CN104393482A - 基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统及调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统及调谐方法。半波耦合半导体激光器上设有耦合器电极、波长选择电极和精细调谐电极；控制器发出控制信号接可调电流源，可调电流源发出三路电流分别控制以上三个电极驱动激光器输出准连续调谐激光；或在半波耦合半导体激光器后添加分束器和波长检测器，激光器输出激光经分束器分束后，一路作为主输出，另一路经波长检测器反馈波长信息至控制器。本发明无需制作光栅，成本低，成品率和可靠性高；准连续调谐方法简单，最多只需要2个电极协同调谐；实现准连续调谐时，需要注入电流和电流变化范围都很小，产热也很小，不会对激光器的出射功率均衡性、工作寿命、线宽和噪声特性以及带来影响。

Description

基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统及调谐方法

技术领域

本发明涉及准连续调谐系统和调谐方法，尤其是涉及一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统及调谐方法。

背景技术

大范围准连续调谐系统可以连续覆盖一定范围内的所有波长，可以广泛应用于光谱测量和生物检测。目前所提出的准连续调谐方案，结构和控制算法都比较复杂，成本较高。例如，1998年，"Ridge Waveguide Sampled Grating DBRLasers with 22-nm Quasi-Continuous Tuning Range,IEEE Photonics TechnologyLetters,10(9):1211-1213"一文中利用SG-DBR激光器实现了22nm的准连续调谐；1996年，“Quasicontinuous Wavelength Tuning in Super-Structure-Grating(SSG)DBR Lasers，IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.，32(3):433-441”一文中利用SSG-DBR激光器实现了34nm的准连续调谐。这些准连续调谐方案需要同步调谐三个电极的注入电流，算法复杂，电路和算法上不易实现，且所用激光器制作需要光栅，工艺十分复杂，导致成品率不易控制。这些不利因素阻碍了很多应用的推广。

为了提供廉价的可调谐半导体激光器，浙江大学何建军教授的团队提出了两种基于半波耦合的可调谐半导体激光器，详见“V型耦合腔波长可切换半导体激光器”，授权公告号：CN100463312B；“利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器”，授权公告号：CN102545043B。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统及调谐方法，利用廉价的可调谐半导体激光器构建一套准连续调谐系统，通过简明的控制方法实现大范围准连续调谐。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统：

本发明包括控制器、可调电流源和半波耦合半导体激光器；半波耦合半导体激光器上设有耦合器电极、波长选择电极和精细调谐电极；控制器发出控制信号接可调电流源后，可调电流源发出三路电流分别控制耦合器电极、波长选择电极和精细调谐电极使半波耦合半导体激光器输出准连续调谐的激光。

在半波耦合半导体激光器后添加分束器和波长检测器，半波耦合半导体激光器输出激光经分束器分束后，一路作为半波耦合半导体激光器主输出，另一路经波长检测器反馈波长信息至控制器。

所述波长监测器由光学滤波器和光功率计构成。

所述波长监测器由一个集成在激光器芯片上的光学滤波器和光功率计构成。

所述光学滤波器由一个法布里-珀罗标准具构成或者由一个环形波导谐振腔构成。

二、一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，有三种调谐方法：

1)在波长选择电极和精细调谐电极上的工作电流分别设置一系列波长跳模点，每个波长跳模点分别对应波长选择电极和精细调谐电极上的不同电流，相邻两个波长跳模点之间对应一个波长无跳模工作区间；通过控制器按照一定电流变化函数同步调节波长选择电极和精细调谐电极的注入电流，在两个跳模点之间所述两个电极注入电流变化量按一定比例连续调节，使得输出波长无跳模连续调谐，而在跳模点上两个电极注入电流同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，从而实现激光器的波长准连续调谐。

所述两个电极注入电流变化量按一定比例连续调节是指在一个无跳模工作区间内波长选择电极和精细调谐电极上电流变化量的比例等于相应电极所覆盖波导的长度比例。

所述一定电流变化函数由每段无跳模工作区间其两端跳模点工作电流的线性插值或多项式函数插值决定；或者所述一定电流变化函数由波长调谐曲线所对应的等效折射率变化函数决定。

2)在半波耦合半导体激光器的某个单纵模激射情况下调节耦合器电极的电流或者调节激光器工作温度实现无跳模调谐，通过波长选择电极或精细调谐电极来切换纵模，在跳模点上耦合器电极电流或者激光器工作温度同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，从而实现激光器的大范围波长连续调谐。

3)波长监测器用于监测波长返回给控制器，从而实现校准和实时监测波长的功能。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1)使用基于半波耦合半导体激光器，无需制作光栅，结构简单，成本低，成品率和可靠性高。

2)准连续调谐算法简单，最多只需要2个电极协同调谐，系统简单明了，电路和算法实现容易。

3)实现准连续调谐时，需要的注入电流和电流变化范围都很小，产热也很小，不会对激光器的出射功率均衡性、工作寿命、线宽和噪声特性以及带来影响。

附图说明

图1是本发明第1个实施例的结构示意图。

图2(a)是基于半波耦合的V型腔可调谐半导体激光器原理图。

图2(b)是基于半波耦合的矩型腔可调谐半导体激光器原理图。

图3是基于半波耦合半导体激光器游标效应和准连续调谐原理图。

图4是第1个实施例中通过调节波长选择电极注入电流实现的单电极数字式调谐的性能图。

图5是第1个实施例中通过同步调节波长选择电极和精细调谐电极注入电流实现的准连续调谐性能图。

图6是波长选择电极所在谐振腔中梳状谱变化量和调谐电流之间的曲线关系图。

图7是波长选择电极所在谐振腔中无源波导折射率变化量和调谐电流之间的曲线关系图。

图8是本发明第2个实施例的结构示意图。

图9是本发明第3个实施例的结构示意图。

图中：1、控制器，2、可调电流源，3、半波耦合半导体激光器，31、耦合器电极，32、波长选择电极，33、精细调谐电极，4、分束器，5、波长监测器，6、光学滤波器，7、光功率计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括控制器1、可调电流源2和半波耦合半导体激光器3；半波耦合半导体激光器3上设有耦合器电极31、波长选择电极32和精细调谐电极33；控制器1发出控制信号接可调电流源2后，可调电流源2发出三路电流分别控制耦合器电极31、波长选择电极32和精细调谐电极33使半波耦合半导体激光器3输出准连续调谐的激光。

如图8所示，本发明在半波耦合半导体激光器3后添加分束器4和波长检测器5，半波耦合半导体激光器3输出激光经分束器4分束后，一路作为半波耦合半导体激光器3主输出，另一路经波长检测器5反馈波长信息至控制器1。

如图9所示，本发明所述波长监测器5由光学滤波器6和光功率计7构成。

所述波长监测器5由一个集成在激光器芯片上的光学滤波器6和光功率计7构成。

所述光学滤波器6由一个法布里-珀罗标准具构成或者由一个环形波导谐振腔构成。

本发明的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，有三种调谐方法：

1)在波长选择电极32和精细调谐电极33上的工作电流分别设置一系列波长跳模点，每个波长跳模点分别对应波长选择电极32和精细调谐电极33上的不同电流，相邻两个波长跳模点之间对应一个波长无跳模工作区间；通过控制器1按照一定电流变化函数同步调节波长选择电极32和精细调谐电极33的注入电流，在两个跳模点之间所述两个电极注入电流变化量按一定比例连续调节，使得输出波长无跳模连续调谐，而在跳模点上两个电极注入电流同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，从而实现激光器的波长准连续调谐。

所述两个电极注入电流变化量按一定比例连续调节是指在一个无跳模工作区间内波长选择电极32和精细调谐电极33上电流变化量的比例等于相应电极所覆盖波导的长度比例。

所述一定电流变化函数由每段无跳模工作区间两端跳模点工作电流的线性插值或多项式函数插值决定；或者所述一定电流变化函数由波长调谐曲线所对应的等效折射率变化函数决定。

2)在半波耦合半导体激光器3的某个单纵模激射情况下调节耦合器电极31的电流或者调节激光器工作温度实现无跳模调谐，通过波长选择电极32或精细调谐电极33来切换纵模，在跳模点上耦合器电极31电流或者激光器工作温度同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，从而实现激光器的大范围波长连续调谐。

3)波长监测器5用于监测波长返回给控制器1，从而实现校准和实时监测波长的功能。

如图1所示，是本发明基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统的第1个实施例。本发明包括控制器1、可调电流源2和半波耦合半导体激光器3；半波耦合半导体激光器3上设有耦合器电极31、波长选择电极32和精细调谐电极33；控制器1发出控制信号接可调电流源2后，可调电流源2发出三路电流分别控制耦合器电极31、波长选择电极32和精细调谐电极33使半波耦合半导体激光器3输出准连续调谐的激光。

基于半波耦合半导体激光器实现方案有图2(a)所示的基于半波耦合的V型腔可调谐半导体激光器，详见“V型耦合腔波长可切换半导体激光器”，授权公告号：CN100463312B；和图2(b)所示的基于半波耦合的矩型腔可调谐半导体激光器，详见“利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器”，授权公告号：CN102545043B。这两种激光器都有三个调谐电极，分别为耦合器电极31、波长选择电极32和精细调谐电极33。

图3是基于半波耦合半导体激光器游标效应和准连续调谐原理图。此类型激光器由FP谐振腔或者环形谐振腔形成两个FSR(自由光谱范围)有轻微差别的梳妆谱，FSR1和FSR2的两组梳状谱之间会有一些模式重合，又由于增益谱的选择性，这些重叠的纵模只有一个模式会激射，于是便实现了单模激射。定义耦合器电极31的注入电流为I_c,精细调谐电极33的注入电流为I_r,波长选择电极32的注入电流为I_t。保持I_c和I_r恒定不变，增大I_t,这样波长选择电极32所在谐振腔中无源波导的折射率会减小，导致该谐振腔决定的梳状谱向长波长方向移动，移动速率为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{L_p}{n_a{L}_a+n_p{L}_p}{\mathrm{\Δn}}_p---\left(1\right)$

其中λ为波长，Δλ为波长的变化量，L_p和n_p分别为波长选择电极32所在谐振腔中无源波导的长度和折射率，L_a和n_a分别为波长选择电极32所在谐振腔中有源波导的长度和折射率，Δn_p为波长选择电极32所在谐振腔中无源波导的折射率变化量。由于游标效应，整个半波耦合激光器3的激射波长会向短波长方向数字式切换。比如，对于V型耦合腔激光器，当两个FP谐振腔腔长分别为420μm和440μm，且腔内无源波导长度等于有源波导长度，半波耦合器直通耦合系数为0.873，I_c＝100mA,I_r＝16mA时，如图4所示，通过调节波长选择电极32注入电流实现单电极数字式调谐，总共实现了21个100GHz间隔的数字式调谐。同样增大精细调谐电极33的注入电流I_r，精细调谐电极33所在谐振腔决定的梳状谱也会向长波长方向移动，但是由于其自由光谱范围Δf大于另一谐振腔的自由光谱范围Δf’，由于游标效应，整个V型耦合腔激光器的激射波长会向长波长方向数字式切换。

为了满足无跳模调谐，本质上来讲就是要满足FSR1的谐振腔和FSR2的谐振腔所产生梳状谱移动的速率相等，方向相同。这样在某一单纵模激射的情况下，同步增大或减小波长选择电极32和精细调谐电极33的偏置电流，且波长选择电极32和精细调谐电极33上电流变化量的比例等于相应电极所覆盖波导的长度比例，便可以使得输出波长无跳模连续调谐，通常可以取得0～20nm左右的调谐范围。进一步通过拼接多段无跳模连续调谐来扩展连续波长的调谐范围，可以实现更大范围的准连续调谐。如图5所示是第1个实施例中通过同步调节波长选择电极32和精细调谐电极33注入电流实现的准连续调谐性能图，该例子在每个激射纵模下都实现了0.8nm的无跳模调谐，并通过拼接21段0.8nm的无跳模调谐得到了16.8nm的准连续调谐结果。而为了保证相邻两段无跳模调谐区域波长上无缝拼接，即相邻激射纵模在波长上无缝拼接，本方法同时调整了波长选择电极32和精细调谐电极33上的注入电流。这种调谐方式由于不需要太大的调谐电流变化量，一般不会超过25mA，这样带来的热也会少很多。

下面将详细讨论此方法波长选择电极32和精细调谐电极33的同步调谐电流是怎么得到的。对于无源波导，折射率随载流子浓度而变，关系为：

$\mathrm{\Δn}=-{\mathrm{\Γ}}_p\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dN}}N---\left(2\right)$

其中Δn为折射率变化量，Г_p为波导的限制因子，dn/dN为折射率相对于载流子浓度的变化系数，N为载流子浓度。而载流子浓度N可以由载流子浓度的静态方程：

$\frac{I}{\mathrm{Ve}}-\mathrm{AN}-{\mathrm{BN}}^2-{\mathrm{CN}}^3=0---\left(3\right)$

得到。其中I为注入电流，V为波导芯层体积，e为自由电子电量，A、B和C分别为非辐射复合系数、双分子复合系数和俄歇复合系数。

为保证两个谐振腔的梳状谱移动的速率相等，精细调谐电极33和波长选择电极32的同步调谐电流为：

I_ci＝I_ci0+ΔI_c(Δλ)

                            (4)

I_fi＝I_fi0+ΔI_f(Δλ)

其中，I_ci和I_fi分别为图3所示第i个信道内实现无跳模调谐时的同步电流，I_ci0和I_fi0是相应i信道的分别对应于I_ci和I_fi的参考电流，此处，对于所有信道I_ci0都为16mA,但I_fi0的值是如图3所示的调谐曲线中每个信道中点时的电流值，图中已用五角星标出。同步的电流变化量ΔI_c(Δλ)和ΔI_f(Δλ)可以由式(1-3)计算得到。图5(a)所示的同步电流就是通过这种方式计算得来的,图5(b)中的波长时根据图5(a)中的电流信息用时域行波法计算得到。

当然，对于大规模生产，用上面介绍的算法来快速有效的得到一个具体器件的同步调谐电流，将会十分困难。这时，可以采用V型耦合腔激光器的一些外在特性来估算出无源波导折射率变化量和调谐电流的关系。比如，通过扫描V型耦合腔激光器单电极调谐的性能，得到如图3所示的调谐曲线，然后取得每一段信道的中点，除以游标效应带来的放大效应(此处M＝20),便可以得到波长选择电极32所在谐振腔的梳状谱移动量与调谐电流的关系，如图6所示。由式(1)可以知道梳状谱移动量和无源波导之间的折射率变化量之间的关系，这样由图6可以得到图7，即波长选择电极所在谐振腔中无源波导折射率变化量和调谐电流之间的曲线关系，可以拟合该曲线用以计算同步的电流变化量ΔI_c(Δλ)和ΔI_f(Δλ)。这样控制器1就可以控制可调电流源2驱动合适的电流来实现准连续调谐。

当然也可以简单通过插值的方法得到电流曲线：在一个无跳模工作区间内波长选择电极32和精细调谐电极33上电流变化函数近似地由其两端跳模点工作电流的线性插值或多项式函数插值决定。

对于基于半波耦合的矩型腔可调谐半导体激光器与基于半波耦合的V型腔可调谐半导体激光器实现准连续调谐的原理一样，唯一差别在于基于半波耦合的矩型腔可调谐半导体激光器的一组梳状谱由环产生。

另外，在半波耦合半导体激光器3的某个单纵模激射情况下调节耦合器电极31的电流或者调节激光器工作温度实现无跳模调谐，通过波长选择电极32或精细调谐电极33来切换纵模，在跳模点上耦合器电极31电流或者激光器工作温度同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，也可以实现激光器的大范围波长连续调谐。此方法中，改变温度同步改变了激光器中所有波导的折射率，两个谐振腔的梳状谱移动的速率相等，方向相同，可以实现无跳模调谐；而改变耦合器的注入电流，是由于半波耦合半导体激光器在耦合器覆盖波导所占对应谐振腔长度比例相等时，同样可以保证两个谐振腔的梳状谱移动的速率相等，方向相同，故同样可以实现无跳模调谐

如图8所示，是本发明基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统及其实现方法的第2个实施例。本发明包括控制器1、可调电流源2、半波耦合半导体激光器3、分束器4和波长监测器5；半波耦合半导体激光器3上有耦合器电极31、波长选择电极32和精细调谐电极33三个电极。与第1个实施例相比，本实施例添加了分束器4和波长监测器5，分束器4将激光输出分一部分到波长监测器5用于监测波长返回给控制器1，从而实现校准和实时监测波长的功能。波长监测器5可以是光谱仪，如图8所示的原理图，此时直接返回波长信息。

波长监测器5也可以由光学滤波器6和光功率计7构成，如图9所示第3个实施例的原理图。光学滤波器可以为法布里-珀罗标准具或者环形波导谐振腔构成的滤波器。光学滤波器6和光功率计7都可以集成在激光器芯片上。激光器模式跳变时，输出功率会发生明显跳变。这样同时利用光学滤波器的透过率对波长依耐性的特点，对于一段无跳模调谐情况，光功率计7接收到的功率值会连续变化，通过检测功率值就可以监测到波长值；如果功率出现大跳变，则说明无跳模调谐失败，需要从新校准。

Claims (10)

1.一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统，其特征在于：包括控制器（1）、可调电流源（2）和半波耦合半导体激光器（3）；半波耦合半导体激光器（3）上设有耦合器电极（31）、波长选择电极（32）和精细调谐电极（33）；控制器（1）发出控制信号接可调电流源（2）后，可调电流源（2）发出三路电流分别控制耦合器电极（31）、波长选择电极（32）和精细调谐电极（33）使半波耦合半导体激光器（3）输出准连续调谐的激光。

2.根据权利要求1所述的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统，其特征在于：在半波耦合半导体激光器（3）后添加分束器（4）和波长检测器（5），半波耦合半导体激光器（3）输出激光经分束器（4）分束后，一路作为半波耦合半导体激光器（3）主输出，另一路经波长检测器（5）反馈波长信息至控制器（1）。

3.根据权利要求2所述的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统，其特征在于：所述波长监测器（5）由光学滤波器（6）和光功率计（7）构成。

4.根据权利要求2所述的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统，其特征在于：所述波长监测器（5）由一个集成在激光器芯片上的光学滤波器（6）和光功率计（7）构成。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐系统，其特征在于：所述光学滤波器（6）由一个法布里-珀罗标准具构成或者由一个环形波导谐振腔构成。

6.用于权利要求1所述系统的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，其特征在于：在波长选择电极（32）和精细调谐电极（33）上的工作电流分别设置一系列波长跳模点，每个波长跳模点分别对应波长选择电极（32）和精细调谐电极（33）上的不同电流，相邻两个波长跳模点之间对应一个波长无跳模工作区间；通过控制器(1)按照一定电流变化函数同步调节波长选择电极（32）和精细调谐电极（33）的注入电流，在两个跳模点之间所述两个电极注入电流变化量按一定比例连续调节，使得输出波长无跳模连续调谐，而在跳模点上两个电极注入电流同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，从而实现激光器的波长准连续调谐。

7.根据权利要求6所述的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，其特征在于：所述两个电极注入电流变化量按一定比例连续调节是指在一个无跳模工作区间内波长选择电极（32）和精细调谐电极（33）上电流变化量的比例等于相应电极所覆盖波导的长度比例。

8.根据权利要求6所述的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，其特征在于：所述一定电流变化函数由每段无跳模工作区间两端跳模点工作电流的线性插值或多项式函数插值决定；或者所述一定电流变化函数由波长调谐曲线所对应的等效折射率变化函数决定。

9.用于权利要求1所述系统的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，其特征在于：在半波耦合半导体激光器（3）的某个单纵模激射情况下调节耦合器电极（31）的电流或者调节激光器工作温度实现无跳模调谐，通过波长选择电极（32）或精细调谐电极（33）来切换纵模，在跳模点上耦合器电极（31）电流或者激光器工作温度同时发生跃变，在不改变输出波长情况下改变纵模级次，使得相邻的无跳模工作区间所对应的输出波长无缝拼接，从而实现激光器的大范围波长连续调谐。

10.用于权利要求2所述系统的一种基于半波耦合半导体激光器的准连续调谐方法，其特征在于：波长监测器（5）用于监测波长返回给控制器（1），从而实现校准和实时监测波长的功能。