分布式布拉格反射镜（DBR）

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分布式布拉格反射镜（DBR）：光学器件的“千层镜”

‌在光电子和半导体器件领域，‌分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector, DBR）‌ 是一种基于光学干涉原理的高效反射器件。它的核心功能是像“光学筛子”一样，对特定波长的光实现接近100%的反射，同时对其他波长“透明”。这种特性使其成为激光器、光通信和光子芯片中不可或缺的组件。

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‌一、结构与工作原理‌

‌1. 周期性层状结构‌
DBR由两种不同折射率的材料（如GaAs/AlAs、SiO₂/TiO₂）交替堆叠而成，每一层的厚度为‌目标波长在材料中的四分之一‌（即满足λ/4n，其中n为材料折射率）。例如，若设计用于1550 nm光通信波段的DBR，每层厚度需按对应材料的折射率精确计算。

‌2. 布拉格反射原理‌
当光入射到DBR时，每一层界面处会发生部分反射。由于层厚满足四分之一波长条件，这些反射光在特定波长（‌布拉格波长‌）下会发生‌相长干涉‌，而其他波长的光则因相位差相互抵消。最终，DBR像“光学多米诺骨牌”一样，将所有界面的微小反射叠加为极强的总反射（如图1所示）。

‌公式简化版‌：布拉格波长满足
λBragg=2(n1d1+n2d2)λBragg​=2(n1​d1​+n2​d2​)
其中，n1,n2n1​,n2​为材料折射率，d1,d2d1​,d2​为对应层厚。

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‌二、核心特性‌

• ‌高反射率‌：
  通过增加层数（通常10-30对），反射率可达99%以上，接近理想反射镜。
• ‌窄带宽‌：
  仅对布拉格波长附近的光高效反射，带宽由材料折射率差决定（Δn越大，带宽越宽）。
• ‌低损耗‌：
  与金属反射镜相比，DBR无吸收损耗，尤其适用于高功率激光器。
• ‌角度敏感性‌：
  入射角变化会导致布拉格波长偏移，需在设计中考虑应用场景的入射条件。
  

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‌三、典型应用‌

• ‌垂直腔面发射激光器（VCSEL）‌：
  上下DBR构成激光谐振腔，迫使光子垂直震荡，实现低阈值电流和高光束质量。
• ‌光纤光栅与滤波器‌：
  在光纤通信中筛选特定波长，提升信号传输效率。
• ‌太阳能电池‌：
  通过反射未被吸收的光子，延长光程以提高转换效率。
• ‌量子阱器件‌：
  与量子结构集成，调控光与物质的相互作用，用于单光子源等前沿领域。
  

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‌四、优势与局限‌

• ‌优势‌：
  
  • 可定制波长、高反射率、低热损耗。
  • 兼容半导体工艺，易于集成到芯片中。
    
• ‌局限‌：
  
  • 反射带宽较窄，对波长漂移敏感。
  • 多层堆叠工艺复杂，成本较高。
    
  
  

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‌五、未来展望‌

随着超材料与纳米加工技术的发展，DBR正朝着‌超薄化‌和‌多功能化‌方向演进。例如：

• 结合‌超表面‌设计，实现动态可调谐反射波长；
• 在‌拓扑光子学‌中构建新型光学腔，推动量子计算和传感应用。
  

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‌从激光笔到数据中心的光互联，从实验室的精密测量到太空卫星通信，DBR以“无声英雄”的角色推动着现代光学技术的进步。理解其原理，不仅是探索光子世界的一把钥匙，更是打开未来光电集成系统的大门。