CN108493762B - 基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置及抑制方法 - Google Patents

基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置及抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置及抑制方法，包括半导体激光器、准直镜、衍射光栅和半导体激光器控制器，所述的半导体激光器控制器为半导体激光器提供驱动电流和温度控制，所述的半导体激光器发出的光束依次经过所述的准直镜和衍射光栅，在准直镜和衍射光栅之间的光路上插入参量倍频晶体，且半导体激光器、准直镜、参量倍频晶体和衍射光栅同光轴。本发明利用参量倍频晶体的fs量级超快响应时间，结合半导体激光器外腔反馈，可实现窄线宽、低相位噪声、宽频段强度噪声抑制，同时具有集成度高、频率稳定、易于产品化的优点。

Description

基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置及抑制 方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器，特别是一种基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制方法，该装置可应用于微波光子学、激光雷达、相干激光通信等前沿基础科学和高技术领域。
背景技术
近年来半导体激光技术迅猛发展，半导体激光器的性能不断提高，应用越来越广泛。由于其体积小、效率高、使用方便等优点，半导体激光器广泛应用于微波光子学、激光雷达、相干激光通信等前沿基础科学和高技术领域中都有着重要和广泛的应用需求。在这些应用领域中对于更大的通信容量和更快的通信速率的需求推动下，不仅要求光源有着高的相干性和低的相位噪声，而且要求它在GHz以上的高频段有着极低的强度噪声。然而，由于半导体激光器的弛豫振效应和激光模与非激光模的拍频效应，它在GHz以上的波段仍具有较大的强度噪声，因此研究宽频段的半导体激光器的强度噪声抑制方法，解决其中涉及的关键物理问题，具有重要的学术意义和应用价值。
当前，国内外在激光器的强度噪声抑制技术方面，其方法归结起来主要可以分成以下两种方式：光电负反馈噪声抑制技术和改变激光器动力学特性的抑噪技术。
现有技术之一是主要依赖复杂的反馈电子学，将光学探测器探测到的激光器强度的波动，经过负反馈回路得到误差信号，对激光器的泵浦电流进行反馈调制[参见C.C.Harb,et al.Suppression of the Intensity Noise in a Diode PumpedNeodymium:YAG Nonplanar Ring Laser,IEEE Journal Of Quantum Electronics,30,2907-2913(1994)]。Harb等人采用这种方法，成功地将激光器在弛豫振荡峰附近的强度噪声降低40db以上，接近探测器的量子极限噪声水平。但这种方法受制于电学信号的响应速度，回路带宽一般在MHz量级，无法对更高频率范围的激光器强度噪声进行抑制。
现有技术之二是通过增加腔内光子寿命，来进行激光器强度噪声的抑制[参见G.Baili,et al.Direct observation of the class-B to class-A transition in thedynamical behavior of a semiconductor laser,Europhysics Letters,87,44005(2009)]。根据激光器的速率方程理论，按照光子寿命Tph、载流子寿命Tc，极化寿命Tp的不同，可以把激光器分为A、B、C三种类型。如Tph～Tc～Tp，三者寿命差不多，则为C类激光器，处于不稳定或混沌工作状态，噪声最大；如果Tph～Tc>>Tp，极化寿命可以忽略，则为B类激光器，存在由弛豫振荡导致的强度噪声，大部分半导体激光器都属于此类；如果Tph>>Tc、Tp，则为A类激光器，此时激光器的强度噪声较低。因此通过增加腔长等手段增加腔内的光子寿命，将激光器运转在A类区域，可以从根本上消除弛豫振荡频率处的强度噪声。但即使在A类激光器中，由于激光模和相邻纵模处的非激光模的拍频作用，仍然在高频处存在着较大的强度噪声。在理论研究方面，Bachor小组建立了量子速率方程理论[参见T.C.Ralph等,Intensity noise of injection-locked lasers:Quantum theory using a linearizedinput-output method,Phys.Rev.A,54,4359(1996)]，从激光腔量子动力学层面描述了激光器强度噪声的特性，这为从理论上分析激光器强度噪声抑制奠定了基础。
可以看出，目前常用的激光器强度噪声抑制技术仅仅能抑制低频率范围的强度噪声，无法将高频范围存在的强度噪声进行全面抑制。而在GHz以上频段存在的高频强度噪声，严重阻碍了半导体激光器在微波光子学等相关领域中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制方法，该方法在激光腔内引入非线性效应，其响应时间(fs)远小于激光腔内的光子和载流子寿命(100ps)，可实现对光学谐振腔透射谱线型的精细控制，可有效抑制激光腔内光子数与载流子数之间的振荡，实现在弛豫振荡峰频率处的强度噪声抑制；同时参量倍频晶体做为非线性介质引入激光腔内，在倍频和和频的参量作用下，将对非激光模产生两倍于激光模的损耗，可有效的抑制由激光模和非激光模拍频带来的高频强度噪声。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置，包括半导体激光器、准直镜、衍射光栅和半导体激光器控制器，所述的半导体激光器控制器为半导体激光器提供驱动电流和温度控制，所述的半导体激光器发出的光束依次经过所述的准直镜和衍射光栅，其特点在于，在准直镜和衍射光栅之间的光路上插入参量倍频晶体，且半导体激光器、准直镜、参量倍频晶体和衍射光栅同光轴。
所述的参量倍频晶体具有>70％倍频转换效率、>0.5GW/cm2损伤阈值，且具有fs量级的响应时间，远小于半导体激光器光子和载流子寿命(100ps量级)。
所说的参量倍频晶体是KTP非线性晶体或BBO非线性晶体。
所述半导体激光器控制器为半导体激光器提供电流驱动和温度控制，由半导体激光器发射的光束通过准直镜后通过参量倍频晶体到达衍射光栅，1级衍射光原路返回激光器形成外腔振荡，0级光作为整个系统的输出光，经过带光纤头的透镜耦合进光纤输出；先接入到光谱仪观察其光谱特性，再被光电探测器所监测，输入到频谱仪，得到噪声谱线。
所述的半导体激光器的输出表面镀膜增透。
所说的半导体激光器控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制半导体激光器的温度，使半导体激光器的温度仅在极小的范围内变化，电流控制模块为半导体激光器提供电流驱动信号。
所说的准直镜是体光学元件，使半导体激光器的输出光空间准直输出。
所说的参量倍频晶体是KTP、BBO等非线性晶体，具有fs量级响应时间，抑制在弛豫共振峰频率处的强度噪声及激光模和非激光模拍频带来的高频强度噪声。
加入的参量倍频晶体改变了外腔半导体激光器的速率方程，有效抑制激光腔内光子数与载流子数之间的振荡，实现在弛豫振荡峰处的强度噪声抑制；同时在倍频和和频的参量作用下，将对非激光模产生两倍于激光模的损耗，可有效抑制由激光模和非激光模拍频带来的高频强度噪声，实现抑制半导体激光器的全频段强度噪声。
所说的衍射光栅做为外腔激光腔的反射腔镜，其1级衍射光原路返回激光器形成外腔振荡，0级光做为系统的输出光。
所述的外腔激光器结构为littrow式，其输出光以大角度掠入射到光栅上，1级衍射光由高反镜经光栅再次衍射，并返回激光器形成外腔，而光栅的0级光做为输出。
利用所述的基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置进行噪声抑制的方法，包括步骤如下：
①通过半导体激光器控制器调节半导体激光器的工作温度，设置电流阈值功率，使半导体激光器输出光；
②调整准直镜，使半导体激光器的光通过准直镜准直输出，并调整衍射光栅的角度，使其形成外腔反馈激光输出；
③关闭半导体激光器控制器的电流输出，并在准直镜和衍射光栅之间的光路上插入参量倍频晶体，且半导体激光器、准直镜、参量倍频晶体和衍射光栅同光路；
④调大半导体激光器控制器的电流输出功率，使半导体激光器输出功率最大；
⑤通过衍射光栅的输出光经带光纤头的透镜耦合到光纤，并经光纤接入到光谱仪，得到高频强度噪声抑制的稳定半导体激光器的光谱特性；或通过光电探测器输入到所述的频谱仪实时显示噪声特性。
本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：
1、与在先技术[1]相比，本发明的外腔半导体激光器宽频段强度噪声抑制方法避免了复杂的电路处理，克服了电反馈带宽小的缺点，实现在全频段上激光强度噪声抑制。
2、与在先技术[2]相比，本发明的外腔半导体激光器宽频段强度噪声抑制方法不仅可以消除弛豫振荡频率处的强度噪声，同时在倍频和和频的参量作用下，对非激光模产生两倍于激光模的损耗，有效抑制由激光模和非激光模拍频带来的高频强度噪声。
3、本发明所涉及的元件和材料，是光学技术中成熟的元器件，可市场采购，性能稳定可靠，装置简化，器件成本低廉。
附图说明
图1是本发明基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置的结构框图。
图2是光谱仪测量得到的半导体激光器光谱特性。
图3是测量得到的半导体激光器相对强度噪声特性。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置的结构框图。由图可见，包括带有半导体激光器控制器5的半导体激光器1，准直镜2、参量倍频晶体3、衍射光栅4、带光纤头的透镜6、光电探测器7、频谱仪8和光谱仪9，所述的半导体激光器控制器5为半导体激光器1提供驱动电流和温度控制，在所述的半导体激光器1发出的光束方向依次经过所述的准直镜2、参量倍频晶体3和衍射光栅4，所述的衍射光栅4的1级衍射光原路返回激光器形成外腔振荡，0级光做为整个外腔的输出光被带光纤头的透镜6耦合到光纤；将Littrow式外腔激光器输出光分别接入到所述的光谱仪9和光电探测器7。光谱仪9显示激光器光谱特性，获取输出波长、功率等特性。所述的光电探测器7探测并输入到所述的频谱仪8实时显示噪声特性，并作数据处理。
本发明基于参量倍频晶体非线性效应和Littrow外腔调制工作，具体操作步骤如下：
1.通过半导体激光器控制器5调节半导体激光器1的工作温度，设置电流阈值功率，使半导体激光器1输出光；
2.调整准直镜2，使半导体激光器1的光通过准直镜2准直输出，并调整衍射光栅4的角度，使其形成Littrow外腔反馈激光输出；
3.关闭半导体激光器控制器5的电流输出，并插入参量倍频晶体3；
4.调节半导体激光器控制器2的电流输出功率，使半导体激光器1输出功率最大；
5.通过衍射光栅4的输出光，经带光纤头的透镜6耦合到光纤，接入到光谱仪7，得到高频强度噪声抑制的稳定半导体激光器的光谱特性，如图2所示，插入参量倍频晶体3前后的光谱并无较大变化；再通过光电探测器8输入到所述的频谱仪9实时显示噪声特性，如图3所示，插入倍频晶体3前后全频段噪声抑制明显，尤其是拍频带来的高频强度噪声。
本发明由于结合了Littrow外腔调制和参量倍频晶体非线性效应技术，在保留了外腔半导体激光器低相位噪声特性的基础上，实现基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制，同时具有集成度高、易于产品化的优点。本发明可有效的推动半导体激光器在微波光子学、激光雷达、相干激光通信等许多领域中的应用。

Claims (5)

1.一种基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置，包括半导体激光器(1)、准直镜(2)、衍射光栅(4)和半导体激光器控制器(5)，所述的半导体激光器控制器(5)为半导体激光器(1)提供驱动电流和温度控制，所述的半导体激光器(1)发出的光束依次经过所述的准直镜(2)和衍射光栅(4)，其特征在于，在准直镜(2)和衍射光栅(4)之间的光路上插入参量倍频晶体(3)，且半导体激光器(1)、准直镜(2)、参量倍频晶体(3)和衍射光栅(4)同光轴；
所述的参量倍频晶体(3)具有>70％倍频转换效率、>0.5GW/cm2损伤阈值，且具有fs量级的响应时间，远小于半导体激光器(1)光子和载流子寿命，100ps量级。
2.根据权利要求1所述的基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置，其特征在于，所说的参量倍频晶体(3)是KTP非线性晶体或BBO非线性晶体。
3.根据权利要求1所述的基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置，其特征在于，所述的半导体激光器的输出表面镀膜增透。
4.根据权利要求1所述的基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置，其特征在于，所说的半导体激光器控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制半导体激光器的温度，使半导体激光器的温度保持稳定，电流控制模块为半导体激光器提供电流驱动信号。
5.利用权利要求1-4任一所述的基于非线性效应的半导体激光器强度噪声抑制装置进行噪声抑制的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
①通过半导体激光器控制器(5)调节半导体激光器(1)的工作温度，设置电流阈值功率，使半导体激光器(1)输出光；
②调整准直镜(2)，使半导体激光器(1)的光通过准直镜(2)准直输出，并调整衍射光栅(4)的角度，使其形成外腔反馈激光输出；
③关闭半导体激光器控制器(5)的电流输出，并在准直镜(2)和衍射光栅(4)之间的光路上插入参量倍频晶体(3)，且半导体激光器(1)、准直镜(2)、参量倍频晶体(3)和衍射光栅(4)同光路；
④调大半导体激光器控制器(5)的电流输出功率，使半导体激光器(1)输出功率最大；
⑤通过衍射光栅(4)的输出光经带光纤头的透镜(6)耦合到光纤，并经光纤接入到光谱仪(9)，得到高频强度噪声抑制的稳定半导体激光器的光谱特性；或通过光电探测器(7)输入到频谱仪(8)实时显示噪声特性。
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