CN1113044A - 程控/手动连续可调谐窄线宽外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于连续可调谐激光器结构设计领域，本 发明提出一种使光栅转轴与外腔半导体光轴偏置h 距离的结构即达到只转动光栅就可实现光栅反馈波 长与谐振频率移动同步。同时采用大数值非球面透 镜以及使光栅刻痕与半导体平面平行放置等措施，使 本装置具有结构简单，调谐精度高，调谐范围大，线宽 窄，等诸多优点，并可方便地与通用微机接口，实现对 频率调谐、波长定标，功率输出及温度的自动监控等 多种功能，具有广泛的应用前景。

Description

本发明属于激光技术领域，特别涉及连续可调谐外腔半导体激光器结构设计。

连续可调谐窄线宽外腔半导体激光器是光通信、光交换，光波元件测试，光谱分析、光纤传感以及计量检测等领域必需的重要光源。多年来一直是国际上研究的热点，近年来开始出现产品。外腔半导体激光器由：置于冷却器上的半导体激光器（LD）及放置在LD一侧的外反射器组成，LD与外反射器之间通过透镜耦合。实现连续调谐的通常方法是采用光栅做外反馈元件，要求光栅转动引起的反馈中心波长的移动与腔长变化造成谐振频率的移动相等。

根据光栅方程：

2dSinθ＝K·λ    （1）

及谐振条件：

L＝q· (λ)/2 （2）

可得到连续调谐条件为：

(δL)/(δθ) ＝L·Ctgθ （3）

上述公式中：λ为激光振荡波长，L为外腔长，θ为光栅入射角，d为光栅常数，K为光栅衍射级次，通常采用一级衍射光K＝1，q为正整数，δL及δθ分别是连续调谐要求腔长和光栅转角同步变化量。为了满足（3）式，需要光栅转动与腔长调节同步进行。为此，已有的技术方案多数是采用复杂的机械传动结构使光栅做旋转和平移的二维运动，也有的方案是在激光谐振腔内插入光学F-P薄板，这种方法需要同步控制光栅及薄板的运动，其系统也很复杂，上述两种方案的共同问题是由于机械结构复杂，控制系统繁琐，不易做到同步，经常发生跳模，单模稳定性差且成本高。

通常的外腔激光器在调谐过程中产生跳模现象以及工作在固定频率处发生跳模的原因是，光栅反馈波长的光谱范围较宽，在较宽的反馈谱线范围内可以同时允许多个纵模振荡。外腔引起的损耗差不足以让主模把边模抑制掉，在反馈光谱范围内的不同纵模间因调谐的不同步或温度、电流、声波振动的扰动而跳变。这种跳模因素现还末得到足够的重视及有效的解决办法。

另外，为实现激光器调谐和选频的自动控制，已有的一些可调谐外腔半导体激光器配备了专用微机，大多调谐精度较低，功能单一，不能实现人机对话，不能灵活的适应不同应用场合的不同要求而且价格昂贵。

本发明的目的在于为克服上述已有技术的不足之处，提出一种新的连续可调谐外腔半导体激光器，即采取偏轴设置光栅，只转动光栅即可使光栅反馈中心波长与谐振频率的移动同步进行。

本发明具有结构简单，互换方便，性能稳定，调谐精度高，波长定标显示方便，准确，并可与通用微机接口，实现功能的自动选择自动控制等诸多优点。

本发明提出一种连续可调谐外腔半导体激光器由光栅及其传动机构，透镜及半导体激光器组成，其特征在于设置所说的光栅的传动机构的转动轴与所说的透镜与半导体激光器组成的光轴间距为h，并且满足h＝bSinθ+LCos³θ/Sinθ，其中：b为光栅与转轴的距离，θ为光栅法线与光轴的夹角，L为外腔有效腔长。

本发明的工作原理结合图1说明如下：

半导体激光器1与透镜2组成的光轴X，与光栅g的转轴中心O相距h，外腔长为L，光栅g的法线与光轴X夹角为θ，当光栅转动一小角度δθ（至g′）时腔长随之变化为δL，因δθ很小，

∴ (δR)/(δl) ＝COS（θ+δθ）≈COSθ （4）

δR＝R·δθ    （5）

又

h＝bSinθ+RCOSθ

＝bSin+ (δR)/(δθ) ·COSθ

＝bSinθ+ (δl)/(δθ) ·COS²θ （6）

将连续调谐条件 (δL)/(δθ) ＝Ctgθ·L（3）式代入（6）式得到

h＝bSinθ+ (COS³θ)/(Sinθ) ·L （7）

因此只要满足（7）式的条件，即可使光栅反馈中心波长与谐振频率的移动同步进行。

本发明为克服通常的外腔激光器在调谐过程中产生跳模现象，采取了压窄光栅反馈线宽的措施包括：1）选用大数值口径的非球面透镜取代已有技术的自聚焦透镜或显微物镜。以此提高光栅分辨率，光栅分辨本领：δλ＝ (λ)/(KN) ，其中λ为波长，N为照射光斑内的光栅条纹数，K为光谱级次。因此，入射到光栅上的光斑越大，光栅条纹越密，则分辨率越高，采用大数值口径（NA）高耦合效率的非球面透镜，使光斑面积增大，从而压窄了光栅的反馈线宽;

2）将半导体结平面与光栅刻痕成平行放置，使半导体激光器（LD）有源区对光栅反馈光束张角减小。由于LD发光波导截面不对称，为扁矩型（通常为0.2×10μm），因此LD结平面与光栅刻纹平行放置与相互垂直放置，允许接收的反馈张角相差悬殊（0.2∶10）。已有的结构，考虑到耦合效率及振荡阈值，通常将LD结平面与光栅刻痕垂直放置，有源区开口为10μm，本发明采取平行放置，有源区开口为0.2μm，使光栅反馈线宽大大减小，从而确保不跳模。

本发明不但具有结构简单，成本低廉的特点，而且仅调整光栅角度即可达到光栅反馈波长与谐振频率移动同步的目的。具有性能稳定，调谐精度高，调谐范围大，反馈线宽窄，波长定标显示方便、准确，可方便地与通用微机接口，实现多种功能选择及控制，可广泛适应不同领域的不同应用需要。

附图简要说明

图1为本发明原理示意图。

图2为本发明的一种实施例结构示意图，其中2（1）为正视图，2（2）为俯视图。

图3为本实施例的波长定标单元示意图，其中3（1）为结构示意图，3（2）为电路原理图。

图4为本实施例的计算机控制单元示意图。

图5为本实施例计算机控制流程图。

本发明设计出一种手动/程控连续可调谐窄线宽外腔半导体激光器实施例，其结构如图2～5所示，结合各附图分别详细描述如下：

一、手动外腔半导体激光器：主要包括，激光二极管（LD）及其前后准直透镜210，光栅及其传动机构220，波长定标单元230三部分。本实施例各部分均安装在一盒体内构成一整体，盒体分为具有良好的隔热性能的内盒204，及具有良好的散热效果的金属外盒202，各部分具有方便互换的积木式结构，极大地方便了不同波长器件的更换，也大大提高了整体器件的稳定性。下面对各部分分别进行详细描述。

激光器及透镜部分包括表面镀有增透膜的LD固定在热沉211上，LD两端分别为安装在透镜支架212上两个透镜筒213、214，其中透镜筒213内装有非球面透镜，它将发散的激光束变成平行光射向光栅，放置在LD另一端的透镜筒214内安装有自聚焦透镜，它将激光光束转变成平行光输出激光器外，热沉211及透镜支架212均焊接在半导体致冷器215上，致冷器215与激光器底座201相固接。此外，在装置底座下面放置了另一组致冷器，以实现对整个装置的温度控制。光栅221与其传动机构安装在与激光器底座201相固接的调谐架222上。

光栅传动机构包括，光栅座223、连杠224、偏心轮225、定滑轮及定滑轮轴226，拉线轮227、连杆轴228及弹簧片229组成。本实施例中采用1200条/mm的光栅，光栅固定在光栅座223上，调整光栅使其刻痕相对于激光器LD的结平面平行放置，光栅座转轴与光栅相距b＝2mm，与激光器光轴相距h＝4.56mm。当旋转固定在激光器外盒202外的旋钮203时，连杆轴228随之转动，拉线经过定滑轮226将连杆轴228转动传给拉线轮227，本实施例的拉线轮的外径为连杆轴的5倍，因此转动角度被细分了5倍。拉线轮227的转动经过轮轴带动固定其上的偏心轮225转动，连杆224与弹簧片229紧夹在偏心轮225上，当偏心轮225转动时连杆224随之上下摆动，光栅座223与连杆224固定在一块也随之绕轴摆动，本实施例设计选择合适的偏心尺寸偏心轮转动360°时，光栅来回摆动10°，从而角度又被细分了18倍，大大提高调谐精度，又由于经过拉线、连杆二次传递，调谐旋钮203的抖动，扭曲都不会传到光栅座223上，从而保证光栅只做平稳的转动，使激光器调谐稳定。

波长定位单元包括反射镜31，探测器32，小孔光阑33及开关电路如图3所示，其中反射镜31固定在图2中的调谐架222上，可将光栅221零级反射光改变方向射向探测器32。利用光栅零级输出光方向与波长有唯一对应的关系，输出光经反射镜引导到具有小孔光阑的探测器列阵上，通过反射镜位置及距离的调整，实现只有当外腔调谐到某一特殊波长时，某一个探测器才能接收到光栅零级输出光。本实施例激光器输出波长为1.5μm，调谐范围为100nm;采用11个探测器的列阵。每隔10nm标定一个波长，从1.48～1.58μm即1.48μm，1.49μm……1.57μm，1.58μm共11个特殊波长，分别用探测器PD₁～PD₁₁接收。当某一探测器接收到0级输出光时，表明此时光栅调谐到某一特殊波长，采用开关电路将此探测器与一发光二极管相连，使发光二极管点亮。开关电路主要由运算放大器（0P07），电压比较器（LM393），开关三极管3DK，发光二极管LED等构成，如图3（2）所示，其原理是：当有光照射到探测器PD上时，在PD上产生电流注入到运算放大器（0P07）经电压比较器（LM393），使开关三极管3DK导通从而发光管LED上有电流流过，使LED发光做为指示此时有光照到探测器上，当无光照时，3DK截止，LED中无电流流过，指示熄灭。上述探测器列阵及光阑以及开关电路的元器件均固定在装置盒内的底板上（见图2），发光二极管安装在装置的前面板上，同时还装有一红色指针与滑轮、拉线相连，旋转调谐钮时，带动指针移动，可指示出二个特殊波长之间的波长大约值。

二、程控外腔半导体激光器：上述手动半导体激光器与一台通用微机相连即构成程控外腔半导体激光器，可实现自动调谐、波长定标、功率检测及器件温度的控制等各种功能的选择及控制。与手动装置的不同点是光栅传动机构中用步进马达与偏心轮相连带动光栅座及光栅摆动，取代定滑轮、拉线及调谐旋钮。由于光栅不直接安装在马达转动轴上，而是采取具有放大作用的凸轮磨擦传动结构，减低了对马达转角细分的要求和难度，可以很容易做到每步小于1GHz的调谐精度。本实施例对1.5μm激光器，调谐范围100nm对应光栅10°转角，利用凸轮传动结构，使标准的一步转1.8°（或3.6°，7.2°）的马达能一步仅转几分或几秒，即由每圈2000步细分到每圈数万步。本实施通用计算机通过模/数及数/模接口，分别与步进马达，致冷器，激光电源等部分相连，实现对激光的调谐、温度、功率的监控及波长的标定显示等功能。结合图4分别描述各部分的控制原理。

1、自动调谐及波长标定：

由输入的波长λ计算光栅的位置，即步进电机的转动角度，然后通过四路12位的数/模转换接口经功率放大后控制步进电机四相的驱动电流脉冲，使光栅转动到位。

2、温度监控：

用两个热敏电阻分别测量LD管芯热沉和外腔激光器内底板的温度，经电压放大后由两路12位的模/数转换接口输入计算机，作为实际的温度值。设定的温度由键盘输入，实际温度与设定值之间的误差信号作为两路16位数/模转换接口的输出分别控制两个致冷器的致冷电流，从而控制LD管芯热沉和激光器底板的温度。

3、恒流偏置及功率监测：

激光器的直流偏置由一路16位数/模转换接口提供。键盘输入的偏置电流的值对应数/模接口的电压，经V/I（电压/电流）转换为0～200mA范围的恒流源加在激光器上。

光功率由PIN探测，经一路12位模/数转换接口输入计算机。

控制系统工作流程如图5所示。

开机启动后初始复位，包括将步进电机驱动电流、激光器偏置电流、控温电流等置零。然后接受键盘输入，待输入温度及偏置电流后，延迟等待，稳定后电机回到初始位置，再接受键盘输入的波长，由软件控制电机转动使光栅到位。

控温及功率监控实时进行（采用定时中断方式），一旦温度失控或光功率、偏置电流出现异常，立即启动保护，使偏置电流、控制温电流置零，以免损坏激光器。

本实施例的主要性能指标如下：

波长：850nm，1300nm，1550nm

调谐范围：850nm波段为20nm

1300nm波段为50nm

1550nm波段为100nm

线宽：100KHg

输出功率＞2mw

光速发散角2mrad

频率稳定度50MHg/小时（无频率自动控制措施）

2MHg/小时（加频率反馈自动控制系统）

Claims (7)

1、一种连续可调谐外腔半导体激光器由光栅及其传动机构，透镜及半导体激光器组成，其特征在于设置所说的光栅的传动机构的转动轴与所说的透镜与半导体激光器组成的光轴间距为h，并且满足h=bSinθ+L·Cos³θ/Sinθ，其中：b为光栅与转轴的距离，θ为光栅法线与光轴的夹角，L为外腔有效腔长。

2、如权利要求1所述激光器，其特征在于所说的透镜为大数值口径的非球面透镜。

3、如权利要求1或2所述激光器，其特征在于所说的半导体的结平面与光栅刻痕成平行放置。

4、如权利要求1所述的激光器，其特征在于所说的透镜为分置在半导体激光器两端的大数值口径的非球面透镜与自聚焦透镜所组成，所说的半导体激光器和前后透镜做为整体安置在半导体致冷器上，半导体激光器的结平面与光栅刻痕成平行放置，所说的光栅传动机构为凸轮磨擦传动机构，上述各组成部件均安装于一盒体内的底座上，盒体内底座下安装一组致冷器。

5、如权利要求4所述的激光器，其特征在于所说的光栅凸轮磨擦传动机构包括与一连杆一端相固的固定光栅的光栅座，偏心轮，一端与所说连杆固定，另一端与连杆一起紧夹所说偏心轮的弹簧片，通过轮轴与所说偏心轮相连的滑轮组，与所说滑轮相连的调谐旋纽。

6、如权利要求4或5所述的激光器，其特征在于包括由能接收所说光栅零级反射光的反射镜分别接收经反射镜反射具有特殊波长的光的探测器列阵、设置在每个探测器前的小孔光阑以及由运算放大器、开关三极管、发光二极管所组成的开关电路所构成的波长定标，显示单元。

7、如权利要求4所述的激光器，其特征在于所说的凸轮磨擦传动机构包括与一连杆一端相固接的固定光栅的光栅座，偏心轮，一端与所说连杆固定另一端与连杆一起紧夹所说偏心轮的弹簧片，通过轮轴与所说偏心轮相连的步进马达，还包括一通用微机，通过模/数，数/模接口分别与所说的步进马达，控温测温热敏电阻，致冷器激光器电源相接。

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