CN105356294B - 可调谐窄线宽半导体激光器 - Google Patents

可调谐窄线宽半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种可调谐窄线宽半导体激光器，包括分布反馈半导体激光器、电流驱动器、第一温度控制器、保偏光纤环形器、保偏光纤耦合器、保偏光纤光栅法布里‑珀罗腔、第二温度控制器、保偏光纤可调衰减器和隔温隔振外壳。该装置利用光纤光栅法布里‑珀罗腔的透射峰对半导体激光器进行光学自注入锁定，实现半导体激光器的噪声抑制，并且通过调节半导体激光器温度和电流实现窄线宽准连续调谐激光输出，本发明具有光路搭建简便、结构紧凑、轻量化、稳健性好的优点。

Description

可调谐窄线宽半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器，特别是一种可调谐窄线宽半导体激光器，该装置可应用于激光原子冷却、激光雷达、光纤传感等领域。
背景技术
窄线宽半导体激光光源由于其具有稳定、可靠及低成本等优点而在合成孔径激光雷达、相干激光通信、高分辨率光谱、光纤水听器、光纤陀螺等前沿基础学科和高科技领域有着重要和广泛的应用需求。目前半导体激光器的线宽压窄主要通过从高精细度谐振腔、光栅等外部选频元件引入光反馈的方法，经过几十年的发展，半导体激光器的线宽已经得到大幅的压窄，由半导体激光器直接输出激光的线宽可以达到1kHz以下，并且通过外部电子学稳频反馈技术可以将激光线宽进一步压窄到1Hz以下。
目前窄线宽半导体激光装置的主要实现方案有：
在先方案之一是利用硅基平面波导光栅及半导体增益芯片构成的外腔半导体激光器，利用平面波导光栅色散器件作为半导体激光器的外部反射元件，一方面可以有效地增加半导体激光器的腔长而对激光器的噪声进行抑制，另一方面可以使激光器工作在光栅反射谱的斜边处利用光学负反馈效应进一步压窄激光器线宽，该方案可以实现对整个激光器的小型化蝶形封装，输出稳定的单纵模激光，所输出激光的积分线宽在kHz量级，但该方案所涉及的平面波导光栅制造复杂、成本较高，并且在线宽的进一步压窄方面存在限制【Kenji Numata,Mazin Alalusi,Lew Stolpner,Georgios Margaritis,Jordan Camp,andMichael Krainak.Characteristics of the single-longitudinal-mode planar-waveguide external cavity diode laser at 1064nm.Optics Letters,vol.39,2101-2104,2014】【Kenji Numata,Jordan Camp,Michael A.Krainak,LewStolpner.Performance of planar-waveguide external cavity laser for precisionmeasurements.Optics Express,vol.18,22781-22788,2010】。
在先方案之二是利用由氟化钙制成的高品质因子回音壁模式谐振腔与分布反馈半导体激光芯片构成的外腔半导体激光器，利用自注入锁定技术将激光器的频率锁定在谐振腔的反射峰上实现线宽的的压窄以提高光谱纯度，由于回音壁模式谐振腔体积很小，故该方案的激光器可以进行商用蝶形封装，所输出激光的积分线宽为30Hz，而瞬时线宽可以达到毫赫兹量级，但是同样的该方案所涉及的回音壁模式谐振腔造作工艺复杂，分布反馈半导体激光芯片与回音壁模式谐振腔之间需要精密的光耦合，且在强反馈情况下其稳定工作范围为4GHz，需要精确的电流温度控制。【W.Liang,V.S.Ilchenko,D.Eliyahu,A.A.Savchenkov,A.B.Matsko,D.Seidel,L.Maleki1.Ultralow noise miniatureexternal cavity semiconductor laser.naturecommunications,vol,6,7371,2015】。
在先方案之三是利用光纤光栅、掺铒光纤及半导体增益芯片等元件构成的混合型外腔半导体激光器，光纤光栅作为被动选频元件对激光器的噪声进行抑制，同时通过掺铒光纤的饱和吸收效应产生的自诱导光纤光栅窄带滤波器保证激光器的单纵模激射，并利用Er3+离子的长辐射寿命提高激光器的长期稳定性，该方案输出的激光线宽为2.26kHz，长期频率稳定性为11Hz，但该方案所用的掺铒光纤长度较长，且半导体增益芯片与光纤之间需要严格的对准，所以稳定性较差，目前只能在实验室中实现，并没有集成化装置【MamounWahbeh,Raman Kashyap.Purity of the single frequency mode of a hybridsemiconductor-fiber laser.Optics Express,vol.23,16084-16095,2015】。
以上方案基本上都需要准确地校准半导体芯片与外部反馈元件的相对位置，在实际操作中校准难度大，并且频率的调谐多依靠整体温度的改变引起的腔长变化，调谐速度较慢，且激光器在特定温度下只能工作在一个固定的电流范围内才能保证窄线宽运转特性。
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的可调谐窄线宽半导体激光器。该激光器利用保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的透射光对分布反馈半导体激光器进行反馈，通过调整反馈强度、分布反馈半导体激光器的电流及温度可以输出在保偏光纤光栅法布里-珀罗腔不同透射峰处激发的窄线宽激光，实现准连续窄线宽激光输出，本发明具有光路搭建简便、结构紧凑、轻量化、稳健性好的优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种可调谐窄线宽半导体激光器，包括分布反馈半导体激光器、电流驱动器、第一温度控制器、特点在于还有保偏光纤环形器、保偏光纤耦合器、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔、第二温度控制器、保偏光纤可调衰减器和隔温隔振外壳，所述的电流驱动器的输出端和第一温度控制器的输出端分别与所述的分布反馈半导体激光器的驱动电流输入端和温度控制输入端相连，该分布反馈半导体激光器的光输出端连接所述的保偏光纤环形器的②端口，该保偏光纤环形器的③端口与所述的保偏光纤耦合器的输入端相连，该保偏光纤耦合器的第二输出端与所述的保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的输入端相连，该保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的输出端与所述的保偏光纤可调衰减器的输入端相连，该保偏光纤可调衰减器的输出端与保偏光纤环形器的①端口相连，第二温度控制器的输出端与保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的温度控制输入端相连，全部光学元件的输入输出端均为保偏光纤连接，所述的分布反馈半导体激光器、保偏光纤环形器、保偏光纤耦合器、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔和保偏光纤可调衰减器置于所述的隔温隔振外壳内。
本发明的核心思想是：利用分布反馈半导体激光器的自反馈注入锁定技术，结合高品质因子保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的窄透射谱对半导体激光器的噪声抑制作用。保偏光纤光栅法布里-珀罗腔通常由两个波长匹配的高反射率切趾光纤布拉格光栅构成，由于光场在光纤的内往返多次干涉作用，使经过法布里-珀罗腔的透射谱表现为在光纤光栅的透射谱的谷底处出现具有等频率间隔的连续窄透射峰，其频率间隔与两光栅的栅区位置间隔有关(通常为几个G赫兹)。这些透射峰具有很高的消光比，光频在透射峰外的透过率几乎为零，对于半导体激光器的反馈来说可以有效地避免强光反馈引入的不稳定现象；几十兆赫兹的透射谱宽度使得保偏光纤光栅法布里-珀罗腔具有很高的品质因子，通过反馈注入锁定技术可将分布反馈半导体激光器的线宽压缩3个数量级；分布反馈半导体激光器本身具有选频特性，只要设置合适的温度和电流使自由运转的分布反馈半导体激光器的输出频率锁定在保偏光纤光栅法布里-珀罗腔透射峰上并且实现单纵模运转，其锁定范围为G赫兹量级，改变电流即可实现分布反馈半导体激光器在不同透射峰处的锁定。
本发明的技术解决方案如下：
与在先技术相比，本发明的特点和优点是：
1、与在先技术相比，本发明的窄线宽半导体激光器便于实现整个激光装置的全光纤化结构，可以解决常用的窄线宽激光器中存在的半导体芯片与外腔精确校准难度大的问题，可利用现有的工艺成熟的商用保偏光纤输出端口的产品将各元件无损连接，各元件间的对接固定简便，避免了体光学元件光路调整复杂的问题；
2、与在先技术相比，本发明的窄线宽半导体激光器，全部光学元件的输入输出端均为保偏光纤，并且利用可调谐保住光纤光衰减器对反馈光强度进行控制，可以极大的消除空气流动、机械振动等环境扰动对反馈光路的影响，具有稳健性好的优点。
3、与在先技术相比，本发明的窄线宽半导体激光器，利用保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的透射光而非反射光进行反馈，可以大大地提高激光器的窄线宽输出工作电流范围，并通过调节电流便可实现窄线宽激光的准连续调谐。
附图说明
图1是本发明可调谐窄线宽半导体激光器的总体结构示意图；
图2是本发明所涉及的保偏光纤光栅法布里-珀罗腔透射光谱示意图；
图3是本发明所涉及的窄线宽激光输出光谱示意图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明可调谐窄线宽半导体激光器的总体结构示意图。由图可见，本发明可调谐窄线宽半导体激光器的构成包括分布反馈半导体激光器1、电流驱动器2、第一温度控制器3、保偏光纤环形器4、保偏光纤耦合器5、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6、第二温度控制器7、保偏光纤可调衰减器8和隔温隔振密封外壳9，所述的电流驱动器2的输出端及第一温度控制器3的输出端分别与分布反馈半导体激光器1的驱动电流的输入端和温度控制的输入端相连，为分布反馈半导体激光器1提供驱动电流和温度控制，所述的分布反馈半导体激光器1的光输出端与所述的保偏光纤环形器4的②端口相连，所述的保偏光纤耦合器5的输入端与所述的保偏光纤环形器4的③端口相连，所述的保偏光纤耦合器5的一个输出端用于窄线宽准连续调谐激光的输出，另一个输出端依次经所述的保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6、保偏光纤可调衰减器8与保偏光纤环形器4的①端口相连，全部光学元件的输入输出端均为保偏光纤连接，以上所述的所有光学元件部分均置于所述的隔温隔振密封外壳9中。
本调频装置使用的具体步骤为：
1.将第二温度控制器7的输出端接到保偏光纤光栅法布里-珀罗腔(FP)6的温度控制输入端，对保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6进行控温，待温度稳定后利用光谱分析仪对保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6的透射谱进行测量，所采用的光谱分析仪为APEXTechnologies公司生产、精度为0.04pm、型号为AP-2041B的高精度光谱分析仪，将光谱分析仪后面板上的可调谐光源输出端与前面板上光谱分析仪的输入端分别与保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6的两个端口连接，利用光谱分析仪的TRACE1对保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6的透射光谱进行测量，获得如图2所示的透射光谱，在光谱分析仪上固定显示；
2、将电流驱动器2及第一温度控制器3的输出端与分布反馈半导体激光器1的输入端相连，调整半导体激光器控制器的电流，使激光器的输出功率满足要求，并按图1所示连接保偏光纤环形器4、保偏光纤耦合器5、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6、保偏光纤可调衰减器8，将保偏光纤可调衰减器8的损耗调至最大；
3.将保偏光纤耦合器5的另一个输出端接到光谱分析仪前面板的输入口，利用光谱分析仪的TRACE2对分布反馈半导体激光器1的输出光谱进行测量，调整第一温度控制器3温度设定值将该状态下分布反馈半导体激光器1的输出波长粗略调至所述的保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6的选定的透射峰处；
3.缓慢减小保偏光纤可调衰减器8的衰减率并仔细观察光谱分析仪上TRACE2的谱形直至分布反馈半导体激光器的光谱线宽得到明显的压窄，说明此时激光器处于自反馈注入锁定状态，如图3所示；接着缓慢增大电流驱动器2的电流至分布反馈半导体激光器1的光谱线宽重新展宽后继续减小保偏光纤可调衰减器8的衰减率至分布反馈半导体激光器1的光谱线宽再次得到明显的压窄，重复以上步骤直至改变电流驱动器2的电流，将激光器锁定在相邻的透射峰的过程中不会引起光谱线宽的展宽为止；
4、将分布反馈半导体激光器1、保偏光纤环形器4、保偏光纤耦合器5、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔6、保偏光纤可调衰减器8全部置入隔温隔振密封外壳9内。
以上技术方案可以实现一种成本低廉、制作搭建简单的窄线宽准连续调谐激光装置，可适用于激光原子冷却、激光雷达、光纤传感等领域。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如分布反馈半导体激光器的形式可以替代为DBR半导体激光器，保偏光纤光栅法布里-珀罗腔形式可以替代为多个光纤光栅级联或相移光纤光栅等。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，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 (1)

1.一种可调谐窄线宽半导体激光器，包括分布反馈半导体激光器(1)、电流驱动器(2)、第一温度控制器(3)、特征在于还有保偏光纤环形器(4)、保偏光纤耦合器(5)、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔(6)、第二温度控制器(7)、保偏光纤可调衰减器(8)和隔温隔振外壳(9)，所述的电流驱动器(2)的输出端和第一温度控制器(3)的输出端分别与所述的分布反馈半导体激光器(1)的驱动电流输入端和温度控制输入端相连，该分布反馈半导体激光器(1)的光输出端连接所述的保偏光纤环形器(4)的②端口，该保偏光纤环形器(4)的③端口与所述的保偏光纤耦合器(5)的输入端相连，该保偏光纤耦合器(5)的第二输出端(52)与所述的保偏光纤光栅法布里-珀罗腔(6)的输入端相连，该保偏光纤光栅法布里-珀罗腔(6)的输出端与所述的保偏光纤可调衰减器(8)的输入端相连，该保偏光纤可调衰减器(8)的输出端与保偏光纤环形器(4)的①端口相连，第二温度控制器(7)的输出端与保偏光纤光栅法布里-珀罗腔(6)的温度控制输入端相连，全部光学元件的输入输出端均为保偏光纤连接，所述的分布反馈半导体激光器(1)、保偏光纤环形器(4)、保偏光纤耦合器(5)、保偏光纤光栅法布里-珀罗腔(6)和保偏光纤可调衰减器(8)置于所述的隔温隔振外壳(9)内；将保偏光纤可调衰减器(8)的衰减率调至最大，调整第一温度控制器(3)温度设定值，将该高衰减率状态下分布反馈半导体激光器(1)的输出波长通过工作温度的变化粗略调至所述的保偏光纤光栅法布里-珀罗腔的选定的透射峰处；缓慢减小保偏光纤可调衰减器(8)的衰减率直至分布反馈半导体激光器(1)的光谱线宽得到明显的压窄，此时激光器处于自反馈注入锁定状态；接着缓慢增大电流驱动器(2)的电流至分布反馈半导体激光器(1)的光谱线宽重新展宽后继续减小保偏光纤可调衰减器(8)的衰减率至分布反馈半导体激光器(1)的光谱线宽再次得到明显的压窄，重复以上步骤直至改变电流驱动器(2)的电流，将激光器锁定在相邻的透射峰的过程中不会引起光谱线宽的展宽为止。
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