CN102709811A - 一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，包括在光路上依次设置的半导体激光器(a)、准直透镜(b)、偏振棱镜(c)、第一1/4波片(d)、F-P标准具(e)、第二1/4波片(f)、前腔面反射镜(g)、隔离器(h)、聚焦透镜(i)和光纤(j)。本发明提供的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，能够有效压窄光源线宽，且通过互注入实现该外腔半导体激光器的频率自锁定。

Description

一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，具体说是一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器。

背景技术

从半导体激光器诞生之日起，随着激光技术的应用，在光通信系统、生物医学、相干探测、水质检测等领域都需要用到单纵模半导体激光器，并且在大部分情况下对半导体激光器的线宽有着严格要求，窄线宽半导体激光器成为许多应用领域中的关键器件。

例如，在光通信中，国际电工联合会(ITU)提出了32路WDM波长定位标准的建议：f＝193.1±0.1×N(THz)，N为整数。中心频率为193.1THz，对应于1550nm波段，0.1THz的信道频率间隔相应于0.8nm的波长间隔。在长距离、高速传输系统中，如果激光器输出的光谱较宽，光纤色散会使脉冲展宽，容易引起码间串扰。在WDM系统中，光源的线宽应满足以下关系：f_B·L≤1/(4D·δv)，其中f_B为数据传输速率，L为传输距离，D为色散系数，δv为光源线宽。在1550nm波段，G.652单模光纤色散系数为D＝20ps/nm·km，因此在色散系数一定的情况下，要提高数据传输速率和传输距离，就必须压窄激光器线宽。否则激光器在高速调制下就会出现啁啾现象，从而严重影响系统性能和激光器调制速率的提高。

此外，当半导体激光器应用于干涉测量、相干探测时，由于半导体激光器本身光束发散、光束相干性较差，若不对其进行整形和线宽压窄，半导体激光器将不能有效应用于干涉测量系统中。

可以看出，窄线宽半导体激光器应用范围广泛，有很大市场需求；而如何对当前普通半导体激光器尤其是广泛使用的分布反馈半导体激光器或是分布布拉格反射半导体激光器进行线宽压窄则成为亟需解决的问题。研究人员已经探索出了一些压窄激光器线宽的方法，如提高半导体激光器输出功率、外腔反馈、提高微分增益等。通过提高激光器输出功率来压窄线宽的方法受饱和输出功率的影响，线宽并不能被无限压窄，在实际中并不实用；提高微分增益则常用在量子阱激光器中；而较成熟且实用的压窄激光器线宽的方法是外腔反馈法。

F-P标准具广泛应用于计量学、光谱学、天文学等方面，常作为激光器谐振腔、梳状滤波器、可调谐滤波器、波长锁定器等应用，它是一种应用非常灵活的光学器件。F-P标准具的透射特性根据光束入射角和两反射镜的间距来确定，器件参数由自由光谱范围(FSR)和精细度表征。F-P标准具作为滤波器或波长锁定器来使用使，通过调节激光器输出波长，使输出波长与标准具的峰值透射谱重合，这样就可以使激光器单模输出，并且输出波长或频率更加稳定。这对于密集波分复用(DWDM)系统中减小波长间隔、增加信道频率稳定性也具有重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，以有效压窄分布反馈半导体激光器线宽，同时通过使用F-P标准具实现该外腔半导体激光器的频率自锁定。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，包括在光路上依次设置的半导体激光器a、准直透镜b、偏振棱镜c、第一1/4波片d、F-P标准具e、第二1/4波片f、前腔面反射镜g、隔离器h、聚焦透镜i和光纤j。

上述方案中，所述半导体激光器a选用分布反馈半导体激光器，或者选用分布布拉格反射(DBR)半导体激光器。所述半导体激光器a的左端面入光口镀高反射膜，右端面出光口镀增透膜。

上述方案中，所述准直透镜b的前后端面均镀有增透膜，以避免反射。

上述方案中，为避免反射，所述偏振棱镜c在前后端面均镀有增透膜，或者略微倾斜一个角度。

上述方案中，所述F-P标准具e两端面均镀有高反膜，以实现高Q值滤波器。所述F-P标准具e的腔长，使其自由光谱范围达到50GHz或100GHz，且透射波长与ITU-T标准波长匹配。

上述方案中，为避免反射，所述第一1/4波片d和所述第二1/4波片f均镀有增透膜；当线偏振光经过第一1/4波片d后，变成圆偏振光，如果光波中心波长与所述F-P标准具e的透射波长不匹配时，圆偏振光将被所述F-P标准具e的第一个端面反射，再次经过第一1/4波片d后，变为线偏振光，偏振方向与原来垂直，从而经过所述偏振棱镜c后，光路改变90度出射，不会注入到所述半导体激光器a，此时也没有光输出；如果光波中心波长与所述F-P标准具e透射波长对准时，圆偏振光透过所述F-P标准具e，经过第二1/4波片f后，变成与原偏振方向垂直的线偏振光，再经过所述前腔面反射镜g后反射，沿原光路返回，分别经过所述第二1/4波片f、所述F-P标准具e和所述第一1/4波片d后，变成线偏振光，且与原振动方向一致，经过所述偏振棱镜c和所述准直透镜b后，注入所述半导体激光器a。

上述方案中，所述前腔面反射镜g左侧端面镀有一定比例的反射膜，在右侧镀有增透膜。

上述方案中，该分布反馈外腔窄线宽半导体激光器或者是将光在其左侧输出，在右侧实现反馈锁定，此时该分布反馈外腔窄线宽半导体激光器左侧耦合输出结构为一准直透镜、一隔离器、一聚焦透镜和一耦合输出光纤。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，是基于F-P标准具和平面镜的外腔反馈半导体激光器，能够有效压窄光源线宽，且通过使用F-P标准具实现该外腔半导体激光器的频率自锁定。

2、本发明提供的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，适当调节激光器的工作电流或工作温度，使得激光器的激射波长与F-P标准具的峰值增益谱重合，这样既能实现单纵模激射提高边模抑制比实现频率自锁定，也能使得反馈光增益大大增强，提高注入光的强度，使输出光线宽显著压窄。

附图说明

为了进一步说明本发明的具体技术内容和结构特征，以下结合实施例和附图对本发明做详细说明，其中：

图1是本发明提供的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器的结构示意图；

图2是本发明提供的F-P标准具峰值增益谱与半导体激光器的单纵模谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，包括：

一单端输出半导体激光器a，其左端面镀反射膜，右端出光口镀增透膜；这样一方面使激光器产生的激光尽可能多的输出，另一方面使从右端反馈的光尽可能多的进入半导体激光器有源区；

一准直透镜b，使半导体激光器a激射出的光平行地通过后面各个光学元件，对光路进行准直，使用时需要在准直透镜两个端面上镀增透膜以降低反射率；

二1/4波片，即第一1/4波片d和第二1/4波片f，使通过该波片的线偏振光变为椭圆偏振光或圆偏振光，这两个1/4波片配合偏振棱镜c和F-P标准具e使用，以避免不需要的反馈光反馈回激光器有源区；这两个1/4波片的前后端面都需要镀增透膜；

一偏振棱镜c，在正向光路(从激光器输出端到耦合光纤j)时经过准直透镜b的各个方向的线偏振光再经过该偏振棱镜c时，将只有特定方向(根据构成棱镜的两块晶体的主轴方向或者根据棱镜的具体参数而定)的线偏振光能够通过，其它方向的偏振光将被反射到其它方向；在反向光路时，也将只有特定偏振方向的线偏振光能够通过该偏振棱镜c而反馈回半导体激光器a的有源区，使用时需注意在其两端面处镀增透膜。

一F-P标准具e，当线偏振光经过第一1/4波片d后，变成圆偏振光，如果光波中心波长与F-P标准具e的透射波长不匹配时，圆偏振光将被F-P标准具e的第一个端面反射，再次经过第一1/4波片d后，变为线偏振光，偏振方向与原来垂直，从而经过偏振棱镜c后，光路改变90度出射，不会注入到半导体激光器a。此时也没有光输出；如果光波中心波长与F-P标准具e透射波长对准时，圆偏振光透过F-P标准具e，经过第二1/4波片f后，变成与原偏振方向垂直的线偏振光，再经过前腔面反射镜g后反射，沿原光路返回，经过多次分别经过第二1/4波片f，F-P标准具e和第一1/4波片d后，变成线偏振光，且与原振动方向一致，经过偏振棱镜c和准直透镜b后，注入半导体激光器a。

一前腔面反射镜g，左端面镀一定比例的反射膜，形成一外腔，提供反馈光，右侧镀增透膜；

一隔离器h，防止光纤端面的反射光进入反向光路；

一聚焦透镜i，将光路中的平行光聚焦耦合进入光纤j；

一锥形头光纤j，聚焦透镜后的光纤头为锥形的，以降低光纤端面的反射率，同时在该光纤头端面镀增透膜以提高输出光的耦合效率。

请再参阅图1，在上述频率自锁定分布反馈外腔窄线宽半导体激光器中，光的行为分析如下：

1.将半导体激光器a激射的激光通过准直透镜b进行准直后射向偏振棱镜c；

2.偏振棱镜c只能使特定偏振方向的线偏振光通过，它能够在正向光路和反向光路上对不同偏振态的光进行选择性通过，与两个1/4的波片和F-P标准具e配合使用时，光的行为是：当线偏振光经过第一1/4波片d后，变成圆偏振光，如果光波中心波长与F-P标准具e的透射波长不匹配时，圆偏振光将被F-P标准具e的第一个端面反射，再次经过第一1/4波片d后，变为线偏振光，偏振方向与原来垂直，从而经过偏振棱镜c后，光路改变90度出射，不会注入到半导体激光器a。此时也没有光输出；如果光波中心波长与F-P标准具e透射波长对准时，圆偏振光透过F-P标准具e，经过第二1/4波片f后，变成与原偏振方向垂直的线偏振光，再经过前腔面反射镜g后反射，沿原光路返回，经过多次分别经过第二1/4波片f，F-P标准具e和第一1/4波片d后，变成线偏振光，且与原振动方向一致，经过偏振棱镜c和准直透镜b后，注入半导体激光器a。

3.前腔面反射镜g作为外腔镜，从平面镜处反射回F-P标准具e的某一波长的光与F-P标准具e的峰值增益谱一致时(这可以通过调节半导体激光器的激射波长来实现)，反馈光的增益将大大提高，且其它模式的光被大大抑制而达到单模频率锁定状态，这样又由于外腔对线宽的压窄作用，即可实现本发明提出的频率自锁定分布反馈外腔窄线宽半导体激光器。

4.隔离器h用来隔离聚焦透镜及光纤端面处的反射光。

如图2所示，为F-P标准具的增益谱和半导体激光器的单纵模谱图；适当调节激光器的工作电流或工作温度，使得激光器的激射波长与F-P标准具的峰值增益谱重合，这样既能实现单纵模激射提高边模抑制比实现频率自锁定，也能使得反馈光增益大大增强，提高注入光的强度，使输出光线宽显著压窄。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，包括在光路上依次设置的半导体激光器(a)、准直透镜(b)、偏振棱镜(c)、第一1/4波片(d)、F-P标准具(e)、第1/4波片(f)、前腔面反射镜(g)、隔离器(h)、聚焦透镜(i)和光纤(j)。

2.根据权利要求1所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器(a)选用分布反馈半导体激光器，或者选用分布布拉格反射(DBR)半导体激光器。

3.根据权利要求2所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器(a)的左端面入光口镀高反射膜，右端面出光口镀增透膜。

4.根据权利要求1所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜(b)的前后端面均镀有增透膜，以避免反射。

5.根据权利要求1所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，为避免反射，所述偏振棱镜(c)在前后端面均镀有增透膜，或者略微倾斜一个角度。

6.根据权利要求1所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述F-P标准具(e)两端面均镀有高反膜，以实现高Q值滤波器。

7.根据权利要求6所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述F-P标准具(e)的腔长，使其自由光谱范围达到50GHz或100GHz，且透射波长与ITU-T标准波长匹配。

8.根据权利要求1所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，为避免反射，所述第一1/4波片(d)和所述第二1/4波片(f)均镀有增透膜；

当线偏振光经过第一1/4波片(d)后，变成圆偏振光，如果光波中心波长与所述F-P标准具(e)的透射波长不匹配时，圆偏振光将被所述F-P标准具(e)的第一个端面反射，再次经过第一1/4波片(d)后，变为线偏振光，偏振方向与原来垂直，从而经过所述偏振棱镜(c)后，光路改变90度出射，不会注入到所述半导体激光器(a)，此时也没有光输出；

如果光波中心波长与所述F-P标准具(e)透射波长对准时，圆偏振光透过所述F-P标准具(e)，经过第一1/4波片(f)后，变成与原偏振方向垂直的线偏振光，再经过所述前腔面反射镜(g)后反射，沿原光路返回，分别经过所述第二1/4波片(f)、所述F-P标准具(e)和所述第一1/4波片(d)后，变成线偏振光，且与原振动方向一致，经过所述偏振棱镜(c)和所述准直透镜(b)后，注入所述半导体激光器(a)。

9.根据权利要求1所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述前腔面反射镜(g)左侧端面镀有一定比例的反射膜，在右侧镀有增透膜。

10.根据权利要求1、2或3所述的实现频率自锁定的分布反馈外腔窄线宽半导体激光器，其特征在于，该分布反馈外腔窄线宽半导体激光器或者是将光在其左侧输出，在右侧实现反馈锁定，此时该分布反馈外腔窄线宽半导体激光器左侧耦合输出结构为一准直透镜、一隔离器、一聚焦透镜和一耦合输出光纤。

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