CN101593931B - 一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器，它包括一个无源谐振腔、增益波导2和无源波导3。仅有无源谐振腔的谐振波长的光波才能以最小的损耗在激光器中产生谐振。激光器存在一个调谐区，其折射率可以通过外界手段加以改变，从而改变激光器的谐振波长，实现波长调谐的目的。调谐区包括无源谐振腔的一部分第三波导11和无源波导3的一部分第一波导31，通过合适的选取第三波导11和第一波导31的长度，可以实现对无源腔谐振波长的调谐速率与对激光器的谐振波长的调谐速率一致，从而可以仅仅通过改变该调谐区的折射率，就可以实现对激光波长的无跳模调谐，而无需任何额外的同步调谐机制。

Description

一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种波长可调谐的半导体激光器。

背景技术

在干涉测量、光谱学、光通信等多个应用领域，都希望能得到无波长跳模的可调激光源。激光器一般通过调节谐振腔的光学性质来改变其输出波长，而当谐振腔光学特性连续调谐时激光器的激发模式有时会由一个波长突然跳跃到另一个波长，这就是所谓的跳模。以波长扫描干涉测量法为例，跳模对于距离测量的空间分辨率，位置精确度以及其他依赖于距离/深度的特性都会产生不利的影响。为了实现无跳模波长调节，当波长受到一个波长选择因素的影响被调谐时，必须使谐振腔的光程长度也被同步调节。以外腔可调激光器为例，当通过旋转衍射光栅对波长进行调节时，必须同时使它产生空间位移以保证总腔长中包含相同的波长数。

同由多个分立元件装配而成的外腔可调激光器相比，单片集成半导体可调激光器具有更多优点。它结构紧凑，成本低，而且更可靠，因为它没有任何可移动部件。一个常规的单片集成可调激光器通常包括一个多电极结构来实现无跳模调谐。图1是个已有技术的实例，一个半导体可调激光器由一个布拉格分布反射(DBR)光栅(波长调谐元件)，一个有源增益区(产生激光)，一个相移区(调节光学腔长)组成。用于电控的电极被沉积到这三部分的顶部。当DBR光栅的反射峰值波长被输入电流或负载电压调节时，为了防止随波长改变发生跳模，必须同时调整相移区。因此，为了实现无跳模波长调谐，就需要两个控制电路配合工作。对两个控制单元的同步要求使得设备的复杂性和成本都有所增加，并且由于激光器使用年限或者环境条件等因素的影响要保持同步是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器，它包括：无源谐振腔、增益波导和无源波导。其中，无源谐振腔由第三波导和第四波导组成，无源波导由第一波导和第二波导组成。无源谐振腔的第三波导和无源波导的一部分第一波导构成一个折射率可以人为改变的调谐区，通过改变调谐区的折射率，可以同时改变无源谐振腔的谐振波长和激光器的激射波长。通过选取第三波导和第一波导的长度，可以使得当调谐区折射率改变时，对无源腔谐振波长的调谐速率与对激光器谐振波长的调谐速率一致，从而实现无跳模调谐而无需任何额外的同步调谐措施。

进一步地，所述无源谐振腔为无源环形谐振腔，所述激光器为与该无源环形谐振腔耦合的带有增益波导的法布里-泊罗腔。

进一步地，所述无源谐振腔为无源环形谐振腔，所述激光器为与该无源环形谐振腔耦合的带有增益波导的环形谐振腔。

进一步地，所述无源谐振腔为无源法布里-泊罗腔，所述激光器为与该无源法布里-泊罗腔耦合的带有增益波导的法布里-泊罗腔。

进一步地，所述无源谐振腔和激光器的谐振腔等效腔长有一定差异，从而可以利用游标效应扩展激光器的自由光谱范围，从而实现单模工作并拓展调谐范围。

进一步地，所述的激光器中含有其它宽谱滤波元件，但其带小于所述无源谐振腔自由光谱范围的2倍，从而保证激光器实现单模工作。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：本发明仅利用单一调谐区就可以实现无跳模波长调谐，而无需任何与之配合的调谐区同步调谐。因此可以大大减小调谐控制电路和算法的复杂性，提高调谐速率。

附图说明

图1为现有DBR波长调谐激光器示意图；

图2为本发明第一种实施方式结构示意图；

图3为第一种实施方式给出的例子中，调谐区折射率n变化从3.2-0.0075到3.2+0.0075变化时，激光器谐振波长的变化情况图；

图4为本发明第二种实施方式结构示意图；

图5为本发明第三种实施方式结构示意图；

图6为本发明第四种实施方式结构示意图；

图7为本发明第五种实施方式结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图2是本发明的波长可以无跳模调谐的半导体激光器的一个实施方式。该激光器由无源环形谐振腔1、增益波导2、无源波导3、第一反射镜4和第二反射镜5组成。所述无源波导3分为第一波导31和第二波导32两段。该激光器可以看作一个腔内放置的环形谐振器的以第一反射镜4和第二反射镜5作为反射镜的法布里-泊罗(FP)腔。无源环形谐振腔1通过侧向耦合的方式与无源波导3发生能量耦合。

当第一波导31中向左传播的光到达波导与无源环形谐振腔1耦合的区域时，会有一小部分光耦合到无源环形谐振腔1里，并在里面发生谐振，由于无源环形谐振腔1的自干涉作用，只有当无源环形谐振腔1的光程(光程为无源环形谐振腔1的长度乘以其折射率)满足光波长的整数倍时，该波长称为无源环形谐振腔1的谐振波长，该波长的光波才能被从第二波导32中耦合出来，向右继续传播，否则大部分光能量将会从第一波导31左侧的端口出去，无法再回到激光器中。同理，从第二波导32向左传播的光波的波长也必须满足上述条件才能在激光器中传播，与谐振波长偏离得越远的光波，则通过环形谐振器1的时候损耗越大。

因此，无源环形谐振腔1在这里起到了一个激光腔内滤波器的作用，它的存在使得只有特定波长的光波才可能在激光腔里建立起谐振。无源环形谐振腔1的这一作用可以由从第一波导31经环到第二波导32或者从第二波导32到第一波导31的透射系数来描述，由于对称性，这两个透射系数t是一致的：

$t=\frac{-c^2{e}^{j{k}_{0}n{L}_{11}}}{1-(1-c^2)e^{{\mathrm{jk}}_0}(n{L}_{11}+n_2{L}_{12})}---\left(1\right)$

式中，c表示从第一波导31到无源环形谐振腔1的耦合系数，n，L₁₁分别表示无源环形谐振腔1位与第一波导31和第二波导32左侧的波导部分11的折射率和长度，n₂，L₁₂表示第四波导12的折射率和长度。k₀是光波在真空中的波数。由(1)式可以得到无源环形谐振腔1的谐振条件：

(nL₁₁+n₂L₁₂)＝mλ_r(2)

其中λ_r是环的谐振波长，m是某个正整数。

激光器的调谐区包括无源环形谐振腔1的第三波导11和无源环形谐振腔1之外的无源波导3的一部分第一波导31。一个调谐电极覆盖这两个部分，通过改变电极上的注入电流或者偏置电压，可以改变调谐区的折射率，并且由于使用了同一个调谐电极，调谐区两部分第三波导11和第一波导31的折射率变化是一样的。因此在可以假设两部分折射率相同。则激光器的谐振条件可以表示为：

$2(n_a{L}_a+n{L}_{31}+n^{\′}{L}_{32}+{\mathrm{\λ}}_c\frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2\mathrm{\π}})=m_c{\mathrm{\λ}}_c---\left(3\right)$

其中，n_a，L_a分别表示有源波导2的折射率和长度，n’，L₃₂分别表示第二波导32的折射率和长度。Φ(t)表示无源环形谐振腔1透射系数t的相位，L₃₁表示第一波导31的长度。λ_c是激光器的谐振波长，m_c是某个正整数。

根据前述分析，只有当激光器谐振波长λ_c和无源环形谐振腔1谐振波长λ_r相等时，激光器腔内的损耗最小，此时激光器主模与边模之间有最大的阈值差异。满足这一条件时的激光器谐振条件可表示为：

2(n_aL_a+nL₃₁+n′L₃₂+nL₁₁)＝m′λ_r(4)

通过调谐区的电极调节折射率n时，对式(2)微分可以得到无源环形谐振腔1的谐振波长随折射率n变化率：

$d{\mathrm{\λ}}_r/\mathrm{dn}=\frac{{\mathrm{\λ}}_r{L}_{11}}{n_2{L}_{12}+n{L}_{11}}---\left(5\right)$

同样，对(4)式取微分可以得到激光器谐振波长对折射率的变化率：

$d{\mathrm{\λ}}_r/\mathrm{dn}=\frac{{\mathrm{\λ}}_r(L_{11}+L_{31})}{(n_a{L}_a+n{L}_{11}+n{L}_{31}+n^{\′}{L}_{32})}---\left(6\right)$

为了获得无跳模的波长调谐，两波长的变化率必须保持同步，令(5)(6)两式右边相等可得：

$\frac{n_2{L}_{12}}{L_{11}}=\frac{n_a{L}_a+n^{\′}{L}_{32}}{L_{31}+L_{11}}---\left(7\right)$

式(2，4，7)即为波长无跳模调谐需要满足的条件。

图3给出了折射率n变化从3.2-0.0075到3.2+0.0075变化时，激光器谐振波长的变化情况。在这个例子中，根据式(2，4，7)，L₁₁，L₁₂，L₃₁，L₃₂和L_a分别为：66.67，33.12，738.67，100，300微米，除n变化外，其余折射率均设为3.2。耦合系数c为0.32。n＝3.2时谐振波长为1.55微米。从图中可以看到，波长随折射率变化而连续变化，无任何不连续变化，即跳模产生，波长调谐范围为5nm。

图4给出了本发明第二种实施方式的示意图。激光器由无源法布里-泊罗腔6、增益波导2、第一波导31、第二波导32和反射镜4构成，与第一种实施方式不同之处在于，第一种实施方式中的无源环形谐振腔1由一个无源的法布里-泊罗腔6代替。无源的法布里-泊罗腔6由第三波导11，第四波导12和两个反射镜13，14组成。

激光器可以看成一个有源法布里-泊罗腔，该有源法布里-泊罗腔的一个反射面为反射镜4，此外可以将无源法布里-泊罗腔6看作一个等效反射镜作为另一个反射面。等效反射系数可以表示为：

$r=\frac{-r_{13}{c}^2{e}^{j2k_{0}n{L}_{11}}}{1-r_{13}{r}_{14}(1-c^2)e^{j2k_0(n{L}_{11}+n_2{L}_{12})}}---\left(8\right)$

式中，r₁₃，r₁₄分别表示反射镜13和14的反射系数，c是第一波导31到无源腔波导的耦合系数。其他参数与第一种实施方式意义相同。类似于第一种实施方式的推理过程，可以得到激光器的谐振条件：

$2(n_a{L}_a+n{L}_{31}+n^{\′}{L}_{32})+{\mathrm{\λ}}_c\frac{\mathrm{\φ}\left(r\right)}{2\mathrm{\π}}=m_c{\mathrm{\λ}}_c---\left(9\right)$

以及激光器谐振峰与无源法布里-泊罗腔6谐振峰重合时的谐振条件：

2(n_aL_a+nL₃₁+n′L₃₂+nL₁₁)＝m′λ_r(10)

同理，可以得到无跳模调谐所满足的条件：

$\frac{n_2{L}_{12}}{L_{11}}=\frac{n_a{L}_a+n^{\′}{L}_{32}}{L_{31}+L_{11}}---\left(11\right)$

图5给出了本发明第三种实施方式的示意图。激光器由一个无源环形谐振腔1、增益波导2、第一波导31和第二波导32组成的另一个有源环形谐振器构成，这种双环结构也被称为法诺环(Fano-ring)。对于法诺环结构，当激光器(有源环)的谐振波长与无源环形谐振腔1一致时，谐振条件可分别表示为：

(nL₁₁+n₂L₁₂)＝nλ_r(12)

n_aL_a+nL₃₁+n′L₃₂+nL₁₁＝m′λ_r(13)

无跳模条件为：

$\frac{n_2{L}_{12}}{L_{11}}=\frac{n_a{L}_a+n^{\′}{L}_{32}}{L_{31}+L_{11}}---\left(14\right)$

图6给出了本发明第四种实施方式的示意图。该实施方式的基本结构与实施方式二类似。区别在于除了前述用于无跳模调谐的调谐区外，第四波导12也作为一个调谐区由一个独立的电极控制。该结构可以看作第三波导11和第四波导12组成的无源腔以及第三波导11、第一波导31、第二波导32和增益波导2所组成的有源腔的复合腔结构。对于复合腔结构，当两腔光学腔长较为接近时，会产生较为显著的游标效应，即当无源法布里-泊罗腔6和激光器的某一个谐振波长一致时，由于不同谐振腔谐振的波长间隔有差异，下一个无源法布里-泊罗腔6的谐振波长并不能和激光器的谐振波长对准，而是要跳过数个无源法布里-泊罗腔6的谐振波长之后才能再次和激光器的谐振波长一致。游标效应的作用在于，首先它可以让复合腔的自由光谱范围(FSR)相对于每个独立腔的FSR产生一个显著的放大，从而有助于改善激光器的单纵模特性。此外，通过改变无源法布里-泊罗腔6的光学长度，可以令对准的波长从无源法布里-泊罗腔6的一个谐振峰切换到另一个谐振峰，从而实现工作波段的切换，拓展调谐范围。调谐区12的作用就在于通过折射率变化改变无源法布里-泊罗腔6光学长度，从而实现工作波段的切换。而在每个波段内，仍利用由第三波导11和第一波导31组成的调谐区实现无跳模调谐。

本实施方式与背景技术中的DBR激光器不同之处在于，本实施方式的两个调谐区电极是独立工作的，无需任何同步措施，因此调谐电路的控制复杂程度比背景技术简单很多。

图7给出了本发明第五种实施方式的示意图。该结构是在实施方式二的基础上，在无源法布里-泊罗腔6内加入一个有滤波特性的滤波器所构成。例如，滤波器可以是空气槽15-波导16-空气界面14组成的滤波反射镜。这一滤波器的带宽要远大于无源法布里-泊罗腔6，但是却小于无源法布里-泊罗腔6自由光谱范围的2倍，它与无源法布里-泊罗腔6配合可以让激光器更好的实现单模工作。在本实施方式中，波长调谐范围由该滤波器的带宽决定。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。例如，本发明的实施方式一和三也可以利用游标效应或者腔内滤波器实现单模性能改善。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器，其特征在于，它包括：无源谐振腔、增益波导(2)和无源波导(3)；其中，无源谐振腔由第三波导(11)和第四波导(12)组成，无源波导(3)由第一波导(31)和第二波导(32)组成；无源谐振腔的第三波导(11)和无源波导(3)的一部分第一波导(31)构成一个折射率可以人为改变的调谐区，一个调谐电极覆盖第三波导(11)和第一波导(31)，通过改变调谐电极上的注入电流或者偏置电压，可以改变调谐区的折射率，从而同时改变激光器的谐振波长λ_c和无源谐振腔的谐振波长λ_r；通过选取第三波导(11)和第一波导(31)的长度，可以使得当调谐区折射率改变时，对无源腔谐振波长的调谐速率与对激光器谐振波长的调谐速率一致，从而实现无跳模调谐而无需任何额外的同步调谐措施。

2.根据权利要求1所述波长可以无跳模调谐的半导体激光器，其特征在于，所述的激光器中含有其它宽谱滤波元件，但其带宽小于所述无源谐振腔自由光谱范围的2倍，从而保证激光器实现单模工作。

Images