CN109193330B - 光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器。其中，可调谐窄线宽外腔激光器包括：激光器芯片；第一分束器，与激光器芯片相连；第一环形器，其第二端口与第一分束器的一个输出端口相连；第二分束器，其输入端与第三端口相连；第一光反馈模块，其输入端与第二分束器的一个输出端相连；第二光反馈模块，其输入端与第二分束器的另一个输出端相连；以及第三分束器，其两个输入端分别与第一光反馈模块和第二光反馈模块相连，输出端与第一端口相连；其中，第一光反馈模块和第二光反馈模块均包括：取样光栅、环形器、以及相移取样光栅，光通过环形器依次进入取样光栅和相移取样光栅实现线宽压窄，同时实现线宽压窄和宽波长调谐，且调谐灵活。

Description

光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器

技术领域

本公开属于激光器技术领域，涉及一种光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器。

背景技术

可调谐窄线宽激光器由于其具有窄线宽、低噪声、优异的相干特性，在相干光通信、光波元件测试、精细光谱分析激光雷达、精密干涉测量、密集波分复用、气体浓度检测等领域有着广泛的应用。尤其在相干光通信系统中，不同调制格式对光源线宽需求不同，进制数越高，所需线宽就越窄。在40Gb/s的传输速率下，对于QPSK和8PSK的调制格式，1MHz的线宽即可满足要求，但进制数增加到16QAM，则需要小于100kHz线宽的激光器做光源。

目前，单个分布式反馈(DFB，Distributed Feedback Laser)激光器的波长调谐范围有限，通过将多个DFB谐振腔并联到一个阵列中，使得每个DFB激光器调谐一段波长，能够扩大DFB激光器的调谐范围。分布式布拉格反射(DBR，Distributed Bragg Reflector)激光器通过调节光栅区和相区的注入电流，可以实现较宽的调谐范围，但这种注入电流会引入额外的电流噪声，从而影响激光器线宽。有的研究通过温控技术来改变有源区折射率从而实现波长调谐，这种技术简单，但是调谐速度慢，调谐带宽窄。

可调谐外腔激光器主要包括光反馈和电反馈两种，其中光反馈主要有Littrow和Littman结构，这种结构的外腔激光器可以实现一定的线宽压窄和波长调谐，但是容易受到环境温度和震动的影响而不能保持长时间的稳定性，容易发生跳模现象。电反馈是属于主动调节，通过输出光与鉴频器(如F-P腔)相比较，给出误差信号，通过伺服系统对激光器的注入电流进行控制，这种方法可以实现较高的线宽压窄效果，但较难实现波长调谐，而且装置复杂。

因此，有必要提出一种能够实现较大的线宽压窄效果并且实现灵活的波长调谐的外腔激光器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种可调谐窄线宽外腔激光器，包括：激光器芯片1；第一分束器2，与激光器芯片1相连，将光分为两束；第一环形器3，具有第一端口31、第二端口32和第三端口33，第二端口32与第一分束器2的一个输出端口相连；第二分束器4，其输入端与第三端口33相连；第一光反馈模块5，其输入端与第二分束器4的一个输出端相连；第二光反馈模块6，其输入端与第二分束器4的另一个输出端相连；以及第三分束器7，包含两个输入端与一个输出端，两个输入端分别与第一光反馈模块5和第二光反馈模块6相连，输出端与第一端口31相连；其中，第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的结构均包括：取样光栅、环形器、以及相移取样光栅，光通过环形器依次进入取样光栅和相移取样光栅实现线宽压窄。

在本公开的一些实施例中，第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的结构相同，第一光反馈模块5和第二光反馈模块6中取样光栅的占空比不同、取样周期不同，第一光反馈模块5和第二光反馈模块6中相移取样光栅的占空比不同、取样周期不同，使得第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的输出光的波长间隔不同。

在本公开的一些实施例中，第一光反馈模块5，包括：第一取样光栅51，第二环形器52，以及第一相移取样光栅53，其中，第二环形器52，具有第四端口521、第五端口522和第六端口523，第四端口521作为第一光反馈模块5的输入端，与第二分束器4的其中一个输出端相连，第五端口522与第一取样光栅51相连，第六端口523与第一相移取样光栅53相连；第二光反馈模块6，包括：第二取样光栅61，第三环形器62，以及第二相移取样光栅63，其中，第三环形器62，具有第七端口621、第八端口622和第九端口623，第七端口621作为第二光反馈模块6的输入端，与第二分束器4的另一个输出端相连，第八端口622与第二取样光栅61相连，第九端口623与第二相移取样光栅63相连。

在本公开的一些实施例中，激光器芯片1的腔结构包括以下结构中的一种：F-P腔，DFB结构或者DBR结构。

在本公开的一些实施例中，第一分束器2、第二分束器4和第三分束器7为以下分束器中的一种或几种：光纤分束器、波导分束器。

在本公开的一些实施例中，取样光栅和相移取样光栅为以下光栅结构中的一种或几种：光纤光栅，硅基、InP基、铌酸锂基波导结构的光栅。

在本公开的一些实施例中，第一光反馈模块5中的相移取样光栅是由两个第三取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；第二光反馈模块6中的相移取样光栅是由两个第四取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；第三取样光栅、第四取样光栅与在同一个光反馈模块中的取样光栅的取样周期和占空比相同。

根据本公开的另一个方面，提供了一种光反馈结构，能够实现线宽压窄，该光反馈结构具有光输入端和光输出端，包括：环形器，该环形器具有三个端口，其中一个端口作为光反馈结构的光输入端，光从此端口输入；取样光栅，与环形器的其余两个端口中的一个端口相连，使光在取样光栅中进行波长选择性反射，然后回到环形器中；以及相移取样光栅，与环形器的其余两个端口中的另一个端口相连，使回到环形器的光在相移取样光栅中进行二次滤波，实现线宽压窄。

在本公开的一些实施例中，取样光栅和相移取样光栅为以下光栅结构中的一种或几种：光纤光栅，硅基、InP基、铌酸锂基波导结构的光栅。

在本公开的一些实施例中，相移取样光栅是由两个第五取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；第五取样光栅与取样光栅的取样周期和占空比相同。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器，具有以下有益效果：

通过设置第一光反馈模块和第二光反馈模块对均匀分束后的两束光进行波长的选择性反射和二次模式压窄，使第一光反馈模块和第二光反馈模块的输出光的波长间隔不同，并且可通过调节一个光反馈模块的反射谱实现波长的大范围调谐，从而同时实现较高的线宽压窄效果和大范围的波长调谐，且调谐间隔及调谐范围可根据实际需求进行设置，调谐具有灵活性，并且使用取样光栅和相移取样光栅相结合的方式进一步压窄线宽，从而实现大范围调谐的窄线宽外腔激光器。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的可调谐窄线宽外腔激光器的结构示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的取样光栅的示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的相移取样光栅的示意图。

图4为根据本公开一实施例所示的取样光栅的反射谱。

图5为根据本公开一实施例所示的相移取样光栅的透射谱。

图6为根据本公开一实施例所示的光反馈模块的透射谱。

【附图说明】

1-激光器芯片；

2-第一分束器；

3-第一环形器；

31-第一端口； 32-第二端口；

33-第三端口；

4-第二分束器；

5-第一光反馈模块；

51-第一取样光栅；

52-第二环形器；

521-第四端口； 522-第五端口；

523-第六端口；

53-第一相移取样光栅；

6-第二光反馈模块；

61-第二取样光栅；

62-第三环形器；

621-第七端口； 622-第八端口；

623-第九端口；

63-第二相移取样光栅；

7-第三分束器。

具体实施方式

本公开提供了一种光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器，通过设置第一光反馈模块和第二光反馈模块对分束后的两束光进行波长的选择性反射和二次模式压窄，使第一光反馈模块和第二光反馈模块的输出光的波长间隔不同，并且可通过调节一个光反馈模块的反射谱实现波长的大范围调谐，从而同时实现较高的线宽压窄效果和大范围的波长调谐，且调谐间隔及调谐范围可根据实际需求进行设置，调谐具有灵活性，并且使用取样光栅和相移取样光栅相结合的方式进一步压窄线宽，从而实现大范围调谐的窄线宽外腔激光器。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种可调谐窄线宽外腔激光器。

图1为根据本公开一实施例所示的可调谐窄线宽外腔激光器的结构示意图。

参照图1所示，本公开的可调谐窄线宽外腔激光器，包括：

激光器芯片1；第一分束器2，与激光器芯片1相连，将光分为两束；第一环形器3，具有第一端口31、第二端口32和第三端口33，第二端口32与第一分束器2的一个输出端口相连；第二分束器4，其输入端与第三端口33相连；第一光反馈模块5，其输入端与第二分束器4的一个输出端相连；第二光反馈模块6，其输入端与第二分束器4的另一个输出端相连；以及第三分束器7，包含两个输入端与一个输出端，两个输入端分别与第一光反馈模块5和第二光反馈模块6相连，输出端与第一端口31相连；其中，第一光反馈模块5和第二光反馈模块6均包括：取样光栅、环形器、以及相移取样光栅，光通过环形器依次进入取样光栅和相移取样光栅实现线宽压窄。

其中，通过设置第一光反馈模块5和第二光反馈模块6中取样光栅、相移取样光栅的参数不同，即第一取样光栅51和第二取样光栅61的参数不同，第一相移取样光栅53和第二相移取样光栅63的参数不同，使得第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的输出光的波长间隔不同。第一取样光栅51、第二取样光栅61、第一相移取样光栅53、第二相移取样光栅63的取样周期和占空比可以根据实际要求取任意值。

其中，取样光栅、相移取样光栅的参数包括：取样周期和占空比。

下面结合附图对本实施例的可调谐窄线宽外腔激光器进行详细介绍。

参照图1所示，本实施例中，可调谐窄线宽外腔激光器包括：

激光器芯片1，提供光增益；

第一分束器2，其输入端与激光器芯片1相连，将光分为两束，其中一个输出端作为光输出端；

第一环形器3，具有第一端口31、第二端口32和第三端口33，第二端口32与第一分束器2的另一个输出端相连；

第二分束器4，其输入端与第一环形器3的第三端口33相连，将光分为两束；

第一光反馈模块5，其输入端与第二分束器4的其中一个输出端相连，包括：第一取样光栅51，第二环形器52，以及第一相移取样光栅53，其中，第二环形器52，具有第四端口521、第五端口522和第六端口523，第四端口521作为第一光反馈模块5的输入端，与第二分束器4的其中一个输出端相连，第五端口522与第一取样光栅51相连，第六端口523与第一相移取样光栅53相连；

第二光反馈模块6，其输入端与第二分束器4的另一个输出端相连，包括：第二取样光栅61，第三环形器62，以及第二相移取样光栅63，其中，第三环形器62，具有第七端口621、第八端口622和第九端口623，第七端口621作为第二光反馈模块6的输入端，与第二分束器4的另一个输出端相连，第八端口622与第二取样光栅61相连，第九端口623与第二相移取样光栅63相连；以及

第三分束器7，包含两个输入端与一个输出端，两个输入端分别与第一光反馈模块5中的第一相移取样光栅53和第二光反馈模块6中的第二相移取样光栅63相连，输出端与第一端口31相连。

本实施例中，激光器芯片1的腔结构可以是F-P腔，DFB或者DBR结构。

本实施例中，分束器可以是光纤分束器，也可以是波导分束器。

图2为根据本公开一实施例所示的取样光栅的示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的相移取样光栅的示意图。

本实施例中，第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的结构相同，均包含取样光栅、环形器、以及相移取样光栅，光通过环形器依次进入取样光栅和相移取样光栅，在取样光栅中进行波长选择性反射，实现第一次滤波，在相移取样光栅中进行第二次滤波，实现线宽压窄。

第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的不同之处在于取样光栅、相移取样光栅的参数不同，从而使得第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的输出光的波长间隔不同。本实施例中，第一取样光栅51与第二取样光栅61的取样周期和占空比不同，第一相移取样光栅53与第二相移取样光栅63的取样周期和占空比不同。

第一取样光栅51、第二取样光栅61、第一相移取样光栅53、第二相移取样光栅63的取样周期和占空比可以根据实际要求取任意值，只要能够使得第一光反馈模块5和第二光反馈模块6的输出光的波长间隔不同即可。

第一取样光栅51、第二取样光栅61、第一相移取样光栅53、第二相移取样光栅63为以下光栅结构中的一种或几种：光纤光栅，硅基、InP基、铌酸锂基波导结构的光栅。

参照图2和图3所示，相移取样光栅是由两个取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；相移取样光栅中的这两个取样光栅的周期和占空比与同一光反馈模块中的取样光栅相同。

在一实施例中，第一光反馈模块5中的第一相移取样光栅53是由两个第三取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；第三取样光栅与第一取样光栅51的取样周期和占空比相同。第二光反馈模块6中的第二相移取样光栅63是由两个第四取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；第四取样光栅与第二取样光栅61的取样周期和占空比相同。

图4为根据本公开一实施例所示的取样光栅的反射谱。

图5为根据本公开一实施例所示的相移取样光栅的透射谱。

图6为根据本公开一实施例所示的光反馈模块的透射谱。

下面参照图1来介绍本实施例中激光在可调谐窄线宽外腔激光器中的传播过程，并结合图4、图5、图6所示的取样光栅的反射谱、相移取样光栅的透射谱、以及光反馈模块的透射谱结果来分析本公开的可调谐窄线宽外腔激光器的有益效果。

图1中，箭头表示光传播的方向，参照图1所示，激光器芯片1发射激光经过第一分束器2分为两束，一束激光从其中一个输出端输出，成为出射光，另外一束激光从第一环形器3的第二端口32进入，然后从第三端口33注入到第二分束器4，然后通过第二分束器4的两个输出端口均匀分束后分别进入第一光反馈模块5和第二光反馈模块6。在第一光反馈模块5中，光通过第二环形器52的第四端口521进入，通过第五端口522进入第一取样光栅51中，进行波长选择性反射，反射谱如图4所示，然后返回第二环形器52中通过第六端口523进入第一相移取样光栅53，此时的光经过第一相移取样光栅53的二次模式压窄，相移取样光栅的透射谱如图5所示，此时的输出光的线宽相对于取样光栅输出光的线宽(图4所示)进一步减小，如图6所示；在第二光反馈模块6中，光的路径和处理过程与在第一光反馈模块5中相同，不同之处在于第二光反馈模块6的输出光谱的峰值间隔与第一光反馈模块5的输出光谱的峰值间隔不同。之后，从第一光反馈模块5和第二光反馈模块6中输出的光进入第三分束器7，之后从第三分束器7的输出端输出，从第一端口31进入第一环形器3，然后通过第一环形器3的第二端口32进入第一分束器2，最后光注入到激光器芯片中。由于第一光反馈模块5和第二光反馈模块6输出光的波长间隔不同，根据游标效应，可以实现单波长的选择，并通过调节一个光反馈模块的反射谱实现波长的大范围调谐。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种光反馈结构，能够实现线宽压窄，参见图1中虚线框所示，该光反馈结构具有光输入端和光输出端，包括：

环形器，该环形器具有三个端口，其中一个端口作为光反馈结构的光输入端，光从此端口输入；

取样光栅，与环形器的其余两个端口中的一个端口相连，使光在取样光栅中进行波长选择性反射，然后回到环形器中；以及

相移取样光栅，与环形器的其余两个端口中的另一个端口相连，使回到环形器的光在相移取样光栅中进行二次滤波，实现线宽压窄。

本实施例中，取样光栅和相移取样光栅为以下光栅结构中的一种或几种：光纤光栅，硅基、InP基、铌酸锂基波导结构的光栅。

本实施例中，相移取样光栅是由两个第五取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；相移取样光栅中的这两个第五取样光栅的周期和占空比与同一光反馈模块中的取样光栅相同。

综上所述，本公开提供了一种光反馈结构及可调谐窄线宽外腔激光器，通过设置第一光反馈模块和第二光反馈模块对分束后的两束光进行波长的选择性反射和二次模式压窄，使第一光反馈模块和第二光反馈模块的输出光的波长间隔不同，并且可通过调节一个光反馈模块的反射谱实现波长的大范围调谐，从而同时实现较高的线宽压窄效果和大范围的波长调谐，且调谐间隔及调谐范围可根据实际需求进行设置，调谐具有灵活性，并且使用取样光栅和相移取样光栅相结合的方式进一步压窄线宽，从而实现大范围调谐的窄线宽外腔激光器。

需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调谐窄线宽外腔激光器，包括：

激光器芯片(1)；

第一分束器(2)，与激光器芯片(1)相连，将光分为两束；

第一环形器(3)，具有第一端口(31)、第二端口(32)和第三端口(33)，第二端口(32)与第一分束器(2)的一个输出端口相连；

第二分束器(4)，其输入端与第三端口(33)相连；

第一光反馈模块(5)，其输入端与第二分束器(4)的一个输出端相连；

第二光反馈模块(6)，其输入端与第二分束器(4)的另一个输出端相连；以及

第三分束器(7)，包含两个输入端与一个输出端，两个输入端分别与第一光反馈模块(5)和第二光反馈模块(6)相连，输出端与第一端口(31)相连；

其中，第一光反馈模块(5)和第二光反馈模块(6)的结构均包括：取样光栅、环形器、以及相移取样光栅，光通过环形器依次进入取样光栅和相移取样光栅实现线宽压窄。

2.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽外腔激光器，其中，所述第一光反馈模块(5)和第二光反馈模块(6)的结构相同，第一光反馈模块(5)和第二光反馈模块(6)中取样光栅的占空比不同、取样周期不同，第一光反馈模块(5)和第二光反馈模块(6)中相移取样光栅的占空比不同、取样周期不同，使得第一光反馈模块(5)和第二光反馈模块(6)的输出光的波长间隔不同。

3.根据权利要求1或2所述的可调谐窄线宽外腔激光器，其中：

所述第一光反馈模块(5)，包括：第一取样光栅(51)，第二环形器(52)，以及第一相移取样光栅(53)，其中，第二环形器(52)，具有第四端口(521)、第五端口(522)和第六端口(523)，第四端口(521)作为第一光反馈模块(5)的输入端，与第二分束器(4)的其中一个输出端相连，第五端口(522)与第一取样光栅(51)相连，第六端口(523)与第一相移取样光栅(53)相连；

所述第二光反馈模块(6)，包括：第二取样光栅(61)，第三环形器(62)，以及第二相移取样光栅(63)，其中，第三环形器(62)，具有第七端口(621)、第八端口(622)和第九端口(623)，第七端口(621)作为第二光反馈模块(6)的输入端，与第二分束器(4)的另一个输出端相连，第八端口(622)与第二取样光栅(61)相连，第九端口(623)与第二相移取样光栅(63)相连。

4.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽外腔激光器，其中，所述激光器芯片1的腔结构包括以下结构中的一种：F-P腔，DFB结构或者DBR结构。

5.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽外腔激光器，其中，所述第一分束器(2)、第二分束器(4)和第三分束器(7)为以下分束器中的一种或几种：光纤分束器、波导分束器。

6.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽外腔激光器，其中，所述取样光栅和相移取样光栅为以下光栅结构中的一种或几种：

光纤光栅，硅基、InP基、铌酸锂基波导结构的光栅。

7.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽外腔激光器，其中，所述第一光反馈模块(5)中的相移取样光栅是由两个第三取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；所述第二光反馈模块(6)中的相移取样光栅是由两个第四取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；所述第三取样光栅、第四取样光栅与在同一个光反馈模块中的所述取样光栅的取样周期和占空比相同。

8.一种光反馈结构，能够实现线宽压窄，所述光反馈结构具有光输入端和光输出端，包括：

环形器，该环形器具有三个端口，其中一个端口作为光反馈结构的光输入端，光从此端口输入；

取样光栅，与环形器的其余两个端口中的一个端口相连，使光在取样光栅中进行波长选择性反射，然后回到环形器中；以及

相移取样光栅，与环形器的其余两个端口中的另一个端口相连，使回到环形器的光在相移取样光栅中进行二次滤波，实现线宽压窄。

9.根据权利要求8所述的光反馈结构，其中，所述取样光栅和相移取样光栅为以下光栅结构中的一种或几种：光纤光栅，硅基、InP基、铌酸锂基波导结构的光栅。

10.根据权利要求8或9所述的光反馈结构，其中，所述相移取样光栅是由两个第五取样光栅中间加入一段相移构成的，这段相移为π或者π+2nπ，n为正整数；所述第五取样光栅与所述取样光栅的取样周期和占空比相同。

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