什么是法布里-珀罗激光二极管（Fabry-Perot Laser Diode）？

法布里-珀罗（FP）激光二极管是一种利用法布里-珀罗谐振腔来控制工作模式并实现波长稳定的激光二极管。FP 激光腔具有法布里-珀罗干涉仪的功能，其基本原理是多光束干涉。它是一种边缘发射激光二极管，能产生高度单色的激光输出。这种激光二极管可在 379 nm - 1610 nm 范围内发出多个不同波长的光，输出功率从 2 mW 到 1 W 不等。其紧凑的设计和精确的发射特性使其广泛应用于电信、传感和科学研究等领域。

法布里-珀罗激光二极管的构造

法布里-珀罗激光二极管由半导体材料制成，通常是砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）。激光二极管由若干层组成，包括发生光发射的有源区。其结构类似于 PIN 二极管，有源区夹在 p 型和 n 型半导体层之间。有源区是实现光增益的区域，从而产生激光输出。

与周围的 n 型和 p 型区域相比，激光二极管内的本征区域具有更高的折射率。这种较高的折射率可实现光的横向限制，有效地起到波导的作用，限制光沿着有源区传播。

法布里-珀罗激光二极管最简单的形式是由一个封闭在法布里-珀罗腔内的有源区组成。有源区的两端是相互平行并垂直于有源区长度的劈裂面。一个刻面是高反射镜（HR），另一个刻面是部分反射镜（PR）。这些刻面是通过精确切割半导体材料产生的，从而形成具有特定反射特性的表面。在 FP 激光二极管中使用法布里-珀罗谐振腔可以精确控制激光输出的纵向模式，从而产生高度单色的光束。

法布里-珀罗共振腔

法布里-珀罗谐振腔是一种光学结构，由两个部分反射镜组成，分别置于法布里-珀罗激光二极管增益介质的两端。只有频率与谐振模式相匹配的光子才能在腔内传播。这些光子在刻面之间经过多次反射，并被腔内的半导体增益介质放大。在这种设计中，激光二极管的两端会产生大量的光反射，而增益介质内的反射则微乎其微。

法布里-珀罗激光二极管的工作原理

在激光二极管上施加电压时，会产生注入电流。该电流使 n 区的电子和 p 区的空穴进入有源区并重新结合，从而产生光子。然后，这些光子通过受激发射过程激发其他光子的发射，从而产生相干激光输出。

谐振模式和输出光谱

在 FP 谐振腔中，只有能够在腔内形成驻波模式的特定波长才允许振荡。这些波长对应于激光波长一半的整数倍，并与腔体的尺寸相匹配。这一特性产生了 FP 共振频谱，它由一系列离散的谐振模式组成。

此外，只有增益介质光谱内的波长才会出现在输出中，而增益介质光谱代表的是激光器有源区有足够增益的波长范围。这意味着并非 FP 腔支持的所有谐振模式都会对激光输出做出实际贡献。

法布里-珀罗谐振器的谐振条件为

其中

n 是空腔内介质的折射率、

L 是空腔的长度、

m 是代表模式数的整数，以及

λ 是光的波长。

该等式表示光波在 FP 腔内发生建设性干涉并形成共振模式的条件。当两个反射镜反射波的路径长度差为波长的整数倍时，就会产生谐振模式。

根据谐振条件方程，可以确定 FP 激光二极管支持的允许波长或谐振模式。通过调整腔长或介质的折射率，可以实现不同的谐振模式。这样就可以控制激光二极管发射相干光的特定波长或频率范围。

FP 腔支持的输出激光波长数量是有限的，并由 FP 共振频谱和增益介质光谱的组合决定。属于增益介质光谱且具有足够增益的谐振模式将作为激光输出实际发射。FP 共振频谱和增益介质光谱的叠加定义了 FP 激光器输出的特定波长。

法布里-珀罗激光二极管的应用

法布里-珀罗（FP）激光二极管由于其精确的发射特性和紧凑的设计，在各个领域都有广泛的应用。FP 激光二极管的一些显著应用包括

电信： FP 激光二极管在光纤通信系统中发挥着重要作用，可用作光发射器和接收器。它们通过提供高度单色和聚焦的激光束实现远距离通信。
传感和计量： 在光纤传感器、干涉测量和光谱学中，它们用于精确测量距离、位移、应变和压力等参数。
光学数据存储： 它们是 CD、DVD 和蓝光驱动器等光存储系统的组成部分。它提供在光盘上读写数据所需的激光束。
生物医学应用： 在生物医学领域，FP 激光二极管可用于激光手术、组织分析、流式细胞仪和 DNA 测序。其相干和单色输出可实现精确和可控的医疗程序。
科学研究： FP 激光二极管广泛应用于研究实验室的光谱学、显微镜、激光诱导荧光和其他需要稳定光源的科学技术。