CN102227854B - 半导体激光器的调节方法 - Google Patents

半导体激光器的调节方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体激光器的调节方法，该半导体激光器包括多个分别具有周期性波长特性的波长选择区域，其特征在于，该方法包括以下步骤：对所述波长选择区域进行折射率控制；确认步骤，确认与未进行所述折射率控制的状态下由折射率的规定值实现的波长特性相比，通过所述折射率控制实现的所述波长选择区域各自的波长特性是否改变了一个周期以上；以及以所述一个周期为单位使所述确认步骤中确认波长特性发生了改变的波长选择区域的折射率向着所述规定值侧偏移。

Description

半导体激光器的调节方法
技术领域
本发明总体上涉及半导体激光器的调节方法。
背景技术
在专利文献1中公开的波长可调激光器具有SG-DBR(采样光栅分布布拉格反射器)区，该SG-DBR区具有多个波长选择区域。加热器对各个波长选择区域的温度进行控制。因此，利用折射率变化对波长选择特性进行控制。
在波长可调激光器中，通过使SG-DBR区的各个波长选择区域的波长特性重叠而选择的反射谱波长与SG-DFB(采样光栅分布反馈)区的增益谱波长彼此对应，并且振荡波长固定为预定波长。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.2007-048988
发明内容
本发明要解决的问题
必须预先针对各个波长通道来调节波长可调激光器的波长选择区域的参数值。另一方面，为了仅选择预定的单个波长，必须控制各个波长选择区域之间的预定关系。然而，已经知晓的是，在保持上述关系的情况下针对各个波长通道来调节参数值的方法需要非常大的参数值。
本发明的一个目的是提供一种限制了电力消耗并能够选择振荡波长的半导体激光器的调节方法。
解决问题的技术手段
一种半导体激光器的调节方法，该半导体激光器包括多个分别具有周期性波长特性的波长选择区域，其特征在于，该方法包括以下步骤：对所述波长选择区域进行折射率控制；确认步骤，确认与未进行所述折射率控制的状态下由折射率的规定值实现的波长特性相比，通过所述折射率控制实现的所述波长选择区域各自的波长特性是否改变了一个周期以上；以及以所述一个周期为单位使所述确认步骤中确认波长特性发生了改变的波长选择区域的折射率向着所述规定值侧偏移。利用本发明，可以减小波长选择区域的控制量，并且可以减小该控制所需的电力消耗。
可以通过对分布式反射器区进行划分而限定所述多个波长选择区域，其中，该分布式反射器区具有多个片段，在该多个片段中，在具有衍射光栅的衍射光栅部上连接了空白部。
用于控制所述波长选择区域的参数值可以是片段的温度。
用于控制所述波长选择区域的参数值可以是向片段提供的电流值。
所述多个片段的各自的光学长度可以彼此不同。
所述波长选择区域可以具有多个片段，并与具有增益的增益区光学连接，其中在该多个片段中，在具有衍射光栅的衍射光栅部上连接了空白部。
所述多个波长选择区域可以分别是环状谐振器。
发明效果
根据本发明，能够抑制电力消耗并选择振荡波长。
附图说明
图1例示了根据第一实施方式的激光器设备的示意图；
图2例示了在由加热器加热之前的片段的反射谱；
图3例示了CSG-DBR区和SG-DFB区的反射谱；
图4例示了根据该第一实施方式对半导体激光器的控制原理；
图5例示了由控制器执行的流程图的一个例子；
图6例示了片段的温度与CSG-DBR区的反射谱之间的关系；
图7例示了加热器的实际温度控制；以及
图8例示了根据第二实施方式的半导体激光器的示意图。
具体实施方式
下面将说明用于实现本发明的最佳模式。
[第一实施方式]
图1例示了根据第一实施方式的激光器设备100的示意图。如图1所示，激光器设备100具有半导体激光器10、温度控制设备20和控制器30。半导体激光器10设置在温度控制设备20上。下面将说明各个部件的细节。
半导体激光器10具有如下结构：其中呈顺序地连接CSG-DBR(啁啾采样光栅分布布拉格反射器)区11、SG-DFB区12和SOA(半导体光学放大器)区13。
CSG-DBR区11具有如下的光波导，该光波导以给定间隔具有多个光栅。CSG-DBR区11的光波导具有多个片段，在这些片段中，在具有衍射光栅的衍射光栅部上连接了空白部(space region)。在CSG-DBR区11中，CSG-DBR区11的这些片段具有不同的光学长度(optical length)。
CSG-DBR区11的光波导由半导体晶体制成，该半导体晶体的吸收边波长比激光器的振荡波长短。在该实施方式中，CSG-DBR区11具有三个片段(片段CSG1至片段CSG3)。CSG-DBR区11具有与各个片段相应的加热器。在该实施方式中，与片段CSG1至片段CSG3相对应地在CSG-DBR区11上设置有三个加热器14a至14c。
区12具有如下的光波导，该光波导以给定间隔具有多个光栅。SG-DFB区12的光波导具有多个片段，在这些片段中，在具有衍射光栅的衍射光栅部上连接了空白部。在SG-DFB区12中，各片段具有大致相同的光学长度。SG-DFB区12的光波导由半导体晶体制成，该半导体晶体具有相对于在目标波长处激光器振荡的增益。在SG-DFB区12上设置有电极15。
SOA区13具有如下的光波导，该光波导由利用电流控制来放大或吸收光的半导体晶体制成。在SOA区13上设置有电极16。CSG-DBR区11、SG-DFB区12及SOA区13三者的光波导彼此光学连接。
温度控制设备20具有帕尔元件(pertier element)等，并控制半导体激光器10的温度。控制器30具有控制部和电源，该控制部具有CPU(中央处理单元)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)等。控制器30的ROM存储半导体激光器10的控制信息、控制程序等。
接下来，将说明激光器设备100的操作。控制器30向电极15提供给定电流。由此，SG-DFB区12的光波导产生光。所产生的光在CSG-DBR区11、SG-DFB区12及SOA区13三者的光波导中传播，重复地被反射和放大，并向外发出。控制器30向电极16提供给定电流。因此，半导体激光器10的输出保持恒定。
接下来，控制器30通过控制加热器14a至14c来控制片段CSG1至CSG3的温度。由此，改变片段CSG1至CSG3的等效折射率。在该情况下，改变了片段CSG1至CSG3的反射特性。由此，可以改变半导体激光器10的振荡波长。利用该控制，激光器设备100使得半导体激光器10以期望波长振荡。
图2A例示了在由加热器14a至14c进行加热之前片段CSG1至CSG3的反射谱的示意图。图2B例示了片段CSG1至CSG3的重叠的反射谱。如图2A所示，片段CSG1至CSG3的反射谱具有不同的周期峰值，这是因为片段CSG1至CSG3具有不同的光学长度。因此，如图2B所示，反射谱在给定波长不重叠，而在另一波长重叠。
图3A例示了CSG-DBR区11的反射谱。通过使片段CSG1至CSG3的反射谱重叠而得到CSG-DBR区11的反射谱。如图3A所示，在各峰值波长处反射强度不同。因此，形成了钟状的包络曲线。当放大波长范围时，形成了排列有多个钟的包络曲线。因此，CSG-DBR区11具有相对于反射强度的波长相关性。
图3B例示了SG-DFB区12的反射谱。由于SG-DFB区12的各片段的光学长度大致相同，并且各片段的温度由温度控制设备20保持恒定，因此反射强度在各峰值波长处近似恒定。
当具有相对大的反射强度的CSG-DBR区11的反射谱的波长对应于SG-DFB区12的反射谱的任意波长时，半导体激光器10在对应的波长发生激光振荡。因此，通过改变CSG-DBR区11的波长与反射强度之间的关系，可以选择激光器振荡波长。
接下来，将参照图4A至4D说明根据本实施方式的半导体激光器的控制原理。为了使附图简化，假设CSG-DBR区的受到温度控制的片段的数量为2个。如图4A所示，半导体激光器在给定温度发生激光振荡。在该情况下，利用CSG-DBR区的片段的反射谱的重叠来确定整个CSG-DBR区的反射谱。以下将向加热器提供电力之前各片段的温度称为基本值(basal value)。在图4A中，基本值为零摄氏度。
接着，如图4B所示，向加热器提供电力使得在片段中形成温度梯度。在该情况下，该温度梯度形成为使得半导体激光器在期望波长附近的波长处发生激光振荡。以下将该情况下的各片段的温度称为初始值。在图4B中，一个片段的初始温度值为15摄氏度，而另一个片段的初始温度值为零摄氏度。
然后，如图4C所示，大致保持该温度梯度，并使这两个片段的温度升高以使得半导体激光器的振荡波长达到期望波长。在图4C的例子中，一个片段的初始温度值为35摄氏度，而另一个片段的初始温度值为20摄氏度。
下面将说明各片段的温度升高且振荡波长向长波长偏移的情形。在该情况下，随着各片段的温度升高，振荡波长向长波偏移，当温度达到预定值时，振荡波长跳至较短波长侧的另一个预定值。随着各片段的温度进一步升高，振荡波长向长波偏移。这样，振荡波长在给定温度循环期间在给定波长范围内沿单方向重复。在图4C的例子中，振荡波长在30摄氏度的周期温度中沿单方向重复。
为了保持各片段的高温，需要向加热器提供更多电力。此外，在本实施方式中，确定是否将各片段的温度控制为比基本值高一个周期或者高更多个周期。如果各片段的温度比基本值高一个周期或者高更多个周期，则以周期为单位使该片段的温度向基本值侧进行偏移。在图4D的例子中，各片段的温度增大至70摄氏度，随后，各片段的温度减小一个周期并减小至5摄氏度。
在该情况下，在不改变振荡波长的情况下可以减少向加热器提供的电量。因此，可以减小激光器设备100的功耗。由于减小了半导体激光器的温度，因此减少了半导体激光器的劣化，且提高了半导体激光器的可靠性。
将参照图5和图6说明激光器设备100的上述控制。图5例示了由控制器30执行的流程图。图6例示了片段CSG1至CSG3的温度与反射谱之间的关系。
如图5所示，控制器30向电极15和16提供预定电流，并向加热器14a至14c提供电力，使得片段CSG1至CSG3的温度达到初始值(步骤S1)。在该情况下，控制器30控制向加热器14a至14c提供的电力，使得根据片段CSG1至CSG3的光学长度的比例来设置片段CSG1至CSG3之间的温度差。因此，如图6B所示，控制CSG-DBR区11的反射谱使之呈钟形。在图6B所示的例子中，具有最大反射强度的反射谱的波长为λ1。
接下来，控制器30增大片段CSG1至CSG3的温度(步骤S2)。在该情况下，控制器30使片段CSG1至CSG3之间的温度差保持大致恒定，并增大片段CSG1至CSG3的温度，如图6C所示。因此，在不改变钟形波长特性的波长范围的情况下峰值波长处可以偏移，如图6D所示。在图6D所示例子中，峰值波长从λ1偏移到λn。这使得半导体激光器10在期望波长发生激光器振荡。然后，控制器30确定片段CSG1至CSG3的温度是否高于基本值一个或更多个周期(步骤S3)。如果在步骤S3中确定片段CSG1至CSG3的温度不高于基本值一个或更多个周期，则控制器30再次执行步骤S3。
如果在步骤S3中确定片段CSG1至CSG3的温度高于基本值一个或更多个周期，则控制器30将片段的温度减小一个或更多个周期，如图6E所示(步骤S4)。然后，控制器30再次执行步骤S3。
借助于图5的流程图，在不改变振荡波长的情况下可以减小向加热器14a至14c提供的电量。因此，可以减小激光器100的功耗。而且，由于减小了半导体激光器10的温度，因此可以抑制半导体激光器10的劣化，并且可以提高半导体激光器10的可靠性。
优选的是，当在步骤S2中增大片段CSG1至CSG3之间的温差时，片段CSG1至CSG3的温差误差在-0.5摄氏度至0.5摄氏度之间。
图7例示了加热器14a至14c的实际温度控制。图7的虚线表示片段CSG1至CSG3的温度增大的情形。图7的实线表示片段CSG1和CSG2的温度减小一个周期的情形。因此，在这两种情况下，片段CSG3的温度相同。在图7的虚线所示的情况下，在片段CSG1的温度减小后，片段CSG2的温度减小。
如图7所示，通过减小片段CSG1的温度来减小加热器的总电量，并且通过减小片段CSG2的温度来进一步减小加热器的总电量。另一方面，振荡波长几乎不发生改变。因此，即使片段的温度以周期为单位地减小，也可以保持振荡波长一致。
在本实施方式中，CSG-DBR用作分布式反射器。然而，该结构不限于该实施方式。可以使用包括具有大致相同光学长度的片段的SG-DBR。在该情况下，通过形成片段的温度梯度可以将SG-DBR的反射谱形成为钟形。因此，通过在片段温度比基本值高一个或更多个周期的情况下，以周期为单位使片段的温度向着基本值侧减小，可以在不改变振荡波长的情况下减小向加热器提供的电量。
在本实施方式中，片段的温度用作对片段的折射率进行控制的参数。然而，该结构不限于该实施方式。例如，可以将加热器的温度或者向加热器提供的电量用作对片段的折射率进行控制的参数。通过向片段提供电流可以控制片段的折射率，并且电流值可用作对折射率进行控制的参数。
[第二实施方式]
图8例示了根据第二实施方式的半导体激光器10a的示意图。半导体激光器10a是环状谐振器型激光器。如图8所示，半导体激光器10a具有彼此光学连接的环状谐振器61、62和63以及与环状谐振器61、62和63光学连接的SOA区。从SOA区64侧起顺序地光学连接环状谐振器61、环状谐振器62和环状谐振器63。在环状谐振器61侧的一个边缘面上形成有AR(抗反射)膜66。在环状谐振器63侧的另一个边缘面上形成有HR(高反射)膜67。
环状谐振器61是在波长特性中具有周期峰值的谐振器，并用作以给定波长间隔具有周期性反射谱峰值的滤波器。环状谐振器61具有与第一实施方式的半导体激光器10的SG-DFB区12相同的波长特性，并且确定半导体激光器10a能够振荡的波长。
环状谐振器62和63是在波长特性中具有周期峰值的谐振器，并用作以给定间隔具有周期性反射谱峰值的滤波器。环状谐振器62和63均具有与环状谐振器61不同的半径。由于提供了环状谐振器62和63，反射谱的周期性峰值仅在给定波长范围内出现。因此，环状谐振器62和63具有与第一实施方式的半导体激光器10a的CSG-DBR区11相同的波长特性。
环状谐振器62和63在环上和环下具有加热器。各加热器控制环状谐振器62和63的折射率。因此，通过控制各个加热器的温度，可以控制半导体激光器10a的振荡波长。
在半导体激光器10a中，由于环状谐振器61的反射谱的峰值与环状谐振器62及63的反射谱的峰值之间存在重叠，因此发生游标效应(vernier effect)，并且选择发生振荡的波长。SOA区64是使得在谐振器中存在增益的半导体光学放大器。在半导体激光器10a中，出现图4中所示的波长特性。因此，当谐振器62和63的温度比基本值高一个或更多个周期时，以周期为单位使环状谐振器的温度向着基本值侧减小。在该情况下，在不改变振荡波长的情况下可以减小向加热器提供的电量。因此，可以减小功耗。
在本实施方式中，将环状谐振器的温度用作对环状谐振器的折射率进行控制的参数。然而，该结构不限于该实施方式。例如，可以将加热器的温度或者向加热器提供的电量用作对谐振器的折射率进行控制的参数。通过向谐振器提供的电流可以控制谐振器的折射率，并且该电流值可用作对谐振器的折射率进行控制的参数。

Claims (7)

1.一种半导体激光器的调节方法，该半导体激光器包括分别具有周期性波长特性的多个波长选择区域，其特征在于，该方法包括以下步骤：
对所述波长选择区域进行折射率控制；
确认步骤，确认与未进行所述折射率控制的状态下由折射率的规定值实现的波长特性相比，通过所述折射率控制实现的所述波长选择区域各自的波长特性是否改变了一个周期以上；以及
以所述一个周期为单位使所述确认步骤中确认波长特性发生了改变的波长选择区域的折射率向着所述规定值侧偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对分布式反射区进行划分而限定所述多个波长选择区域，其中，该分布式反射区具有多个片段，在该多个片段中，在具有衍射光栅的衍射光栅部上连接了空白部。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于控制所述波长选择区域的参数值是所述片段的温度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于控制所述波长选择区域的参数值是向所述片段提供的电流值。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个片段各自的光学长度彼此不同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长选择区域具有多个片段，并与具有增益的增益区光学连接，其中在该多个片段中，在具有衍射光栅的衍射光栅部上连接了空白部。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个波长选择区域分别是环状谐振器。
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