CN105591282A - 一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器 - Google Patents

一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明为了提高外腔可调谐半导体激光器的波长调谐精度，设计一种基于平行光栅对外腔的高精度波长可调谐半导体激光器，利用平行光栅对与光学狭缝实现波长两级调谐，提高调谐精度；同时通过调节狭缝的宽度来实现输出光束线宽可调。

Description

一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术及光通信技术，尤其涉及一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器。
背景技术
光纤通信是20世纪人类所取得的最具革命性技术成就之一。由于光纤通信技术具有损耗小、传输频带宽、抗电磁干扰、体积小、信息容量大等优点，自诞生以来就一直以惊人的速度向前发展。随着人们对光纤通信系统大容量传输的进一步需要，密集波分复用(DWDM)光纤通信系统得到了大规模应用。密集波分复用光纤通信系统中可调谐半导体激光器是影响系统传输容量和传输速度的关健器件之一。
在光纤传感领域，波长可调谐激光器同样有着广泛的应用。很多传感器需要激光光源具备大范围连续调谐的能力；激光器的线宽影响相干检测系统的灵敏度和精度。
对比于其它类型调谐激光器，基于光栅外腔的可调谐半导体激光器具有一系列的优点，但是精度还需要进一步提高。为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器。
发明内容
本发明的目的为了提高外腔可调谐半导体激光器的波长调谐精度，设计一种基于平行光栅对外腔的高精度波长可调谐半导体激光器，利用平行光栅对与光学狭缝实现波长两级调谐，提高调谐精度；同时通过调节狭缝的宽度来实现输出光束线宽可调。
本发明所述一种基于平行光栅对外腔的高精度波长可调谐半导体激光器。所述波长可调谐激光器包括半导体激光器，准直镜，一对相互平行的衍射光栅，位置可调光学狭缝，部分反馈镜。所述准直镜、平行光栅对、部分反馈镜构成反馈外腔，其中部分反馈镜反馈一部分光回到半导体激光器，实现波长锁定。所述平行光栅对与光学狭缝构成波长两级调谐，平行光栅对实现粗调，光学狭缝实现精调。所述平行光栅对绕各自中心点同步旋转，从第一个光栅出射的光束方向改变，而从第二个光栅出射的光束与第一个光栅入射光束方向平行，只是对固定波长的光束，空间位置改变，连续旋转平行光栅对，第二个光栅后的光束沿一个方向平移实现波长粗调。所述光学狭缝可以垂直光束传播方向平移，狭缝选择特定波长的光束在入射到部分反馈镜上，进一步使特定波长的光束反馈到半导体激光器起振，实现波长的精度调谐。所述的光学狭缝的狭缝宽度可以改变，可以选择能形成波长锁定的光束的线宽，实现输出光束的线宽可调谐。
本申请请求保护一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器，该波长可调谐半导体激光器包括依次放置的半导体激光器、准直镜、平行光栅对、光学狭缝、部分反馈镜；
其中，准直镜与半导体激光器同光轴放置，距离为准直镜的焦距；所述平行光栅对103采用衍射效率高的透射光栅，透射光栅的中心在光轴上，第一个光栅的摆放角度满足入射光束的入射角与利特罗角一致的角度，第二个光栅与第一个光栅平行放置，中心放置在中间波长的光轴上；光学狭缝与部分反馈镜垂直光束传播方向放置；平行光栅对、光学狭缝、部分反馈镜构成的外腔反馈特定波长的光束回到半导体激光器，实现波长调谐；
两个透射光栅都安装有第一调谐装置，可以围绕光栅的中心转动，改变反馈光的波长，对波长进行粗调，转动过程中两个透射光栅的同步旋转，一直保持相互平行；
所述光学狭缝的两臂都安装在第二调谐装置上，可以垂直于光束传播的方向平移；通过光学狭缝的位移，对反馈光的波长进行进一步调整，对波长进行精调。
进一步的，所述半导体激光器的出射端镀有反射率极低的增透膜，保证进入半导体激光器的反馈光强度足够，更好的实现波长锁定。
进一步的，所述半导体激光器的增益介质具有较宽的增益带宽。
进一步的，所述部分反馈镜选择部分反射部分透射的平面镜。
进一步的，所述的第一和第二调谐装置都采用微机电系统(MEMS)驱动。
进一步的，所述的光学狭缝的狭缝宽度可以改变，可以选择能形成波长锁定的光束的线宽，实现输出光束的线宽可调谐。
进一步的，在平行光栅对的两个光栅之间放置可以折叠光束的装置。
本发明所提供的波长可调谐半导体激光器有如下有益效果：
该波长调谐激光器引入平行光栅对，使经过第一个光栅出射的波长不同传播方向不同的光束经过第二个光栅衍射之后按波长大小空间排列的一组平行光束，方向与光束第一个光栅的入射光束方向一致。通过旋转平行光栅对实现波长粗调，在此基础上引入光学狭缝，通过狭缝的平移来选择特定波长的光束反馈回半导体激光器，实现波长精度调谐。
附图说明
图1为本发明所述波长可调谐半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明所述平行光栅对粗调示意图；
图3为本发明所述光学狭缝精调示意图；
图4为本发明第一个实施例的结构示意图。
图5为本发明第二个实施例的结构示意图。
图6为本发明第三个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明的核心思想：通过平行光栅对使波长不同的光束按空间平行分布，再结合光学狭缝构成本发明的波长两级调谐，实现高精度调谐。因此凡是利用平行光栅对及空间滤波装置进行外腔波长调谐的半导体激光器都在本发明的保护范围之中。
附图1所示为本发明的一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器结构示意图。
该波长可调谐半导体激光器包括半导体激光器101、准直镜102、平行光栅对103、光学狭缝104、部分反馈镜105。准直镜102与半导体激光器101同光轴放置，距离为准直镜102的焦距；所述平行光栅对103采用衍射效率高的透射光栅，透射光栅的中心在光轴上，第一个光栅的摆放角度满足入射光束的入射角与利特罗角一致的角度，第二个光栅与第一个光栅平行放置，中心放置在中间波长的光轴上。光学狭缝104与部分反馈镜105垂直光束传播方向放置。
平行光栅对103、光学狭缝104、部分反馈镜105构成的外腔反馈特定波长的光束回到半导体激光器101，实现波长调谐。
两个透射光栅都安装有第一调谐装置，可以围绕光栅的中心转动，改变反馈光的波长，对波长进行粗调，转动过程中两个透射光栅的同步旋转，一直保持相互平行；
所述光学狭缝的两臂都安装在第二调谐装置上，可以垂直于光束传播的方向平移；通过光学狭缝的位移，对反馈光的波长进行进一步调整，对波长进行精调。通过光学狭缝404狭缝宽度的改变，实现输出光束线宽的可调。
半导体激光器发出的光束经过准直镜的准直，入射到平行光栅对，通过平行光栅对的分光作用使光束按波长大小空间排列的一组平行光束，经过光学狭缝的滤波特定波长的光入射到反馈镜，最后经反馈镜反射回到半导体激光器，形成波长锁定，光束经部分反馈镜输出。
所述半导体激光器的出射端镀有反射率极低的增透膜，保证进入半导体激光器的反馈光强度足够，更好的实现波长锁定。同时，所述半导体激光器的增益介质具有较宽的增益带宽求。
所述平行光栅对103采用衍射效率高的透射光栅，透射光栅的中心在光轴上，第一个光栅的摆放角度满足入射光束的入射角与利特罗角偏离很小的角度，第二个光栅与第一个光栅平行放置，中心放置在中间波长的光轴上。
所述部分反馈镜选择部分反射部分透射的平面镜。
所述的第一和第二调谐装置都采用微机电系统(MEMS)驱动。
参考图2，以下为平行光栅对的波长粗调的工作原理：
第一个光栅的光栅方程
d(sinα1+sinβ1)＝mλ(1)
第二个光栅的光栅方程
d(sinα2+sinβ2)＝mλ(2)
两个光栅相互平行，第一个光栅的衍射角与第二个光栅的入射角相同，根据(1)、(2)两式，第二个光栅的衍射角与第一光栅的入射相同，即平行光栅对的出射光束与入射光束方向一致。
根据(1)式，波长不同的光束在第一个光栅后的衍射方向不同，在第二个光栅上入射点分开了，因此波长不同的光束在第二个光栅按波长大小空间平行分布，光束的分布位置与波长有关。波长不同的光束的间隔与平行光栅对两个光栅的距离有关，距离越大，间隔越大，距离越小，间隔越小。
通过调谐装置旋转同步调谐平行光栅对，根据(1)式第一个光栅的衍射角发生变化，相同波长的光束在第二个光栅上的入射点发生变化，在第二个光栅的衍射光束空间分布发生变化，再配合外腔镜，实现波长可调谐，其调谐精度受微机电系统的精度限制。
参考图3，以下为光学狭缝的波长精调和线宽可调的工作原理：
平行光栅对出射的光束是相互平行的，按波长空间排列，光学狭缝垂直于光束放置，其两臂都安有第二调谐装置，可以实现两种调谐模式：
(1)光学狭缝的两臂垂直于光束传播方向同步平移，使固定狭缝宽度的狭缝平移，选择特定波长特定线宽的光束反馈回半导体激光器，实现波长调谐；
(2)光学狭缝的两臂不同步平移，在狭缝平移的同时狭缝宽度变化，使反馈光的线宽发生变化，实现输出光束的线宽可调。
光学狭缝的波长调谐精度与不同波长光束的空间分布间隔和微机电系统的精度有关。通过增大两个衍射光栅的距离增大不同波长光束的空间分布间隔，即提高了光学狭缝波长调谐的精度。
如附图4所示为本发明的第一个实例的结构示意图，准直镜402与半导体激光器401同光轴放置，距离为准直镜402的焦距，平行光栅对403以利特罗角偏离很小角度为入射角放置，光学狭缝404与部分反馈镜405垂直光束传播方向放置。半导体激光器401发出的光束经过准直镜402的准直，入射到平行光栅对403，通过平行光栅对403的分光作用使光束按波长大小空间排列的一组平行光束，经过光学狭缝404的滤波特定波长的光入射到反馈镜405，最后经反馈镜405反射回到半导体激光器401，形成波长锁定，光束经部分反馈镜输出。
通过调谐装置旋转平行光栅对403，改变反馈光的波长，对波长进行粗调；通过光学狭缝404的位移，对反馈光的波长进行进一步调整，对波长进行精调。通过光学狭缝404狭缝宽度的改变，实现输出光束线宽的可调。
如附图5所示为本发明的第二个实例的结构示意图，准直镜502与半导体激光器501同光轴放置，距离为准直镜502的焦距，平行光栅对503以利特罗角偏离很小角度为入射角放置，光学狭缝504与全反镜505垂直光束传播方向放置。半导体激光器501发出的光束经过准直镜502的准直，入射到平行光栅对503，通过平行光栅对503的分光作用使光束按波长大小空间排列的一组平行光束，经过光学狭缝504的滤波特定波长的光入射到全反镜505，最后经全反镜505反射回到半导体激光器501，形成波长锁定，半导体激光器501的另一端作为输出端。
通过调谐装置旋转平行光栅对503，改变反馈光的波长，对波长进行粗调；通过光学狭缝504的位移，对反馈光的波长进行进一步调整，对波长进行精调。通过光学狭缝504狭缝宽度的改变，实现输出光束线宽的可调。
如附图6所示为本发明的第三个实例的结构示意图，准直镜602与半导体激光器601同光轴放置，距离为准直镜602的焦距，平行光栅对603以利特罗角偏离很小角度为入射角放置，在平行光栅对603的两个光栅之间放置可以折叠光束的装置604，光学狭缝605与部分反馈镜606垂直光束传播方向放置。半导体激光器601发出的光束经过准直镜602的准直，入射到平行光栅对603，通过平行光栅对603的分光作用使光束按波长大小空间排列的一组平行光束，在平行光栅对603内放置的光束折叠装置通过增大两个光栅间的光程来增大不同波长光束的空间分布间隔，经过光学狭缝605的滤波特定波长的光入射到反馈镜606，最后经反馈镜606反射回到半导体激光器601，形成波长锁定，光束经部分反馈镜输出。
通过调谐装置旋转平行光栅对603，改变反馈光的波长，对波长进行粗调；通过光学狭缝605的位移，对反馈光的波长进行进一步调整，对波长进行精调。通过光学狭缝606狭缝宽度的改变，实现输出光束线宽的可调。本实施例中的光束折叠装置的引入使光学狭缝605的波长调谐精度更高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于平行光栅对外腔的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，该波长可调谐半导体激光器包括依次放置的半导体激光器、准直镜、平行光栅对、光学狭缝、部分反馈镜；
其中，准直镜与半导体激光器同光轴放置，距离为准直镜的焦距；所述平行光栅对103采用衍射效率高的透射光栅，透射光栅的中心在光轴上，第一个光栅的摆放角度满足入射光束的入射角与利特罗角一致的角度，第二个光栅与第一个光栅平行放置，中心放置在中间波长的光轴上；光学狭缝与部分反馈镜垂直光束传播方向放置；平行光栅对、光学狭缝、部分反馈镜构成的外腔反馈特定波长的光束回到半导体激光器，实现波长调谐；
两个透射光栅都安装有第一调谐装置，可以围绕光栅的中心转动，改变反馈光的波长，对波长进行粗调，转动过程中两个透射光栅的同步旋转，一直保持相互平行；
所述光学狭缝的两臂都安装在第二调谐装置上，可以垂直于光束传播的方向平移；通过光学狭缝的位移，对反馈光的波长进行进一步调整，对波长进行精调。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，所述半导体激光器的出射端镀有反射率极低的增透膜，保证进入半导体激光器的反馈光强度足够，更好的实现波长锁定。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述半导体激光器的增益介质具有较宽的增益带宽。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述部分反馈镜选择部分反射部分透射的平面镜。
5.如权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述的第一和第二调谐装置都采用微机电系统(MEMS)驱动。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述的光学狭缝的狭缝宽度可以改变，可以选择能形成波长锁定的光束的线宽，实现输出光束的线宽可调谐。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其中，在平行光栅对的两个光栅之间放置可以折叠光束的装置。
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