CN102354909B

CN102354909B - 一种基于dbr的外腔式波长可调谐激光器

Info

Publication number: CN102354909B
Application number: CN 201110280047
Authority: CN
Inventors: 李若林
Original assignee: Individual
Current assignee: Li Ruolin; Ma Yanan
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102354909A

Abstract

本发明公开了一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，它包括有源光子芯片，该光子芯片内具有光波导，所述光波导包括增益区段，和反射光栅区段，每个区段的两侧均设有对应的电极；在位于导出反射光栅发射光的光波导端口一侧，依次设置光学透镜、光学标准具、反射镜；所述光学透镜、光学标准具、反射镜构成无源外腔反馈区；所述外腔反馈区与光子芯片形成激光共振腔；通过改变反射光栅区的梳状最大反射峰分布，或者同时改变梳状最大反射峰分布与光学标准具的透射最大峰分布，使光子在重叠处波长获得最大反馈，实现输出激光波长的步幅式或连续式调谐，较大范围的改变激光输出波长。

Description

一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器。

背景技术

波分复用技术(WDM)在光纤光通讯系统中已广泛应用。波分复用的光电转调器包含一个激光器，一个调制器，一个接收器和相关的电子设备。波分复用转换器的运行可通过一个近红外波长在1550nm的固定波长激光器实现。由于很易于操作和高度可靠性，分布反馈式(DFB)激光器在波分复用传输系统广泛地应用。在DFB激光器中，提供光学反馈的衍射光栅位于整个增益共振腔的上方，这样激光会在固定波长下获得一个稳定的单模振荡。并且，低数字速率的信息传输也可通过直接对DFB激光器调制实现。

波分多路系统的构成实施是通过在每个ITU(国际电信联盟)规定的每一波长通道格点上使用一个激光器。然而，DFB激光器不具有较宽的波长调谐范围，因此，必须对每个波长使用不同的激光器，这便导致了昂贵的波长管理的成本，同时要求很大的余料库存来随时解决激光器故障等问题。

为了克服现有DFB激光器的这一缺点同时获得大范围波长单模运行，可调谐激光器应运而生。可调谐激光器就是单个激光器的波长变化可覆盖很多ITU规定的波长通道，并在应用中根据需要可随时变化到所需波长通道。因此，一个可调谐激光器可以为很多波长通道做光源备份，需要作为WDM转换器库存备件的激光器会大量减少。可调谐激光器还可在波分复用的定位中提供灵活的方案，即可以根据需要将某些波长通道从光网中添补加或移除。相应地，可调谐激光器可以帮助运营商在整个光纤网络中有效地进行波长管理。

但传统的可调谐激光器方案的代表为分布布拉格反射镜(DBR)激光器，它的特点是产生增益的有源区和产生反射的DBR区在同一个激光元件中形成，有源增益区用于通过电光转换在某一中心波长附近产生宽带自发辐射光子；反射光栅区用于有选择地将特定波长的光子反射回到有源波导区；但是它的可调谐范围很窄，一般不超过10nm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，可以持续地或有选择地改变输出波长，并可覆盖很宽的波长范围。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，它包括用于提供激发光源的光子芯片，该光子芯片内具有光波导，所述光波导包括增益区段和反射光栅区段，每个区段的两侧均设有对应的电极；其特征在于：在位于导出反射光栅发射光的光波导端口一侧，依次设置用于扩束准直光子芯片所产生激发光源的光学透镜、用于对光子芯片所产生激发光源产生梳状透射峰分布的光学标准具、用于对光学标准具所滤波生成的梳状透射峰进行反射的反射镜；所述光学透镜、光学标准具、反射镜构成外腔反馈区；所述外腔反馈区与光子芯片形成激光共振腔；

通过改变光波导的折射率来改变反射光栅区的梳状最大反射峰分布的波长位置，选择性地使梳状最大反射峰分布中的某一波长的反射最大峰与光学标准具的透射最大峰在相同波长处重叠，光子在该重叠处波长获得最大反馈，并经激光共振腔内的多次反射后获得所需波长的激光，实现激光波长的步幅式调谐。

本发明所述光波导还包括用来控制光子的路径长度来提供产生激光所需的共振相位条件的相位区段，该相位区段的两侧设有电极，所述相位区段位于增益区段和反射光栅区段之间或者位于增益区段与波导端面之间。

本发明所述光波导的两端面上设有抗反射膜；所述反射镜为全反射镜或半透半反射镜。

本发明所述光波导的折射率采用通过加热光波导两侧的电极或调节改变电极的电流进行载流子注入来进行改变。

本发明所述反射光栅区采用取样光栅或超结构光栅；通过反射光栅区的取样光栅或超结构光栅的光谱与光学标准具的光谱耦合调谐，来实现激光器真正的单一波长输出。

本发明所述光学标准具的透射最大峰的波长分布和自由光谱范围兼容国际电信联盟光网通讯对波长格点和间隔的要求标准。

本发明所述可调谐激光器还包括用于所述可调谐激光器保持恒温工作环境的恒温装置，该恒温装置位于所述可调谐激光器的下方或外围。

本发明目的还可以通过以下实施方式来实现：一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，它包括用于提供激发光源的光子芯片，该光子芯片内具有光波导，所述光波导包括增益区段，相位区段，和反射光栅区段，每个区段的两侧均设有对应的电极；其特征在于：在位于导出反射光栅发射光的光波导端口一侧，依次设置用于扩束准直光子芯片所产生激发光源的光学透镜、用于对光子芯片所产生激发光源产生梳状透射峰分布的光学标准具、用于对光学标准具所滤波生成的梳状透射峰进行反射的反射镜；所述光学透镜、光学标准具、反射镜构成外腔反馈区；所述外腔反馈区与光子芯片形成激光共振腔；

所述光学标准具上设有用于改变光学标准具折射率来调谐其梳状最大透射峰分布的加热电极；

先通过改变反射光栅区的梳状最大反射峰分布的波长位置或改变光学标准具的梳状最大透射峰分布的波长位置，使梳状最大反射峰与光学标准具的最大透射峰在某一波长处重叠，光子在重叠处波长获得最大反馈，并经激光共振腔获得该重叠处波长的激光；

再同步改变反射光栅区的梳状最大反射峰分布和光学标准具的梳状最大透射峰分布，使上述重叠处的最大反射峰和最大透射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

本发明所述光学标准具上的加热电极设于光学标准具上的光学孔径周围，光学标准具的上表面，或光学标准具的下表面。

与现有技术相比，该发明技术具有以下优点：

1)本发明的激光器可通过调节标准具和反射光栅之间的两个光谱响应来进行波长选择，实现了较大范围激光输出波长的调谐。

2)由于光学调谐通过在芯片上的热或电效应实现，不需要机械变动，因此无移动元件；

4)本发明由于采用了外腔结构和较长的谐振腔，保证了该激光器的线宽大大窄于传统可调谐DFB或DBR激光器，窄线宽是下一代40G/100相干通信的一种关键指标；

5)激光共振腔内内置有和ITU(国际电信联盟)兼容的标准具，在应用中无需外部的波长控制或参考标准。

附图说明

图1a为本发明实施例一的俯视结构示意图；

图1b为图1a的主视图；

图2a为本发明实施例一、实施例二的光学标准具的透射梳状光谱(虚线)及反射光栅区的反射梳状光谱(实线)；

图2b为图2a调谐后反射光栅区的反射最大峰与光学标准具的透射最大峰重叠的示意图；

图3a为本发明实施例二的俯视结构示意图；

图3b图3a的主视图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，它包括用于提供激发光源的有源光子芯片6，该有源光子芯片6内具有光波导7，常用III-V化合物半导体材料InP系列制成。光波导7包括相位区19、增益区20和反射光栅区8三个区段，光波导7上的每个区段上均设有对应电极，包括置于相位区19上的电极9、12，置于增益区20上的电极10、13，置于反射光栅区8的电极11、14；光波导7的两端面上镀有抗反射膜5、15；在位于导出反射光栅发射光的光波导端口5的一侧，依次设置用于扩束准直的光学透镜4、用于产生梳状透射峰分布的光学标准具3、反射镜2，反射镜2为具有高反射率的反射镜，光学透镜4、光学标准具3和反射镜2构成了本激光器的外腔反馈区；外腔反馈区与光子芯片形成激光共振腔，产生的激光可从反射光栅区8一侧的波导7端面15射出。整个激光器可以设置在一个恒温装置18的顶部，使本激光器的工作不受外界环境温度影响，该恒温装置为现有常用的电热/制冷器，也可将恒温装置设于本激光器的外围，即将激光器置于恒温装置内部；光学标准具3、光子芯片6、反射镜2依次分别通过透镜支架16光子芯片支架17、反射镜支架1支撑固定。

其中，增益区19的电极9、12向有源波导注入电子通过电光转换在某一中心波长附近产生宽带光子自发辐射；相位区19位于增益区20的左边，相位区19通过调节光子的光学路径行程长度，即光波导的光学折射率和物理长度的乘积，来提供产生激光所需的相位匹配条件。

增益区20产生的光子会沿光波导7两侧传播。一方面，光从增益区20的左侧射出经过相位区19后进入光学透镜4扩束准直，再经光学标准具3透射滤波形成具有梳状透射峰波长的光，然后由反射镜2将光沿相同的路径反射回的光聚焦反馈到光子芯片6的波导端面，传输到增益区20，从而形成无源外腔反馈区；另一方面，光从增益区20的另一侧射出，经反射光栅区8反射回增益区20，为增益区提供具有梳状反射峰波长的光学反馈，这样，有源光子芯片6中的反射光栅区8与无源外腔反馈区的外腔光学反馈之间谐振形成激光共振腔。

上述相位区也可位于增益区右边即介于增益区20和光栅反射区8之间；另外，光波导7上不设相位区，有源光子芯片6和外腔反馈区形成激光共振腔，也可产生激光。上述的反射镜2也可采用部分反射镜，这样，激光共振腔产生的激光，可从反射镜2射出。

光学标准具3作为一种通用的波长滤波器，其特点是它的透射光谱具有一个梳状的透射最大峰分布，如图2a、2b所示的虚线表示部分，相邻透射最大峰之间的波长间隔叫做自由光谱范围(FSR)。当光从标准具3的右侧入射时，它与反射镜2一起构成了外腔反射，并向有源增益区20提供波长范围很宽的梳状反馈。

反射光栅区8的反射光栅可以是取样光栅或超结构光栅，如图2a、2b所示的实线表示部分，它们的反射光谱特点是在较宽波长范围内有一个梳状的反射峰分布，相邻反射峰之间的波长间隔也被称作自由光谱范围(FSR)。这里取样光栅或者超结构光栅的自由光谱范围远大于标准具的自由光谱范围。

而布拉格反射光栅的反射波长由下式(1)的通用关系决定：

λ＝2·n_eff·Λ (1)

式(1)中λ是布拉格反射光栅的最大反射波长，n_eff是单模波导的有效折射率，Λ是布拉格反射光栅的周期。所以，当波导材料的折射率变化时，布拉格反射光栅的反射波长也会变化或被调谐。

由于光波导的折射率可以通过热-光效应来改变，即通过对电极的加热来改变；或者可对电极应用电-光效应来进行改变，即通过对电极电流的载流子注入来改变。因此，只要通过上述手段改变光波导的折射率，就可以改变光波导反射光栅区8产生的梳状反射峰分布的波长位置。

当对加热局部电极11、14对波导的折射率进行改变时，光波导反射光栅区8的梳状反射峰的波长会被调谐，即整个梳状反射峰光谱会相对于波长做整体移动。因此，如图2b所示，通过对取样光栅或超结构光栅进行微调，可选择性实现它的某一梳状反射峰62与光学标准具梳状透射峰分布的某一透射最大峰61在波长上的重叠；然后，对相位区19处的电极9、12进行调节来保证光栅的反射和外腔的反射在重叠的波长处相干相长，使得光子在该波长获得最大的反馈而产生激光。而来自取样光栅或超结构光栅和外腔的其它梳状反射峰的反馈由于强度不足在激光竞争中被压制，不能产生激光。而且通过上述反射光栅区的取样光栅或超结构光栅的光谱与光学标准具的光谱耦合调谐，使输出的激光波长也能达到更加单一。

具体应用中，可以将光学标准具3的最大透射峰分布的波长位置和自由光谱范围与ITU(国际电信联盟)光网通讯对波长格点和间隔的要求兼容；由于选定后的光学标准具3的最大透射峰分布的波长位置和自由光谱范围是保持不变的，激光共振腔中一次只存在一个反射光栅的反射最大峰与光学标准具透射最大峰的重叠，所以，激光输出波长只能出现在光学标准具3的梳状透射的最大峰上。因此，只要通过取样光栅或超结构光栅的调谐，就可以使激光器在一定波长范围内在任一ITU波长格点上产生激光，实现输出激光波长的步幅式调谐。本发明可调谐激光器的输出波长可实现与ITU兼容，在实际应用中无需外部的波长控制或波长参考标准。

实施例二

如图3a、3b所示为本发明的具体实施例二，本实施例二与实施例1构成激光共振腔及产生激光的过程都相同，与实施例一的不同之处在于：在光学标准具3上也设置用于加热的电极31、32。加热电极31、32可以在光学标准具3的表面上围绕光束的光学孔径制作，通过加热电极31、32也可使光学标准具3的折射率产生改变，可以使光学标准具3产生的梳状透射峰分布也随之改变。

先通过对应的局部电极改变反射光栅区的梳状最大反射峰分布的波长位置，或先改变光学标准具的梳状最大透射峰分布的波长位置，使梳状最大反射峰与梳状最大透射峰在某一波长处重叠，如图2b所示透射最大峰62和反射最大峰61的重叠所示，光子在该重叠处波长获得最大反馈，并经激光共振腔获得该重叠处波长的激光；

再通过各自对应的局部电极同步改变反射光栅区的梳状最大反射峰分布和光学标准具的梳状最大透射峰分布的波长位置，使上述重叠处的最大反射峰和最大透射峰的波长位置同步移动，，产生波峰重叠处波长的连续变化，这样激光共振腔输出的激光波长实现连续式调谐。

另外光学标准具34的调谐也可以通过在其上面或下面增加局部加热电极的加热方式来实现。

本发明的实施方式不限于此，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均可实现本发明目的。

Claims

1.一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，它包括用于提供激发光源的有源光子芯片，该光子芯片内具有光波导，所述光波导包括增益区段和反射光栅区段，每个区段的两侧均设有对应的电极；其特征在于：在位于导出反射光栅发射光的光波导端口一侧，依次设置用于扩束准直光子芯片所产生激发光源的光学透镜、用于对光子芯片所产生激发光源产生梳状透射峰分布的光学标准具、用于对光学标准具所滤波生成的梳状透射峰进行反射的反射镜；所述光学透镜、光学标准具、反射镜构成无源外腔反馈区；所述外腔反馈区与光子芯片形成激光共振腔；所述反射光栅区段提供梳状最大反射峰分布的光学反馈；

通过改变光波导的折射率来改变反射光栅区段的梳状最大反射峰分布的波长位置，选择性地使梳状最大反射峰分布中的某一波长的反射最大峰与光学标准具的透射最大峰在相同波长处重叠，光子在该重叠处波长获得最大反馈，并经激光共振腔内的多次反射后获得所需波长的激光，实现输出激光波长的步幅式调谐。

2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述光波导还包括用来控制光子的路径长度来提供产生激光所需的共振相位条件的相位区段，该相位区段的两侧设有电极，所述相位区段位于增益区段和反射光栅区段之间或者位于增益区段与波导端面之间。

3.根据权利要求1或2所述的可调谐激光器，其特征在于：所述光波导的两端面上设有抗反射膜。

4.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其特征在于：所述反射镜为全反射镜或半透半反射镜。

5.根据权利要求4所述的可调谐激光器，其特征在于：所述光波导的折射率采用通过加热光波导两侧的电极或调节改变电极的电流来进行改变。

6.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述反射光栅区段采用取样光栅或超结构光栅。

7.根据权利要求1或6所述的可调谐激光器，其特征在于：所述光学标准具的透射最大峰的波长分布和自由光谱范围兼容国际电信联盟光网通讯对波长格点和间隔的要求标准。

8.根据权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括用于所述可调谐激光器保持恒温工作环境的恒温装置，该恒温装置位于所述可调谐激光器的下方或外围。

9.一种基于DBR的外腔式波长可调谐激光器，它包括用于提供激发光源的有源光子芯片，该光子芯片内具有光波导，所述光波导包括增益区段、相位区段、和反射光栅区段，每个区段的两侧均设有对应的电极；其特征在于：在位于导出反射光栅发射光的光波导端口一侧，依次设置用于扩束准直光子芯片所产生激发光源的光学透镜、用于对光子芯片所产生激发光源产生梳状透射峰分布的光学标准具、用于对光学标准具所滤波生成的梳状透射峰进行反射的反射镜；所述光学透镜、光学标准具、反射镜构无源外腔反馈区；所述外腔反馈区与光子芯片形成激光共振腔；所述反射光栅区段提供梳状最大反射峰分布的光学反馈；

先通过改变反射光栅区段的梳状最大反射峰分布的波长位置或改变光学标准具的梳状最大透射峰分布的波长位置，使梳状最大反射峰与最大透射峰在某一波长处重叠，光子在该重叠处波长获得最大反馈，并经激光共振腔获得该重叠处波长的激光；

再同步改变反射光栅区段的梳状最大反射峰分布和光学标准具的梳状最大透射峰分布，使上述重叠处的最大反射峰和最大透射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

10.根据权利要求9所述的可调谐激光器，其特征在于：所述光学标准具上的加热电极设于光学标准具上的光学孔径周围，光学标准具的上表面，或光学标准具的下表面。