CN107181166A - 基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外腔式自反馈窄线宽半导体激光器，包括：一半导体增益芯片，用于产生光增益；一布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅与增益芯片之间通过直接耦合的方式连接，用于对增益芯片产生的光进行反馈；一光分束器，用于对光进行一定比例的分束；一光环形器，光环形器与布拉格光纤光栅或光分束器通过光纤耦合的方式连接，用于对从布拉格光纤光栅输出的光进行外部自反馈；一可调谐光衰减器，位于光环形器的反馈环路内，用于对反馈强度的衰减进行连续调谐。
Description
技术领域
本发明涉及相干光通信、光传感领域，尤其是涉及一种基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器。
背景技术
随着网络信息化的发展，通信容量急剧扩增，单信道通信系统的传输速率开始向400Gbps迈进。相干光通信结合新型调制方式是实现400Gbps甚至更高传输速率的有效方式。400Gbps相干光通信系统对于发射机和本振光源的线宽提出了严格的要求。理论研究表明，400Gbps相干光通信系统中要求激光器的线宽控制在12kHz，线宽越窄，相位噪声引入的功率代价就越低。
窄线宽激光器已经成为了国际光通信领域中的一个重要研究课题。从结构上划分，目前的窄线宽激光器可以分为DFB/DBR半导体激光器，光纤激光器与外腔式半导体激光器三大类。经过特殊设计，DFB/DBR半导体激光器可以实现200kHz以下的线宽输出，同时具有体积小，功耗低，易于批量生产等特点，但是目前该技术还不成熟，主要停留在实验室研究阶段。光纤激光器可以实现较窄的线宽和较大的输出功率，但是其不易集成，难以在相干光通信系统中应用。外腔式半导体激光器利用外腔技术对半导体增益芯片进行反馈，一般可以实现30～100kHz的线宽输出，同时该技术兼具集成性好、成本低和功耗低等特点，成为相干光通信系统中发射光源和本振光源的最佳选择。但是更高速率的相干光通信系统以及高灵敏度的光传感系统中，对激光器线宽的要求将会小于10kHz，甚至是亚kHz量级，常规使用的管壳内封装光纤光栅式半导体激光器比较难以达到这一要求，往往需要大批筛选的方式才能挑选出适用的器件。同时，外腔式半导体激光器能够稳定工作的窄线宽区域受驱动电流和温控影响，需要配备高精度电流驱动源和温控，并对电流和温度两个参数做精确匹配，才能实现窄线宽稳定工作。而不同批次的外腔式窄线宽激光器工作区域范围可能存在较大差异，这给窄线宽激光器的挑选和控制带来较大影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本发明提出了一种基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器，利用普通外腔式半导体激光器外加自反馈的方式可以实现小于10kHz甚至是亚kHz量级的稳定的窄线宽激光输出。窄线宽工作区域的调谐变量由驱动电流与温度两个参量，变为只调节反馈强度，减小了调谐难度；同时反馈环路的引入也增大了工作区域，增加了激光器工作的稳定性。
(二)技术方案
一种基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器，包括半导体增益芯片、布拉格光纤光栅和自反馈回路；
所述半导体增益芯片用于产生光增益；
所述布拉格光纤光栅与半导体增益芯片连接，用于对半导体增益芯片产生的光增益进行反馈；
所述自反馈回路与布拉格光纤光栅连接，用于对布拉格光纤光栅输出的光进行自反馈。
优选地，所述自反馈回路包括光分束器、光环形器和可调谐光衰减器；
所述分束器与布拉格光纤光栅连接，用于将布拉格光纤光栅输出的光分为两路，其中一路进入光环形器的第一输入端口，另一路连接可调谐光衰减器后再耦合进入光环形器的第二输入端口，光环形器的输出端口输出激光。
优选地，所述自反馈回路包括光分束器、光环形器和可调谐光衰减器；
所述光环形器第一输入端口连接布拉格光纤光栅，光环形器的输出端口连接光分束器，所述光分束器将光分为两路，其中一路通过可调谐光衰减器后再耦合进入光环形器的第二输入端口，另一路作为输出激光。
优选地，所述可调谐光衰减器位于光环形器的反馈环路内，用于对反馈强度的衰减进行连续调谐。
优选地，所述环形器与光分束器之间通过光纤耦合的方式连接；
所述布拉格光纤光栅与半导体增益芯片之间通过直接耦合的方式连接。
优选地，所述环形器与布拉格光纤光栅之间通过光纤耦合的方式连接。
优选地，所述半导体增益芯片采用法布里-珀罗腔半导体激光器、分布反馈半导体激光器或分布式布拉格反射半导体激光器。
优选地，所述半导体增益芯片与布拉格光纤光栅耦合的端面镀有增透膜，另一端面镀有增反膜。
优选地，所述半导体增益芯片采用脊型波导结构、掩埋脊波导结构或掩埋异质结结构。
优选地，所述光分束器采用任意的分光比例。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器具有以下有益效果：
(1)可以使普通的外腔式半导体激光器的线宽进一步压缩，获得稳定的窄线宽输出，最窄线宽可以小于1kHz。
(2)反馈强度变量的引入使得调谐难度降低，窄线宽工作区域增大，稳定性增强。
附图说明
图1为现有的普通外腔式窄线宽半导体激光器；
图2为本发明第一实施例的基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器示意图；
图3为本发明第二实施例的基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器示意图；
图4为本发明实施例的不同脊波导结构的半导体光增益芯片；
图5为本发明实施例的有无反馈时线宽测试结果，(a)为无反馈，(b)为有反馈；
图6为本发明实施例的有无反馈时窄线宽工作区域统计，(a)为无反馈，(b)为有反馈。
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，对本发明作进一步的详细说明。
传统的外腔式半导体激光器的结构示意图如图1所示，半导体增益芯片产生光增益，经过布拉格光纤光栅进行反馈后直接输出。
本发明提出了一种外腔式自反馈窄线宽半导体激光器，制作难度小，成本低廉，整体系统工作稳定。本发明实施例中，提出了两种结构的外腔式自反馈窄线宽半导体激光器。
图2为本发明第一实施例的基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器示意图，请参照图2，本实施例第一实施例的中外腔式自反馈窄线宽半导体激光器包括：
半导体增益芯片，用于产生光增益；
布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅与增益芯片之间通过直接耦合的方式连接，用于对增益芯片产生的光进行反馈；半导体增益芯片与布拉格光纤光栅耦合的端面镀有增透膜，另一端面镀有增反膜。
光分束器，与布拉格光纤光栅连接，用于对光进行特定比例的分束，光分束器将布拉格光纤光栅输出的光分为两束，光分束器可以采用任意的分光比例；
光环形器，光环形器与光分束器通过光纤耦合的方式连接，用于对从布拉格光纤光栅输出的光进行外部自反馈，光分束器输出的第一束光输入光环形器的输入端口2，第二束光经反馈环路输入光环形器的输入端口1，光环形器的输出端口3即为激光器的出光端；
可调谐光衰减器，位于光环形器的反馈环路内，用于对反馈强度的衰减进行连续调谐，本实施例中是设置在分束器与光环形器的输入端口1之间。
本实施例中激光的传输路径为：半导体增益芯片与布拉格光纤光栅直接耦合，输出的单模激光首先通过分束器分为两路，一路进入环形器的2端口，一路经过可调谐光衰减器后再耦合进入环形器的1端口，最后激光从环形器的3端口输出。
图3为本发明第二实施例的基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器示意图，请参照图3，本实施例第二实施例的中外腔式自反馈窄线宽半导体激光器也包括：
半导体增益芯片，用于产生光增益；
布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅与增益芯片之间通过直接耦合的方式连接，用于对增益芯片产生的光进行反馈；半导体增益芯片与布拉格光纤光栅耦合的端面镀有增透膜，另一端面镀有增反膜。
光环形器，光环形器与布拉格光纤光栅通过光纤耦合的方式连接，布拉格光纤光栅输出端连接环形器的输入端口2，光环形器用于对从布拉格光纤光栅输出的光进行外部自反馈。
光分束器，与光环形器连接，环形器输出端口3连接光分束器的输入端，光分束器输入对光进行特定比例的分束，将环形器输出端口3输出的光分为两束，第一束光经反馈环路输入环形器的端口1，第二束光作为最终输出光。光分束器可以采用任意的分光比例。
可调谐光衰减器，位于光环形器的反馈环路内，用于对反馈强度的衰减进行连续调谐，本实施例中是设置在分束器与光环形器的输入端口1之间。
本实施例中激光的传输路径为：半导体增益芯片与布拉格光纤光栅直接耦合，输出的单模激光首先进入环形器的端口2，从端口3输出后进入分束器，将激光分为两路，一路通过可调谐光衰减器后再耦合进入环形器的1端口，一路作为激光的最终输出端口。
其中，上述实施例的半导体增益芯片可以在InP或者GaAs衬底制作。半导体增益芯片采用以下半导体激光器类型之一实现：法布里-珀罗腔(FP)半导体激光器、分布反馈(DFB)半导体激光器或者分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器。半导体增益芯片波导类型上可以为脊型波导机构、掩埋脊波导机构或者掩埋异质结结构，如图4所示。反馈强度可以通过可调谐光衰减器进行调节。由于外腔式激光器本身的线宽比较窄，在30～100kHz之间，再加上布拉格光纤光栅的滤波作用，通过调节反馈强度，可以使外腔环路的边模得到很好的抑制。此结构与传统的外腔式半导体激光器相比，线宽可以压缩了十几甚至几十倍。传统的外腔式半导体激光器的结构示意图如图1所示。驱动电流为100mA，温度为15℃时，有无反馈的线宽对比如图5(a)和(b)所示，可以看出无反馈时线宽为66.5kHz，有反馈时线宽为5kHz，线宽压缩了13.3倍。环形器和可调谐光衰减器的引入可以对反馈回激光器的光强进行连续调谐，降低了驱动电流和温度对激光器性能的影响，使得窄线宽工作区域增大，调谐难度降低。有无反馈时窄线宽工作区域的对比如图6(a)和(b)所示，可以看出有反馈时窄线宽工作区域明显增大。
本发明提供的基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器，利用传统外腔式窄线宽半导体激光器与光分束器、环形器、可调谐衰减器搭建自反馈回路的方式，可以实现小于10kHz甚至是亚kHz量级的稳定的窄线宽激光输出，最窄线宽可以小于1kHz。通过可调谐光衰减器调节反馈强度，通过合适的外部自反馈，外腔的品质因子(Q值)进一步增大，激光器的线宽进一步压缩，窄线宽工作区域增大，稳定性增强。反馈强度变量的引入使得调谐难度降低，窄线宽工作区域的调谐变量由驱动电流与温度两个参量，变为只调节反馈强度，减小了调谐难度；同时反馈环路的引入也增大了工作区域，增加了激光器工作的稳定性。至此，已经结合附图对本实施例进行了详细的描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明外腔式自反馈窄线宽半导体激光器有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或者说明正文中未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或者方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更换或替换。
综上所述，本发明提出了外腔式自反馈窄线宽半导体激光器，工艺难度低，易于实现，成本较低，工作性能稳定。有望应用于相干光通信系统中，具有较大的应用前景。
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，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)
1.一种基于外腔式自反馈的窄线宽半导体激光器，包括半导体增益芯片、布拉格光纤光栅和自反馈回路；
所述半导体增益芯片用于产生光增益；
所述布拉格光纤光栅与半导体增益芯片连接，用于对半导体增益芯片产生的光增益进行反馈；
所述自反馈回路与布拉格光纤光栅连接，用于对布拉格光纤光栅输出的光进行自反馈。
2.如权利要求1所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述自反馈回路包括光分束器、光环形器和可调谐光衰减器；
所述分束器与布拉格光纤光栅连接，用于将布拉格光纤光栅输出的光分为两路，其中一路进入光环形器的第一输入端口，另一路连接可调谐光衰减器后再耦合进入光环形器的第二输入端口，光环形器的输出端口输出激光。
3.如权利要求1所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述自反馈回路包括光分束器、光环形器和可调谐光衰减器；
所述光环形器第一输入端口连接布拉格光纤光栅，光环形器的输出端口连接光分束器，所述光分束器将光分为两路，其中一路通过可调谐光衰减器后再耦合进入光环形器的第二输入端口，另一路作为输出激光。
4.如权利要求1至3任一项所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述可调谐光衰减器位于光环形器的反馈环路内，用于对反馈强度的衰减进行连续调谐。
5.如权利要求2任一项所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述环形器与光分束器之间通过光纤耦合的方式连接；
所述布拉格光纤光栅与半导体增益芯片之间通过直接耦合的方式连接。
6.如权利要求3所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述环形器与布拉格光纤光栅之间通过光纤耦合的方式连接。
7.如权利要求1至3任一项所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述半导体增益芯片采用法布里-珀罗腔半导体激光器、分布反馈半导体激光器或分布式布拉格反射半导体激光器。
8.如权利要求1至3任一项所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述半导体增益芯片与布拉格光纤光栅耦合的端面镀有增透膜，另一端面镀有增反膜。
9.如权利要求1至3任一项所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述半导体增益芯片采用脊型波导结构、掩埋脊波导结构或掩埋异质结结构。
10.如权利要求1至3任一项所述的窄线宽半导体激光器，其中，所述光分束器采用任意的分光比例。
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