CN101404382A - 外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法，半导体激光器有激光器光源、准直透镜、可调滤波器、全反射镜依次设置，激光器光源采用取样光栅分布布拉格反馈激光器。激光器光源采用取样光栅结构，输出谱线为梳状谱，峰值间隔由取样周期长度控制在5nm。可调滤波器自由光谱范围大于35nm，线宽小于1.2nm。激光器光源设置在温度控制器上，温度控制器用于调节激光器光源输出光谱的位置。波长调谐方法，是通过改变激光器光源和可调滤波器的波长对准位置来实现波长调谐。本发明具有输出波长覆盖范围大，输出谱线性能高，可控制性好，对生产工艺要求低的特点，因此具有很好的发展前景。

Description

外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法

技术领域

本发明涉及一种波长宽可调谐半导体激光器，特别是涉及一种用于光通讯领域的高性能外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法。

背景技术

宽可调谐半导体激光器是新一代密集波分复用系统以及全光网络中关键器件，是光电子器件发展的重点。目前光通信领域中主流的激光器光源仍然是DFB激光器(Distributed Feedback Bragg)，可调谐激光器要想取代DFB，除了性能上要和DFB激光器相当外，器件成本也必须合理。因此能否研制出高性能，低成本的宽可调谐半导体激光器决定了这一类型器件的市场前景。

目前可调谐激光器的实现技术较多，大体可以分为阵列激光器技术、可调谐垂直腔激光器、光集成器件技术以及外腔可调谐激光器技术。可调谐垂直腔激光器大多利用微机械技术改变激光器谐振腔长度，但这种激光器出光功率较低，且由于材料性能的限制，使其在长波长范围(1310到1550nm)的研制很困难。阵列型激光器通过将多个DFB谐振腔集成到一个阵列中从而得到宽的波长调节范围，这一技术的缺点主要在于各通道的合成以及由于1/N合成损耗造成的元件数N不能太多，各通道之间的窜扰也是这种激光器需要解决的问题。光集成器件如取样光栅布拉格反射激光器(Sampled-GratingDistributed Bragg Reflector，SGDBR)是将增益区和无源波导区集成在一个器件上，分别用来控制输出功率和输出波长，但其缺点是波长控制较为复杂，其性能易受生产工艺的影响，并且输出光谱质量较DFB激光器也还有一定的差距。而外腔可调谐激光器虽然波长切换的速度较慢，但其波长控制简单，输出光谱性能甚至好于DFB激光器，因此在波分复用系统备份光源领域具有很强的竞争力。

外腔激光器主要是以宽光谱光源(FP激光器或SOA)作为激光器的增益部分，外加滤波器构成反馈振荡形成激光器。常见的结构主要有三种：Littrow、Littman-Metcalf和双边结构。

图1为Littrow结构示意图。宽光谱管芯1输出光经准直透镜2入射到衍射光栅3，再沿原路反馈回管芯1形成振荡。沿中轴旋转光栅3改变光栅衍射角，激光器的输出波长就会发生相应的改变。但这种结构的缺点是仅改变了光栅的角度而没有改变激光器腔长，导致波长的非连续调谐。

图2的Littman-Metcalf结构则克服了这一缺点。在这种结构中，宽光谱管芯1的输出光经准直透镜2入射到固定位置的衍射光栅3，衍射光再经全反射镜4反馈回管芯形成振荡。通过改变全反射镜的位置，使衍射角和激光器腔长均发生改变，从而实现波长连续调谐。美国Iolon公司利用MEMS技术制作该结构可调谐激光器，利用梳状电极控制反射镜的位置实现了40nm的连续调谐范围(美国专利号：6,847,661，B2)。但该激光器结构复杂，对制作工艺要求高，成本较高，没能大规模商业应用。

图3所示为双边结构。宽光谱管芯1的输出光经准直透镜2入射到可调谐滤波器5，再经全反射镜4反馈回管芯形成振荡。这种结构较简单，技术上与管芯封装类似，有利于利用现有成熟技术降低成本，且可调谐滤波器5的选择范围较大，配置上较为灵活。包括日本NEC(JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.25，NO.8，P2226)和美国Intel公司(美国专利号：7,295,581，B2)在内等多家公司均采用这类设计。但以上的这些设计中输出光源部分均采用FP激光器或SOA等宽光谱光源，这样激光器的选模主要依赖于外部滤波器，这使得外部滤波器的配置很复杂。为实现高质量的大范围波长调谐，NEC和Intel公司的设计方案均采用了两套外部滤波器。如NEC采用液晶滤波器和标准平晶级联的方式，而Intel则是采用两套热调谐滤波器。这样造成激光器的准直调试较为困难，同时也对外部滤波器的工艺提出更高的要求。这些都不利于降低成本，实现大规模商用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用双边外腔结构，设计一种高性能，控制简单的新型外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法。

本发明所采用的技术方案是：一种外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法，半导体激光器包括有激光器光源、准直透镜、可调滤波器、全反射镜依次设置，所述的激光器光源采用取样光栅分布布拉格反馈激光器。

所述的激光器光源采用取样光栅结构，输出谱线为梳状谱，峰值间隔由取样周期长度控制在5nm。

所述的可调滤波器自由光谱范围大于35nm，线宽小于1.2nm。

所述的激光器光源设置在温度控制器上，所述的温度控制器用于调节激光器光源输出光谱的位置。

所述的的波长调谐方法，是通过改变激光器光源和可调滤波器的波长对准位置来实现波长调谐。

本发明的外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法，与现有其它方案相比具有以下特点：

1.激光器光源部分采用新型结构的DFB激光器——SGDFB，与目前广泛应用的DFB激光器相比，差别仅在于光栅部分由连续变为取样，及光栅部分被周期性的去除，因此其制作过程可以完全利用现有DFB激光器的成熟工艺。由于光栅被周期性调制使得其输出谱线也为周期性的梳状结构，通过改变温度可以使梳状谱线的位置整体发生移动，从而实现覆盖整个光谱范围。

2.外部滤波器配置灵活。与现有外腔激光器相比，由于激光器的光源SGDFB可以完成部分波长选择工作，因此对外部滤波器部分的要求大大降低，仅仅要求有大的自由光谱范围以及小于1.2nm的线宽。绝大多数商用可调谐滤波器均能满足这些要求，因此滤波器无需特别设计。此外，仅需要一个外部滤波器即可实现高性能的宽范围波长输出，有利于降低器件封装的复杂程度。

3.对工艺精度要求低。由于激光器输出是由SGDFB和外部滤波器共同决定的，对SGDFB激光器的要求仅仅是其输出谱线的峰值间隔小于5nm，对滤波器的要求仅是自由光谱范围大于40nm，线宽小于1.2nm。而其他参数对激光器性能几乎没有影响。这些要求较之其他的技术方案已大为降低，目前的工艺水平很容易满足。

4.波长控制性好。SGDFB激光器输出梳状谱线，通过改变激光器的温度使梳状谱线的位置整体发生移动。其改变量为0.1nm/℃。当调整外腔可调谐滤波器的滤出波长与其中一个峰值重合时，激光器将在这一波长上振荡加强从而实现该波长的输出。因此该激光器仅需两个控制单元。

5.激光器输出光谱质量高。因为激光器光源部分工作原理类似DFB激光器，其输出的梳状谱线宽很窄，再配合外部滤波器选模，因此激光器输出光谱具有很高的边模抑制比和很窄的线宽。

综上所述，利用本专利方法实现的可调谐半导体激光器具有输出波长覆盖范围大，输出谱线性能高，可控制性好，对生产工艺要求低的特点，因此具有很好的发展前景。

附图说明

图1是Littrow外腔激光器结构示意图；

图2是Littman-Metcalf外腔激光器结构示意图；

图3是双边外腔激光器结构；

图4是本发明外腔可调谐半导体激光器示意图；

图5是激光器光源结构示意图；

图6是取样光栅示意图；

图7是取样光栅分布布拉格反馈激光器输出谱线图。

其中：

1：宽光谱管芯    2：准直透镜

3：衍射光栅      4：全反射镜

5：可调滤波器    6：激光器光源

7：取样光栅      8：温度控制器；

Ls：取样周期     Lg：光栅长度

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的外腔宽可调谐半导体激光器及其波长调谐方法是如何实现的。

如图4所示，本发明的外腔宽可调谐半导体激光器，包括有激光器光源6、准直透镜2、可调滤波器5、全反射镜4依次设置。所述的激光器光源6设置在温度控制器8上，所述的温度控制器8用于调节激光器光源6输出光谱的位置。其中，如图5所示，所述的激光器光源6采用梳状输出谱线的取样光栅分布布拉格反馈激光器，即外腔激光器采用取样光栅分布布拉格反馈激光器(SGDFB)作为光源部分。所述的SGDFB采用取样光栅结构，如图6所示，是将传统DFB激光器的均匀光栅周期性的去除一部分。所述的取样光栅分布布拉格反馈激光器的输出谱线的峰值间隔由取样周期长度控制在5nm。

激光器光源6的输出谱线如图7所示，可以看到由于光栅的空间结构被周期性调制，导致其输出谱线的峰值也是周期性的，其周期由光栅的取样长度决定。当增加或减小温度控制器8的温度时，输出谱线的位置也将会整体向长波长方向或短波长方向移动。移动的距离与温度的关系大致为0.1nm/℃。在制作取样光栅7时，将峰值间隔控制在5nm左右，此时温度只需改变50℃就可以覆盖全部的波长范围。这样就避免使用较高的温度，从而使激光器光源6在整个温度范围内都保持较高的光谱质量；同时，应注意峰值间隔不宜过小，因为这会导致调谐范围太窄。另外需要注意的是，取样光栅7的端面反射会对激光器光源6的输出谱线产生负面影响，为满足需要其反射率应将到10^-4以下，因此所述的激光器光源6在解理成条形后应在两端面上镀制上增透膜。

由于图4所示的本发明的外腔可调谐半导体激光器的部分波长选择作用由激光器光源6完成，其对外部滤波器5的要求仅仅是具有大的自由光谱范围，事实上由于激光器光源6的增益谱很宽，所以可调滤波器5的自由光谱范围在很大程度上决定了整个激光器的调谐范围，在本实施例中，可调滤波器5自由光谱范围选择在35nm以上。此外由图7可以看出，激光器光源6输出谱为周期性的双峰结构，因此为保证本发明的外腔可调谐半导体激光器单纵模输出，可调滤波器5的线宽应小于双峰间隔，这一间隔大约在1.2nm左右，即，可调滤波器5的线宽小于1.2nm。

本发明的外腔宽可调谐半导体激光器的波长调谐方法，是通过改变激光器光源6和可调滤波器5的波长对准位置来实现波长调谐。

本发明的外腔宽可调谐半导体激光器，在组装前先用光谱仪测量激光器光源6输出谱线，根据波长移动的距离与温度的关系为0.1nm/℃，这样就可以确定波长和温度的对应关系；同时测量可调滤波器5，确定控制信号及其对应波长。波长调谐时，只要将激光器光源6的温度和可调滤波器5的控制信号对应同一波长，本发明的外腔可调谐半导体激光器就将输出这一波长的光。

Claims (5)

1.一种外腔宽可调谐半导体激光器，包括有激光器光源(6)、准直透镜(2)、可调滤波器(5)、全反射镜(4)依次设置，其特征在于，所述的激光器光源(6)采用取样光栅分布布拉格反馈激光器。

2.根据权利要求1所述的外腔宽可调谐半导体激光器，其特征在于，所述的激光器光源(6)采用取样光栅结构，输出谱线为梳状谱，峰值间隔由取样周期长度控制在5nm。

3.根据权利要求1所述的外腔宽可调谐半导体激光器，其特征在于，所述的可调滤波器(5)自由光谱范围大于35nm，线宽小于1.2nm。

4.根据权利要求1所述的外腔宽可调谐半导体激光器，其特征在于，所述的激光器光源(6)设置在温度控制器(8)上，所述的温度控制器(8)用于调节激光器光源(6)输出光谱的位置。

5.一种权利要求1所述的外腔宽可调谐半导体激光器的波长调谐方法，其特征在于，是通过改变激光器光源(6)和可调滤波器(5)的波长对准位置来实现波长调谐。

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