曼德米雷尔大学、澳大利亚国立大学等许多科研机构都对此做过研究报告。2016年，澳大利亚国立大学的Shin等人[49]提出使用具有单侧倾斜光的增益芯片和闪耀光栅(1200线/mm)形成利特罗-ECL。获得了300 mW@600 mA的输出功率、1080 nm波段100 nm的宽调谐、4.2 kHz@22.5 ms的洛伦兹线宽和优异的波长稳定性(40 kHz@11 h)。同年，苏莱曼德米雷尔大学[50]采用了边缘稳定技术。实现了主动稳频ECL，波长调谐范围为60 nm (10001060 nm)，线宽从160 KHz变窄到400 Hz。随后，苏莱曼德米雷尔大学[51]创新性地采用超低腔反射率(0.005%)的增益芯片结合双利特罗结构，实现了双纵模激射ECL。获得了120 nm的波长调谐范围(覆盖14701590nm)。这种双波长光源适用于光学传感、太赫兹波源、成像、双波长干涉仪、光开关、波分复用等应用。

北京大学、厦门大学、华中科技大学、中国科学院上海光机所[52]等国内机构也对利特罗-ECL进行了深入的研究。2007年，北京大学陈等人[53]利用商用半导体激光管建立了Litrow-ECL，线宽为3 GHz，波长为780 nm。同时稳定性提高到1012的量级。2017年，车凯君厦门大学s研究组[54]报道用平行光栅线和GaN基增益芯片节面构建Littrow结构ECL，将激光线宽从1 nm降低到0.1 nm (151 GHz)，放大自发辐射抑制比降低到35 dB，实现了输出功率1.24 W，可调谐带宽3.6nm(443.9447.5nm)，中心波长外腔耦合效率80%的高功率蓝光激光器。同年，华中科技大学左独洛团队[55]报道了一种线宽更窄的蓝色利特罗-ECL，实现了最大激光功率500 mW，激光线宽50 pm (75.7 GHz)，可调范围2 nm，SMSR

为了进一步窄化激光线宽，中国科学院上海光机所、中国计量科学研究院等国内单位开展了利特曼外腔半导体激光器的研究。2009年，蔡中国科学院上海光学精密机械研究所的团队[56]研究了Littman-Metcalf外腔半导体激光器的偏振特性。通过旋转ld芯片，改变LD光束的横向电场方向与光栅线之间的夹角来表征ECL的偏振特性。团队发现，当ld光束的横向电场方向平行于光栅槽时，ECL的输出激光束具有线偏振特性，线偏振率为100；当ld的横向电场方向与光栅槽成一定角度时，ECL输出激光束处于左椭圆偏振态。同时，提出了ECL输出光束的偏振态方程，不仅为高偏振性能ECL的研究提供了理论支持，也有助于开发圆偏振或椭圆偏振输出的ECL激光器。2012年，中国计量科学研究院赵阳等[5]报道了一种新型100Hz窄宽度外腔半导体激光器，采用高精度双镜非共焦腔Littman结构。成功地将ECL的激光线宽降低到100 Hz，瞬时洛伦兹线宽降低到30 Hz，激光相位噪声显著抑制到50 dB。

除了Littrow和Littman外腔激光器，还有直接使用体光栅(体全息光栅和体布拉格光栅)作为光反馈元件的外腔激光器。2009年，赫尔辛基工业大学的Heita等人[57]报道了一种基于体全息光栅的长腔长外腔半导体激光器。其总腔长为68 mm，谐振腔长度增加到15 mm，大大提高了其品质因数q，结合VHG的选频功能，635 nm波段的高斯线宽为900 kHz，边模抑制比为35 dB。2013-2017年，德国FBH研究所和德国洪堡大学[58，59]对780和1064 nm波段体全息布拉格光栅(VHBG)外腔激光器开展了大量研究。研制了一台ECDL-莫帕激光器组件，在1.5A时获得了575 mW的输出功率，激射波长为1064.49 nm，FWHM频率为30 kHz，SMSR频率为45 dB。

3.2外腔波导反馈半导体激光器

基于外腔波导反馈技术的窄线宽激光器，通过耦合外部低损耗波导或光纤光栅波导(如图4所示)，可以增加激光腔的长度，提高激光腔的Q值，从而达到减小激光器线宽的目的。在实现窄线宽激光输出方面具有良好的性能。

图4。4的示意图。利特罗结构和利特曼结构外腔半导体激光器结构

使用外置低损耗波导作为光反馈元件，可以有效减小半导体激光器的线宽，获得低噪声的光谱特性。马里兰大学和Redn集成光学公司开发了平面波导外腔激光器(PW-ECL)。可以显著降低ECL的频率噪声和强度噪声，在1542 nm波段获得窄线宽(2 kHz)输出，同时激光功率达到10 mW。同时，中国计量科学研究院[61]也报道了一种集成的法布里-珀罗腔(MFC)代替了传统的外腔镜，ECL谱线宽度仅为6.8 kHz。

随着硅基光子学的发展，研究人员开始关注利用硅基低损耗波导作为反馈元件的外腔半导体激光技术。2015年，加州大学圣巴巴拉分校[62]提出了宽调谐窄线宽单片集成外腔半导体激光器。使用腔长为4 cm的低损耗硅基波导作为光反馈元件。通过控制外腔元件的光反馈，在O波段实现了54 nm的宽调谐范围，同时显著减小了激光器的线宽。在调谐范围内，均在100 kHz以下，最低线宽可达50kHz。2017年，康奈尔大学和哥伦比亚大学[63]联合报道了一种基于低损耗硅基环形波导结构的外腔激光器。利用高Q值微谐振腔的窄带反射特性，采用环形波导，可以避免激光模式反馈，激射波长为1550 nm，激光线宽为13 kHz，输出功率为1.7 mW。

为了获得更低噪声的外腔激光器，研究机构如美国普林斯顿大学、德国FBH研究所、日本东北大学等。采用外腔晶体作为光反馈元件实现低噪声输出。2010年，普林斯顿大学[64]利用ZnSe楔形晶体作为半反射镜提供光反馈，实现了线宽仅为480 kHz的单纵模激光输出(功率高达40 mW)。随后，德国FBH研究所[3]提出用DFB激光芯片和集成共焦法布里-珀罗谐振腔组成谐振反馈谐振腔，可实现功率50 mW，洛伦兹线宽仅为15.7 Hz，超低噪声(白噪声级为5 Hz2/Hz)输出。其噪声水平比普通DFB激光器和外腔激光器分别低5和3个数量级。2015-2018年，日本东北大学Konosuke Aoyama团队[65，66]提出了降低单模半导体激光器线宽的相干光负反馈方法，通过外腔负反馈透镜从13.5 MHz优化到3 kHz。调频(FM)噪声的能量密度降低了35 dB，相对强度噪声低于- 140 dB/Hz。该系统能保持窄线宽和稳定输出一小时以上。

近年来，国内许多研究机构如上海光机所[67，68]和中科院半导体所[69，70]逐步开展了光纤波导外腔半导体激光器的研究，采用光纤光栅波导反馈技术将半导体激光器的激光线宽缩窄到10 kHz。其中，中科院上海光机所费阳等[67]报道了一种基于布拉格光栅法布里-珀罗腔光纤波导结构的1550 nm波段自注入锁定ECL，实现了亚kHz固有线宽(洛伦兹线宽125 Hz)，相对强度噪声38 dB，线宽10 kHz，达到国际领先水平。

目前外腔反馈半导体激光器的研究主要有基于低损耗波导和光纤光栅波导结构的Littrow或Littman衍射光栅反馈外腔半导体激光器和外腔波导反馈半导体激光器。这两种外腔反馈激光器都使用外部光学反馈元件来选择激光频率和压缩激光线宽。线宽可以达到kHz量级。外腔光栅反馈半导体激光器的优点是可以通过调节光栅位置来调谐波长。同时，由于光路耦合效率高，更容易实现高功率输出，应用前景更加广阔。

:总结和展望

半导体激光器正朝着高功率、窄线宽的方向快速发展。在腔内反馈技术方面，通过分别优化激光器芯片的外延结构和波导结构，获得了小于10 kHz的窄线宽激光输出。在外腔反馈技术上，通过新型光反馈元件的不断开发和光谐振腔的设计，可以实现100 Hz以下的超窄线宽激光。结合其体积小、重量轻、转换效率高、光谱范围宽的特点，将广泛应用于超高精度激光雷达、星间通信、相干光通信、激光光谱学、原子钟泵浦、大气吸收测量、光纤通信等领域。

目前，在我国窄线宽半导体激光器的研究领域，由于起步较晚、技术的限制和高端技术的封锁，我国与国外还有一定的差距。有必要进一步改善半导体激光器的功率和光谱特性。解决表面光栅的二次高质量外延生长技术和高深宽比刻蚀技术；攻克高精度光栅等光反馈元件制造的关键技术；迫切需要整合国内优势单位联合研发，突破关键技术，实现高功率窄线宽半导体激光器的自主研发。