CN107611777A - 一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体外腔激光器及控制方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方。该激光器及控制方法采用两种常用的光学选频器组合成超窄的滤波器作为外腔的选频元件，保证了窄线宽激光器长期单频运转；调整各个光学选频器的入射角，可实现波长灵活输出。

Description

一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种半导体外腔激光器及控制方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方。

背景技术

低噪声窄线宽激光光源在相干光通讯、相干激光雷达、高精度光纤传感、引力波探测、微波光子学等领域有着重要和广泛的应用，当前国内市场长期被国外产品垄断，产品价格居高不下，一定程度上制约了相关领域科技成果的产业化市场化发展。市场上可以见到的各种窄线宽激光光源输出波长大部分采用ITU-T栅格标准，主体方案有3种形式：基于非平面环形腔的窄线宽固体激光器，基于有源光纤的环形腔窄线宽光纤激光器和外腔半导体激光器。其中外腔半导体激光器以其出色的环境适应性、超低的相对强度噪声和较低的相位噪声、窄线宽、高相干性等特点，市场应用更为广泛。

窄线宽半导体单频激光器纵模间距小，核心技术之一是设计稳定可靠的超窄光学滤波器作为外腔的波长选频元件，限制增益谱内谐振的纵模数，实现单一纵模振荡。市面上窄线宽外腔激光器超窄光学滤波器很多采用布拉格光栅来实现。光栅作为外腔滤波反射元件，和半导体增益芯片构成外腔半导体激光器。例如美国RIO公司的专利20100303121A1“Achieving low phase noise in external cavity laser implemented using planarlightwave circuit technology”公开了一种使用布拉格硅基平面波导光栅和半导体增益芯片直接对接耦合的低噪声外腔激光器，这种激光器耦合难度高，外腔耦合插损大。每一种ITU-T栅格波长输出的激光器都需要定制峰值反射波长对应的布拉格硅基平面波导光栅，波导光栅的制作工艺复杂，成本较高。每种波长的激光器的都必须备份一种拉格硅基平面波导光栅，这样导致备份物料的种类和数量增加，成本上升。另外一种窄线宽激光器采用光纤布拉格光栅作为斜边负反馈元件，例如美国专利US8018982B2“Sliced fiber bragggrating used as external cavity for semiconductor laser and solid statelaser”,这种激光器结构对布拉格光纤光栅的封装方法提出了很高的要求，光栅容易受到环境因素的影响，不利于激光器的稳定输出；制作不同波长输出的激光器同样需要定制不同峰值反射波长的布拉格光纤光栅，光纤光栅制作工艺中峰值反射波长的精度控制有一定的难度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述技术问题，提供了一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方法。该激光器及控制方法采用固定栅格滤波器、Littrow型光栅这两种常用的光学选频器组合成超窄的滤波器作为外腔的选频元件，保证了窄线宽激光器长期单频运转；调整各个光学选频器的入射角，可实现波长灵活输出。本发明通过改变固定栅格滤波器、Littrow型光栅的角度，可以构成不同波长输出的窄线宽激光器。

外腔光路中光学滤波器光学元件处于同一控温基板上，稳定的外腔设计保证了激光器稳定性好、相位噪声低的特性，可满足当前相干光通讯、相干激光雷达、高精度光纤传感等领域大部分应用需求。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，包括：

反射型半导体增益芯片(2)，其两端面分别镀有高反射膜与增透膜；

固定栅格滤波器(4)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于滤波并形成栅格光谱；

Littrow型反射光栅(5)，用于接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，还包括：光探测器(1)，设置于反射型半导体增益芯片(2)镀高反射膜的一侧，用于检测激光器的功率；

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，所述激射条件包括：与固定栅格滤波器(4)和Littrow型反射光栅(5)的组合光谱的峰值波长最近的纵模可获得最大增益形成激光输出。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，还包括：

准直透镜(3)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于将反射型半导体增益芯片(2)输出光束准直后送入固定栅格滤波器(4)。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，窄线宽激光器实现单模输出要求固定栅格滤波器(4)单个栅格光谱3dB带宽不超过外腔激光器纵模间距的2倍，其中，反射型半导体增益芯片(2)、准直透镜(3)、固定栅格滤波器(4)、Littrow型反射光栅(5)组成激光器的外腔。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，所述固定栅格滤波器(4)是法布理-泊罗标准具。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，所述激光耦合输出光路包括沿光路依次设置的光隔离器(6)、输出耦合透镜(7)和输出光纤(8)。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，Littrow型反射光栅单次反射谱函数由公式1～3给出：

其中：θ_p为峰值波长λ_p对应的入射角和衍射角，光栅表面高斯光束覆盖区域的截面半径ω，光栅的周期d有关。

一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器控制方法，包括：

利用固定栅格滤波器(4)将反射型半导体增益芯片(2)的出射光滤波形成栅格光谱；

利用Littrow型反射光栅(5)接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。

优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器控制方法，Littrow型反射光栅角度和波长受下式约束：

式中，θ_p为Littrow型反射光栅反射谱的峰值波长λ_p对应的入射角和衍射角。

因此，本发明具有如下优点：(1)本发明采用了两种常用的光学滤波器组合成超窄的滤波器，降低了核心元件超窄光学滤波器的工艺实现难度。

(2)本发明的窄线宽激光器输出波长灵活，要实现不同ITU-T栅格波长输出，只需调整各个光学滤波器入射角的入射角。各个光学滤波器可用成熟的工艺制备，成本低廉、成品率高、易于批量制作，大大降低了该发明的窄线宽外腔激光器制作成本。

(3)本发明的窄线宽激光器为前腔结构，采用了一种特殊的Littrow型光栅作为前腔镜和选频原件，光路结构简单紧凑，耦合方便。

附图说明

图1—本发明的较佳实例的结构示意图。

图2—本发明的较佳实例的固定栅格滤波器透射谱和Littrow型反射光栅的反射光谱关系图。

图3—本发明的较佳实例的线宽测试结果。

图4—本发明的较佳实例的相位噪声测试结果。

其中：

1—光探测器；2—反射型半导体增益芯片；

3—准直透镜；4—固定栅格滤波器

5—Littrow型反射光栅；

6—光隔离器；7—输出耦合透镜；8—输出光纤。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

参见图1所示，本发明实例中的一种波长灵活的低成本窄线宽半导体外腔激光器，包括光探测器1、反射型半导体增益芯片2(RSOA：Reflective Semiconductor OpticalAmplifier)、准直透镜3、固定栅格滤波器4、Littrow型反射光栅5、光隔离器6、输出耦合透镜7和输出光纤8。其中，反射型半导体增益芯片2用于提供增益，其两端面分别镀有高反射膜与增透膜。光探测器1设置于反射型半导体增益芯片2的镀高反射膜的一侧，可对激光器的功率进行检测。准直透镜3、固定栅格滤波器4、Littrow型反射光栅5依次设置于反射型半导体增益芯片镀有增透膜的一侧。

反射型半导体增益芯片2、准直透镜3、固定栅格滤波器4、Littrow型反射光栅5组成该外腔激光器的外腔。整个外腔都位于控温基板上(图中未画出)。反射型半导体增益芯片2输出光束通过准直透镜3准直，进入低成本低损耗的固定栅格滤波器4滤波形成栅格光谱，再经Littrow型反射光栅波长选择性反射返回到反射型半导体增益芯片，如此来回多次滤波谐振反馈，满足激射条件的特殊波长的一部分激光从Littrow型反射光栅透射，依次通过光隔离器6、输出耦合透镜7和输出光纤输出。光隔离器6、输出耦合透镜7和输出光纤8组成激光耦合输出光路。光隔离器6用于实现输出光的反向隔离。

本发明实施例的反射型半导体增益芯片2镀有高反射膜的端面与Littrow型反射光栅5可视为该发明窄线宽半导体外腔激光器谐振腔的两个腔镜。这两个镜面的光学长度决定了整个激光器的纵模间隔，两个镜面的光学长度越长，纵模间隔越短，单个纵模的线宽就越窄。通过设计准直透镜3和Littrow型反射光栅之间距离可以实现激光器腔长合理调节而得到窄线宽。

本发明实施例的固定栅格滤波器4和Littrow型反射光栅构成超窄的组合光学滤波器作为外腔的选频元件，保证窄线宽窄激光器长期单频运转。

本发明实施例的固定栅格滤波器4是法布理-泊罗标准具或者其它产生周期栅格滤波器件，窄线宽激光器实现单模输出要求固定栅格滤波器4单个栅格光谱的3dB带宽不超过该发明外腔激光器2倍纵模间距。若固定栅格滤波器4栅格周期对应于ITU-T规定的标准的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)间隔，峰值透过波长对应于ITU-T规定的波长，调整Littrow型反射光栅角度，选择性反射不同栅格波长，可实现不同ITU-T波长输出。

本发明实施例Littrow型反射光栅5，即作为前腔的反射镜和输出镜，又作为光学选频滤波组件，入射光的一部分透过Littrow型反射光栅形成激光器的输出，另一部分通过一级衍射沿入射光路原路返回，一级衍射效率不低于于30％。Littrow型反射光栅单次反射谱函数由公式1～3给出：

其中：θ_p为峰值波长λ_p对应的入射角和衍射角，耦合封装中调整Littrow型反射光栅上光束的入射角，可实现激光器输出峰值波长的调谐。

可以看出Littrow型反射光栅的反射谱函数ρ(λ,ω)与光栅表面的高斯光束覆盖区域的截面半径ω和光栅的周期d有关。光栅表面的高斯光束覆盖区域的截面半径ω越大，反射谱越窄；光栅的周期d越小，Littrow型闪耀光栅的反射谱越窄。因此，为提高外腔激光器的稳频精度，本发明实施例应该采用小光栅周期大工作面积的反射光栅，长焦距的准直透镜3，增大光栅表面的高斯光束覆盖区域的截面半径。

本发明实施例的Littrow型反射光栅5选择性反射固定栅格滤波器4某一栅格波长，对该其他栅格的光波反射损耗则急剧增大，稍微调整Littrow型反射光栅角度，激光器可实现不同ITU-T栅格波长激光输出。Littrow型反射光栅5反射光谱3dB带宽要求不超过固定栅格滤波器2倍的栅格周期。

下面针对光纤水听器系统中常用100GHz波长间隔的窄线宽激光器设计为例，阐述本发明的实例的实现原理。假设固定栅格滤波器4选用前后表面的反射率为90％，自由光谱范围为100GHz的熔石英材料的标准具，理论上可以计算出标准具透过光谱的半高全宽为3.35GHz。调整标准具的角度，使所有峰值波长对准100GHz间隔的ITU-T波长，透射谱如图2trace1所示。Littrow型反射光栅每毫米刻线数为1138线，反射型半导体增益芯片慢轴半高全宽发散角为18°，经有效焦距为2.97mm的准直透镜准直后，Littrow型反射光栅表面的高斯光束覆盖区域截面半径为1.2mm，理论上可以计算Littrow型反射光栅反射光谱(如图2trace2所示)3dB带宽为0.142nm，20dB带宽为0.368nm。调整Littrow型反射光栅的入射角，使Littrow型反射光栅反射光谱峰值波长与熔石英标准具的一个透射峰值波长193.4THz(1550.12nm)对准，如图2所示在Littrow型反射光栅5反射光谱3dB和20dB带宽内不会出现固定栅格滤波器4的其它带透射峰，激光器可以实现单通道ITU-T波长输出。图2trace3为固定栅格滤波器和Littrow型反射光栅形成的超窄的合成滤波器光谱，该光谱3dB带宽为大约为4GHz，合理设计外腔激光器腔长和纵模间距，使合成滤波器光谱3dB带宽内纵模个数不超过2个，距离滤波器光谱峰值波长最近的纵模可获得最大增益形成激光输出。其中，腔长是反射型半导体增益芯片2的高反射膜与Littrow型反射光栅的光栅面之间的光学长度。调整外腔控温基板的温度，控制激射模式在合成滤波器光谱的相对位置，可使激光器处于最佳线宽状态输出。图3和图4分别为本发明实施例的线宽和相位噪声的测试结果,线宽小于5KHz，相位噪声@200Hz<8urad/rt-Hz1m OPD可满足当前相干光通讯、相干激光雷达、高精度光纤传感等领域大部分应用需求。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，包括：

反射型半导体增益芯片(2)，其两端面分别镀有高反射膜与增透膜；

固定栅格滤波器(4)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于滤波并形成栅格光谱；

Littrow型反射光栅(5)，用于接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。

2.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，还包括：光探测器(1)，设置于反射型半导体增益芯片(2)镀高反射膜的一侧，用于检测激光器的功率。

3.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述激射条件包括：与固定栅格滤波器(4)和Littrow型反射光栅(5)的组合光谱的峰值波长最近的纵模可获得最大增益形成激光输出。

4.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，还包括：

准直透镜(3)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于将反射型半导体增益芯片(2)输出光束准直后送入固定栅格滤波器(4)。

5.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，窄线宽激光器实现单模输出要求固定栅格滤波器(4)单个栅格光谱3dB带宽不超过外腔激光器纵模间距的2倍，其中，反射型半导体增益芯片(2)、准直透镜(3)、固定栅格滤波器(4)、Littrow型反射光栅(5)组成激光器的外腔。

6.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述固定栅格滤波器(4)是法布理-泊罗标准具。

7.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述激光耦合输出光路包括沿光路依次设置的光隔离器(6)、输出耦合透镜(7)和输出光纤(8)。

8.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，Littrow型反射光栅单次反射谱函数由公式1～3给出：

其中：θ_p为峰值波长λ_p对应的入射角和衍射角，光栅表面高斯光束覆盖区域的截面半径ω，光栅的周期d有关。

9.一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器控制方法，其特征在于，包括：

利用固定栅格滤波器(4)将反射型半导体增益芯片(2)的出射光滤波形成栅格光谱；

利用Littrow型反射光栅(5)接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。

10.根据权利要求7所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器控制方法，其特征在于，Littrow型反射光栅角度和波长受下式约束：

式中，θ_p为Littrow型反射光栅反射谱的峰值波长λ_p对应的入射角和衍射角。