许多种应用都需要激光器系统的可调谐单频工作。在所有二极管激光器中，目前主要有四种配置可获得单频输出：外腔激光器（ECL）、分布反馈（DFB）、体全息光栅（VHG）和分布式布拉格反射镜（DBR）。通过使用光栅反馈，这四种配置都能单频输出。但是，每一种激光器使用不同的光栅反馈配置，这也影响着它们的性能特征，比如输出功率、调谐范围和边模抑制比（SMSR）。下面我们将讨论这四种单频二极管激光器的主要不同之处。

1）外腔激光器

  外腔激光器(ECL)是一种兼容大多数标准自由空间二极管激光器的多功能配置。这意味着ECL可根据内部激光二极管元件用在多种波长下。用一个透镜准直二极管的输出光，然后入射到光栅上（见图1）。光栅提供光反馈，并选择稳定的输出波长。通过合理的光学设计，外腔只能发射一个单纵模，使得单频激光器的输出有很高的边模抑制比（SMSR > 45 dB）。

图1：ECL激光器在增益芯片外面有一个光栅

  ECL的主要优势之一是它相对长的腔能提供极窄线宽（小于1 MHz）。另外，因为它可以集成多种激光器二极管，所以它是现在能提供蓝光或红光波长的窄线宽辐射的少数几种配置之一。ECL的调谐范围可能很大（大于100 nm），但是容易跳模，这些都非常取决于ECL的机械设计以及激光二极管的增透（AR）膜质量。

2）分布反馈激光器

  分布反馈（DFB）激光器（可选近红外和中红外的版本）的光栅集成在激光二极管结构内部（如图2）。这种紧靠有源区域耦合的波纹周期结构充当布拉格反射镜，选择一种单纵模作为激光激发模式。如果有源区域在布拉格频率附近的频率下有足够的增益，那么末端反射体就不需要了，所有的光学反馈和模式选择只依赖于布拉格反射镜。由于这种“内置”的选择，DFB可以在较宽的温度和电流范围内完成单频操作。要协助模式选择和改善制造成品率，DFB激光器常常在二极管结构中使用相位移动区。

图2：DFB激光器沿有源增益介质的长度上有一个布拉格反射镜

DFB的激发波长大约等于布拉格波长：  

其中λ是波长、neff是有效折射率、Λ是光栅周期。通过改变有效折射率，可调谐激发波长。这是通过调谐DFB激光器的温度和电流来完成的。

  DFB的调谐范围相对窄，在850 nm大约为2 nm，在1550 nm为4 nm，在中红外波段 (4.54 - 9.60 µm)至少2 cm-1。但是在调谐范围内，DFB能完成单频操作，这意味着无跳模连续调谐。由于这个特点，DFB成为现实应用中的一个受欢迎和主要的选择，比如用于电信和传感器。因为DFB的腔长度相对短，因此线宽一般在1 MHz到10 MHz之间。另外，光栅结构和有缘区域的紧密耦合导致它的最大输出功率比ECL和DBR激光器更低。

3）体全息光栅稳定型激光器

  体全息光栅(VHG)稳定型激光器也使用布拉格反射镜，但是它在激光二极管输出端的前面放了一个透射光栅（见图3）。因为该光栅不属于激光二极管结构的一部分，因此它可以从激光二极管进行热分离，从而改善器件的波长稳定性。光栅通常由一块折射率周期性变化的光致折射材料组成（通常是玻璃）。只有满足布拉格条件的光才能反射回激光腔内，这样可得到一个发射波长极其稳定的激光器。VHG稳定型激光器在更高功率处输出光的线宽与DFB相似，即，在一个较宽的电流和温度范围内波长固定。

图3：VHG稳定型激光器在有源增益介质外有一个体全息光栅

4）分布式布拉格反射体激光器

  类似于DFB，分布式布拉格反射体(DBR)激光器整合了一个内部光栅结构。但是，与光栅结构连续沿着有源区域（增益区域）的DFB激光器不同，DBR激光器的光栅结构置于该有源区域之外（如图4）。一般而言，DBR能够整合多种DFB中通常没有的、可具有更大控制和调谐范围的区域。例如，一个多电极DBR激光器可包括一个相位受控的区域，使用户除了调节光栅周期和激光二极管的电流之外，还能独立调谐相位。一起使用时，DBR能在很宽的调谐范围内提供单频工作。例如，高性能的样品-光栅DBR激光器的调谐范围达30 - 40 nm。不同于DFB的是，DBR的输出不是无跳模的；因此要小心控制所有输入，并维持温度。

图4：DBR激光器在有源增益介质的外面有一个布拉格反射镜

  与多电极DBR的复杂控制结构相比，还设计了只有一个电极的DBR简化版本。该单电极DBR消除了复杂的光栅和相位控制，但是牺牲了调谐范围。对于这种结构类型，调谐范围和DFB激光器类似，但是有随着施加电流和温度变化的跳模。尽管有跳模的缺点，这种单电极DBR在某些方面比DFB有优势，即，因为光栅不是沿装置长度连续分布的，因此它有更高的输出功率。DBR和DFB激光器有相似的激光线宽。目前Thorlabs仅供应单电极DBR激光器。

结论

  ECL、DFB、VHG和DBR激光二极管都在各自的设计调谐范围提供单频工作。相比DFB或DBR，ECL的设计波长范围选择更大。尽管容易跳模，但它是三种选择中线宽最窄的（小于1 MHz）。在合理设计的仪器中，ECL也可以有相当宽的调谐范围（大于100 nm）。

DFB激光器是四种中最稳定的单频可调谐激光器。它在整个调谐范围（小于5 nm）内提供无跳模性能，使之成为行业内最流行的单频激光器之一。由于连续光栅反馈结构的固有属性，它的输出功率最低。

  VHG激光器在某一温度和电流范围上提供最稳定的波长性能，并且可提供比典型DFB激光器更高的功率。这种稳定性使之成为OEM应用的理想选择。

单电极DBR激光器与DFB有相似的线宽和调谐范围（小于5 nm），但是，单电极DBR在调谐曲线上会产生周期性的跳模。