CN110429467A - 集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法。该方法实施包括至少一个集成外腔半导体激光器，一个电流调谐装置和温度调谐装置，所述电流控制器和温度控制器同步驱动，电流改变所述激光器的外腔模式，温度改变所述激光器的外腔模式及光反馈元件的反射谱中心波长，使两者模式匹配，从而实现无跳模调频。通过使用上述的激光器，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并提高所述激光器的无跳模调谐范围。

Description

集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法

技术领域

本发明涉及外腔半导体激光器调频方法，尤其是指一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法。

背景技术

在干涉测量、光谱学、光通信、精密光谱、原子冷却及捕获等多个应用领域，都希望获得无波长跳模的宽带可调激光源。激光器主要通过调节谐振腔达到波长调谐的目的，而谐振腔连续调谐时激光器的激射模有时会产生跳模的现象，该跳模的现象在激光输出频率上，产生相当于激光器纵模间隔的频率跳跃，继而破坏了激光器频率连续调谐的特点，对于频率调谐的精确度，调谐线性度以及其他依赖于频率调谐特性的应用都会产生不利的影响；以波长扫描干涉测量法为例，跳模对于距离测量的空间分辨率，位置精确度以及其他特性都会产生不利的影响。

外腔半导体激光器以其易于调谐、谱宽窄、易于维护等特点成为光谱研究中的重要工具，为了实现以外腔可调半导体激光器的无调模调谐，必须使反馈元件的反射谱中心波长和外腔纵模同步移动，使得激光器的谐振腔所选择的纵模的模数为一个常量。

经典的Littow型外腔半导体激光器和Littman-Metcalf型外腔半导体激光器都是通过选择合适的转动轴，即转动Littrow结构中的光栅或Littman-Metcalf结构中的反射镜，使转动反馈元件引起的反馈中心波长的变化和等效腔长引起的波长变化同步，这样可以使输出的激光稳定在同一个纵模上(也可以理解为腔内往返一次的相位不变)，获得大的无跳模调谐范围，机械式无调模调谐的方法经过几十年的发展已经比较成熟，并且已经投入商用，几家公司也针对空间应用环境等较为严苛的情况提供了一些稳定性相对较高的产品：Toptica DL pro系列的Littrow型外腔半导体激光器，利用特殊设计的flexure joints结构来实现光栅的精细转动，并且通过严格控制光栅的转动点的方法可以实现30～50GHz的无跳模调谐，该种设计结构由于其基模共振频率大于4kHz，所以对外界声学振动的容忍度很高，并且通过选择低膨胀系数的材料大大降低了外界环境温度对激光器的影响；Newfoucs公司针对空间应用研制出了TLB-6900Vortex II系列的Littman-Metcalf型外腔半导体激光器，无跳模调谐范围高达100GHz，利用Star-Flex转动机制及磁力阻尼设计，使机械共振频率处的振幅大大下降，在开环状态下得到高稳定的激光输出。这种机械式无跳模调频方法都是基于特殊设计的调谐机制，对加工及装调的精度要求都很高，且价格都十分昂贵。总的来说，激光器的大范围无跳模调谐与高机械稳定性仍然是两个很难同时满足的目标，在制造过程中，存在着复杂的光学和机械对准、光学器件的额外的材料成本、超大的腔体尺寸、集成度低和很慢的调谐速度等诸多问题,所以VBG、FP、FBG等外腔半导体激光器以其结构紧凑、小型化、集成度高引起了人们的注意,主要通过温度调谐实现大范围连续调谐，但由于反馈元件反射谱与腔纵模热调谐存在失配导致无跳模调谐范围受限，因此针对集成度较高的外腔半导体激光器，本发明提出了一种无跳模调频的控制方法。

综上可知，现有技术中所提出的无跳模调频方法存在着诸多问题，从而限制了可调外腔半导体激光器在诸多领域中的应用，因此急需一种制造成本低、可批量生产、高稳定性、结构紧凑、集成度高的无跳模调频方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法，即同步驱动激光器的温度和电流，使得光反馈元件的反射谱中心波长和激光器的外腔模式同步移动，从而实现连续大范围的无跳模调谐，并且提高了激光器的集成度。同传统的外腔半导体激光器无调模调频方法，该方法具有更多优点，它结构紧凑，集成度高，成本低，而且更可靠，因为它没有任何可移动部件。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法，该方案包括：一个集成外腔半导体激光器，电流控制器和温度控制器，该激光器包括一个由增益介质和准直透镜组成的光学组件、至少一个光反馈元件。

外腔半导体激光器的纵模特性较为复杂，最终输出的激射模由四个因素决定，即：内腔模式、外腔模式、反馈元件的中心反射波长和增益光谱，芯片外的分立外腔一般都比较长，所以外腔模式间隔很小，这四个谱稍有扰动，就容易发生跳模，可以采用端面镀增透膜的半导体激光器做外腔，这样内腔的影响就可以忽略，所以实际的输出纵模是半导体增益谱及反馈元件反射峰决定的等效增益最大处的外腔模式，调谐就会变得简单。

当忽略内腔模式影响时，由于半导体激光器的增益谱线很宽，因此在一定范围内，只要外腔模式和反馈元件的反射峰同步移动，就可以获得波长的无调模调谐。

无跳模调谐原理如图1，直线和曲线是外腔纵模和反馈元件反射谱，如图(a)所示，当调谐外腔反馈元件，使反射峰移动，假定在此过程中，最初靠近中心波长的第n个外腔纵模总损耗最小，发生起振。而外腔的总腔长不发生改变，即外腔纵模不发生改变，随着反射峰移动，第n个纵模并不再是损耗最小的纵模，而第n+1个纵模的总损耗变为最小从而起振并发生跳模，此时必须同步调谐外腔腔腔长，如图(b)所示，使和外腔模式和反馈元件的反射模式同步移动，就可以获得波长的无跳模调谐。

温度变化时，一方面由于热光效应，材料折射率随着温度升高而增大，腔长还会热胀冷缩，输出纵模也是温度的升函数，所以温度升高，激光器的纵模波长会红移；同时，反馈元件的反射峰也会随着温度升高而移动。

纵模波长决定于注入电流导致的载流子浓度变化和结温的变化，两者的综合结果也使纵模波长蓝移。

总得来说，由于半导体增益介质的增益光谱比较宽，一般有几十个纳米，并且在一定范围内，纵模随温度和电流的变化速率远低于增益峰的变化，所以在一定范围内不会发生纵模相对于增益谱的跳模；在一定范围内，电流影响外腔输出的纵模，而温度同时影响输出纵模和反馈元件的反射峰。

首先分析电流对激光器的影响，电流调谐包含了折射率随载流子浓度的变化和电流热效应两个因素，注入电流引起载流子浓度变化，导致折射率发生改变，从而实现纵模波长调谐，是纵模调制的主要因素，这种变化可以表示为

其中，n为折射率，N为载流子浓度，e为电子电荷，ε₀为自由空间的介电常数，m为有效质量，ω为本征发射频率，对于InGaAs半导体激光器，折射率的变化量为δn＝-(28±0.6)×10^-20·ΔN(cm^-3)。

其次分析温度对外腔纵模和反馈元件反射谱的影响，温度调谐的机理包含折射率的温度系数和腔长的热胀冷缩系数，半导体材料的折射率是温度、载流子浓度和波长的函数：

n＝n(T,N,λ) (2)

波长随温度的变化可以表示为：

以光纤光栅外腔半导体激光器为例，纵模波长的偏移量和温度的关系为

其中，α_L为材料的热膨胀系数，α_n为材料的热光系数，δλ为外腔纵模的变化量，δL为外腔腔长的变化量，δn为材料折射率的变化量。

当光纤光栅所处温度变化时，热膨胀会导致光栅周期Λ变化，忽略应力影响时，光纤光栅的反射谱中心波长偏移量与温度变化之间的关系为

Δλ_B＝(α+ξ)ΔTλ_B (5)

其中，ΔT为环境的温度变化；热光系数表示光纤折射率随温度的变化关系，Δn为光栅的有效折射率的变化量；光纤的热膨胀系数表示光栅栅距随环境的变化，ΔΛ为光栅栅距的变化；同时从上式可以看出，Δλ_B与ΔT呈线性关系，通过控制温度变化。

一般来说对于1550nm波段的InP基激光器，腔纵模的温漂系数较大，约为96pm/K，对800nm的GaAs基激光器，纵模频率的变化率大约为60～70pm/K,均大于光栅反射谱中心波长的温漂系数，所以一旦将两者温度同步发生改变时，会导致外腔纵模跟光栅反射谱漂移的不同步，进而使激光器发生跳模。所以此时电流调谐需要补偿温度带来的外腔纵模和光栅反射谱之间的相对漂移，使得外腔纵模和光栅反射峰同步移动。

所述电流控制器和所述温度控制器同时对温度和工作电流进行调谐，激射波长随温度和电流的变化，在线性近似的范围内可以表示为：

式中，I为工作电流，T为激光器的工作温度，令(4)式和(5)式相等即

此时可使外腔模式和反射谱中心波长同步移动，实现连续无调模调频。

综上本发明的特点和优点是：

该发明提出的方法可以实现如下效果，使得无跳模可调谐外腔半导体激光器结构简单，可以实现小型化封装，集成度高，由于没有移动元件，结构紧凑，无需复杂的机械和电路设计，调谐机理简单，可以实现无跳模调频。

附图说明

图1是电流和温度同步调谐原理说明图

图2是外腔半导体激光器腔纵模和反馈元件的电流、温度调谐系数测量图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术效果更为明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

通过电流控制器和温度控制器同步驱动，电流改变所述激光器的外腔模式，温度改变所述激光器的外腔模式及光反馈元件的反射谱中心波长，使外腔模式与反射谱的中心波长变化量相匹配，从而实现无跳模调频。

以下给出具体实施例：

本实施例将本发明应用于光纤光栅混合型外腔半导体激光器中，所述激光器主要包括半导体增益芯片，前端面研磨为锥形透镜的光纤布拉格光栅，半导体制冷器，温度控制器，电流控制器，增益芯片输出的光经过所述增益介质发出的光经过锥形透镜后耦合入光纤光栅中，部分反射光沿原来入射光路返回所述增益介质中，在所述增益介质中振荡、放大到超过激光振荡阈值形成激光，另一部分反射光直接成为被输出的第一输出激光。

步骤一，按图2依次连接光纤光栅外腔半导体激光器1，电流控制器2，温度控制器3，光纤分束器4，波长计8，环形器5，宽带光源6，光谱分析仪7，其中环形器5的1端口与宽带光源相连，2端口与激光器的输出端相连，3端口与光谱分析仪相连。

步骤二，测出外腔反馈元件光纤光栅的的温漂系数，打开温度控制器3、宽带光源6及光谱分析仪7，通过温度控制器3改变激光器的温度，分别测出温度为T1及T2时光纤光栅的反射谱，记录两个温度下反射谱的中心波长λ_T1及λ_T2，计算外腔半导体激光器反馈元件(此处即光纤光栅)的温度调谐系数A＝(λ_T2-λ_T1)/(T2-T1)。

步骤三，关闭宽带光源6及光谱分析仪7,打开电流控制器2及波长计8,缓慢增加加注入电流直到形成激射模后，调整电流至合适的电流工作点,保持电流不变，缓慢改变温度，读出不同温度(T3及T4)波长计8的显示波长值(λ_T3及λ_T4),同步骤二一样，测量计算出外腔纵模的温度调谐系数B＝(λ_T4-λ_T2)/(T4-T3)。

步骤四，保持控制激光器温度不变，缓慢改变电流控制器的输出电流，测出不同电流I1及I2下激光器出射的中心波长λ_I1及λ_I2,计算调谐时外腔纵模随电流的调谐系数C＝(λ_I2-λ_I1)/(I2-I1)。

步骤五，通过已测得的温度和电流调谐系数，确定无跳模调谐时电流和温度关系，使得腔模随着电流和温度的移动量等于外腔反馈谱的移动量：

A·ΔT＝B·ΔT+C·ΔI (8)

上式可以简化为：

(A-B)·ΔT＝C·ΔI (9)

通过电流调谐补偿由于温度引起的腔纵模和反馈元件反射谱不同步引起的模式失配，而温度调谐范围ΔT受限于外腔半导体激光器反馈元件的温度可调范围，也即确定了上式左边的范围，从而可以确定无跳模的电流调谐范围，从而实现集成化外腔半导体激光器的无跳模调谐。

综上可知，通过本发明的实施例子中所提供的集成化外腔半导体激光器的无跳模调谐方法，可实现对激光频率的无跳模连续调谐，并且结构紧凑，降低生产成本，无需复杂的机械和电路设计，调谐机理简单。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之外，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种集成化外腔半导体激光器的无跳模调频控制方法，其特征在于，包括：

获取外腔半导体激光器反馈元件的温度调谐系数；

获取外腔纵模的温度调谐系数；

获取外腔纵模的电流调谐系数。

2.根据权利要求1所述的调频方法，其特征在于，所述温度调谐和电流调谐系数满足条件：

(A-B)·ΔT＝C·ΔI

式中，A为外腔半导体激光器反馈元件的温度调谐系数，B为外腔纵模的温度调谐系数，ΔT为外腔半导体激光器反馈元件的温度可调范围，C为外腔纵模的电流调谐系数，ΔI为电流调谐范围，即测出腔反馈元件的温度调谐系数，外腔纵模的电流调谐和温度调谐系数，同时根据腔反馈元件的温度可调范围，通过电流调谐补偿温度调谐引起的腔纵模和反馈元件反射谱的相对移动，从而使所述激光器的谐振腔所选择的纵模的模数为一个常量。