CN112838472A - 半导体激光器的发射波长和输出功率的独立控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体激光器的发射波长和输出功率的独立控制，具体公开了一种驱动半导体激光器的方法。该方法包括向半导体激光器施加激光器注入电流，以生成激光器输出功率，以实现预定输出功率。该方法还包括向调谐元件施加调谐电流，以生成激光器发射波长，以实现预定激光器发射波长。半导体激光器和调谐元件被配置为彼此独立地控制半导体激光器的激光器发射波长和激光器输出功率。

Description

半导体激光器的发射波长和输出功率的独立控制
本申请是申请号为201680012960.7、申请日为2016年3月4日、名称为“半导体激光器的发射波长和输出功率的独立控制”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本文整体涉及用于驱动半导体激光器的方法，并且更具体地涉及独立控制激光器的发射波长和输出功率。
背景技术
半导体激光器可用于一系列应用，并且在一些情况下，可能期望拥有具有窄线宽和单个频率发射的可调谐激光器。这些应用可得益于具有极窄线宽和单个频率发射的可调谐激光器。
为了实现窄线宽和宽调谐范围，可采用外腔激光器(ECL)系统、分布布拉格反射器激光器或具有集成调谐元件的分布反馈激光器。然而，这些系统和激光器的性能可受限于不需要的机械运动零件、缓慢响应时间、窄调谐范围和激光器输出中的非线性失真。
发明内容
本公开涉及用于驱动具有集成调谐元件的可调谐半导体激光器的方法。该方法可包括调制调谐电流和激光器注入电流，使得激光器发射波长和输出功率为独立可控的。在一些示例中，同时调制调谐电流和激光器注入电流。在一些示例中，正弦式地调制这些电流中的一者或两者。在一些示例中，在调谐发射波长时可实现恒定的输出功率。在一些示例中，相比于其调谐电流和注入电流未被同时调制的激光器，可通过本公开的示例实现更大的调谐范围。在一些示例中，输出功率和调谐可遵循线性关系。在一些示例中，实现目标输出功率和调谐波形所必需的注入电流和调谐元件驱动波形可通过基于目标输出功率和实际输出功率之间的拟合度和调谐波形的优化来实现。
附图说明
图1示出了可在其中实现本公开的示例的示例性系统。
图2A示出了根据本公开的示例的外腔激光器系统的图示。
图2B示出了根据本公开的示例的示例性分布布拉格发射器激光器的纵向图。
图2C示出了根据本公开的示例的示例性分布反馈激光器的纵向图。
图3示出了根据本公开的示例的激光器的剖视图。
图4A示出了根据本公开的示例的具有集成调谐元件的示例性激光器。
图4B示出了根据本公开的示例的具有集成调谐元件的激光器的示例性热相关时间延迟。
图4C示出了根据本公开的示例的响应于调谐元件电极上驱动的方波的光输出功率的示例性曲线图，其中由于热相关时间延迟的差异使得上升时间和下降时间具有不对称性。
图5A示出了根据本公开的示例的激光器注入电流和激光器输出功率之间的示例性关系。
图5B示出了根据本公开的示例的激光器驱动功率和发射波长或波数之间的示例性关系。
图5C示出了根据本公开的示例的注入电流和激光器电压之间的示例性关系。
图5D示出了根据本公开的实施示例的有源区的温度和热翻转功率之间的示例性关系。
图5E示出了根据本公开的示例的调谐元件功率和激光器输出功率之间的示例性关系。
图5F示出了根据本公开的示例的调谐元件功率和发射波长或波数之间的示例性关系。
图5G示出了根据本公开的示例的调谐元件驱动电流和调谐元件电压之间的示例性关系。
图6示出了根据本公开的示例的来自激光器的发射波长和输出功率的同时调制和动态调节的示例性设置。
图7A示出了根据本公开的示例的施加于调谐元件的示例性正弦式地调制驱动波形和施加于激光器的波导的恒定驱动波形。
图7B示出了根据本公开的示例的施加于激光器的电极的示例性正弦式地调制驱动波形。
图7C示出了根据本公开的示例的示例性正弦式地变化的波长移位和低于来自激光器的热翻转功率的恒定输出功率。
图7D示出了根据本公开的示例的示例性正弦式地变化的波长移位和达到或接近来自激光器的热翻转功率的输出功率。
图7E示出了根据本公开的示移位例的示例性正弦式地变化的波长移位和等于系统需求值的恒定输出功率。
图7F示出了根据本公开的示例的施加于激光器的电极的示例性非正弦式地调制驱动波形。
图7G示出了根据本公开的示例的发射波长的示例性线性斜坡，其中恒定输出功率低于来自激光器的热翻转功率。
图7H示出了根据本发明的示例的发射波长和位于或接近热翻转功率的输出功率的示例性线性斜坡。
图7I示出了根据本公开的示例的来自激光器的示例性可变波长移位和可变输出功率。
图8A-图8B示出了根据本公开的示例的用于优化注入电流和调谐元件电流的示例性处理流程。
具体实施方式
相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2015年3月6日的美国临时专利申请62/129,607的权益，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文以用于所有目的。
在以下对示例的描述中将引用附图，在附图中以例示的方式示出了可被实施的特定示例。应当理解，在不脱离各个示例的范围的情况下，可使用其他示例并且可作出结构性变更。
参照如附图所示的示例来详细描述各种技术和工艺流程步骤。在以下描述中，阐述了众多具体细节，以便提供对本文描述或参考的一个或多个方面和/或特征的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，本文描述或参考的一个或多个方面和/或特征可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，为了不使本文描述或参考的某些方面和/或特征模糊，未详述已知工艺步骤和/或结构。
另外，尽管可按顺序次序描述过程步骤或方法步骤，但此类过程和方法可被配置为以任何合适的次序进行。换句话讲，本公开中所述步骤的任何顺序或次序就其本身而言并未指示以该次序执行这些步骤的需要。此外，尽管被描述或暗示为非同时发生(例如，因为在其他步骤之后描述一个步骤)，但可以同时执行一些步骤。此外，通过在附图中对过程的描绘来对其说明并未暗示示出的过程不包括对其进行的其他变型和修改，并未暗示示出的过程或其步骤中的任一步骤对一个或多个示例是必要的，并且并未暗示示出的过程是优选的。
本公开涉及用于驱动具有集成调谐元件的可调谐激光器的方法。可调制调谐电流和激光器注入电流，使得激光器发射波长和输出功率为独立可控的。通过独立可控的发射波长和输出功率，可实现更宽的调谐范围(相比于不同时调制其调谐电流和注入电流的激光器)，并且在调谐发射波长的同时，激光器可发射基本上恒定的输出功率。此外，可避免或减少不需要的机械运动零件和激光器性能上的让步，诸如缓慢响应时间和非线性失真。
该部分描述了根据本公开的方法与装置的代表性应用。提供这些示例仅是为了添加上下文并有助于理解所述示例。因此，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在没有具体细节中的一些或全部的情况下实践所述示例。其他应用也是可能的，使得以下示例不应被视为是限制性的。
图1示出了可在其中实施本公开的示例的示例性系统。微量气体检测系统110可包括显示器112、激光器114和检测器116。激光器114能够使用本发明将公开的任何方法和波形可配置地操作。
可调谐半导体激光器是许多应用所需的，诸如微量气体检测、环境监测、生物医学诊断、通信和工业过程控制。具体地，这些应用可得益于具有窄或极窄线宽和单个频率发射的可调谐激光器。
尽管通常在大型庞大系统中使用，但可调谐半导体激光器在便携式电子设备中也可具有许多用途。例如，可壁挂微量气体检测系统110可定位于用户的车库中并且可用于检测车库中所停放车辆的排气是否超过安全水平。可壁挂微量气体检测系统110可在显示器112上提供警告并将信息传输至移动电话。作为响应地，移动电话可警告用户出现危险并可防止用户进入车库。
一种实现宽调谐范围的方法为通过利用外腔激光器(ECL)系统。图2A示出了根据本公开的示例的外腔激光器系统的图示。ECL系统208可包括增益介质200、透镜202和衍射光栅204。ECL系统208的发射波长可通过旋转衍射光栅204来调谐。尽管ECL系统208可实现宽调谐范围，但系统也可包括宏观机械运动零件，并且因此可具有有限的调谐速度，可需要精确准直度，可易受机械振动的影响，并且可有展现模式跳跃的趋势。对于前文论述的许多应用，外腔激光器架构可为无法实行的，尤其在用于便携式电子设备的情况下。
另一种实现宽调谐范围和窄线宽的方法为通过将周期性结构结合到半导体激光器中。具有组合的周期结构的两种类型的激光器为分布布拉格反射器(DBR)激光器和分布反馈(DFB)激光器。
图2B示出了根据本公开的示例的示例性DBR激光器的纵向图。DBR激光器210可包括位于可与增益部分214分开的光栅部分212的一个或多个衍射光栅。在一些示例中，DBR激光器210可包括光栅部分，诸如位于器件(未示出)的两端的光栅部分212。衍射光栅可位于有源区216上部或上方并且可被采用以提供光反馈以将光反射回腔中以形成谐振器。光栅可被配置为仅反射窄带波长以产生单个纵向模式的波长，并且可调节光栅的周期以实现特定激光器发射波长。
图2C示出了根据本公开的示例的示例性DFB激光器的纵向图。DFB激光器220可包括位于光栅部分222中的衍射光栅，该光栅部分可集成到或定位于有源区226。DFB激光器的衍射光栅的结构和功能可类似于DBR激光器的衍射光栅的结构和功能。然而，不同于其中光栅部分212与增益部分214分开的DBR激光器，DFB激光器可具有与光栅部分重合的增益部分。由于DFB激光器的增益部分可位于与光栅部分222相同的区域中，因此DFB激光器可具有更短腔长度。另外，DFB激光器不太易受模式跳跃的影响。
图3示出了根据本公开的示例的激光器的剖视图。激光器300可包括基板310、包覆层312、绝缘包覆318、有源区314和电极316。激光器300可安装到或接触热沉320。激光器300例如可通过供给注入电流IL的电源324来驱动。为了调谐激光器300的发射波长，可调节有源区314的温度或注入电流IL。在一些示例中，可调节温度以粗调发射波长，并且可调节注入电流IL用于更精确调谐。
为了调节有源区314的温度，热电冷却器(TEC)322可向热沉320施加热量。热量可穿过电极316、基板310和包覆层312至有源区314，致使光栅(位于有源区314上部或上方)的折射率改变。折射率改变可导致发射波长改变。因此，可通过改变穿过TEC 322所施加的热量来调谐激光器300的发射波长。然而，通过所施加热量进行调谐可能存在几个问题。对激光器进行加热可能需要来自TEC 322的很大功率。对于某些设备(诸如便携式电子设备)来说，需要很大功率可能并不实用，由于便携性和尺寸需求，因此具有严格的功率约束。另外，利用TEC 322对激光器300加热可导致缓慢响应，从而导致缓慢调谐速度，因为TEC 322可需要冷却和加热激光器300、热沉320和散热器(未示出)。因此，施加热量和达到目标发射波长之间的时间延迟可为秒的数量级，并且许多应用可能需要对激光器发射波长进行更快调节。
另一种调谐激光器300的方法可通过注入电流IL。可利用注入电流IL来通过电极316驱动激光器。与利用加热器322类似，注入电流IL可加热有源区314，从而导致发射波长改变。尽管利用注入电流调谐可提供对波长的精确调节，但在使用该方法时调谐范围可为有限的，因为在大幅提高温度所需的高注入电流下，激光器效率可降低。例如，调谐范围可在从标称波长的约0.2％数量级。对于9μm激光器，可导致仅0.036μm的调谐范围，可能对诸如光谱学之类应用来说是不够的。此外，激光器输出功率和发射波长的独立控制也许不可能，因为输出功率和发射波长均可能受注入电流的影响。
一种用于克服在通过TEC或通过注入电流进行调谐所遇到问题的方法可为使用集成调谐元件。图4A示出了根据本公开的示例的具有集成调谐元件的示例性激光器。激光器450可包括基板460、包覆层462、绝缘包覆463、有源区464、电极456、466和468，以及电阻性包覆461。激光器450可包括两个独立结构480和482。例如，结构480可为调谐元件，并且结构482可为激光器结构。电源474可连接至激光器结构482的顶部电极和底部电极456和468以提供注入电流IL以驱动激光器450。调谐元件或结构480可为靠近结构482的电连接结构。电源476可连接至顶部电极466以提供用于驱动调谐元件或结构480的调谐电流IT。在一个实施方案中，在电源476提供电流时，沟槽478形成产生热量的电阻器。尽管图4A将电源474和476示出为电流源，但本领域的技术人员将理解也可连接任何类型的电源。本公开的示例可包括但不限于通过加热、等离子体色散效应、光电效应或组合改变激光器波导的模式折射率的电源476。
电源474可通过注入电流IL驱动激光器以实现目标输出功率，并且电源476可通过调谐电流IT调节有源区464的温度以实现目标发射波长。然而，调节注入电流IL可影响有源区464的温度，并且调节调谐电流IL可影响激光器450的增益。由于注入电流IL和调谐电流IT并不完全解耦，因此调节注入电流IL和调节调谐电流IT可在优化发射波长方面具备有限灵活性，而不负面地影响激光器的光学损耗或电气性能。
激光器还可包括多个热相关的时间延迟，如图4B所示。路径490和496可与调谐元件电流或电源476引起的加热相关联。路径492和494可与TEC 422所引起的加热或冷却相关联。沿着路径490的加热从调谐元件扩散到激光器结构中的有源区464，从而导致可为数百μ秒数量级的时间延迟。沿着路径496的加热可穿过绝缘包覆463、基板460和电极468扩散到TEC 422。沿着路径494的加热可从热沉(未示出)和基板460扩散到有源区464以加热激光器脊部，并且沿着路径492的加热可从激光器脊部扩散到基板460和热沉以冷却激光器脊部。来自路径492和494的时间延迟可为约1-100ms。由于路径490和路径492/494的时间延迟之间的很大差异，电源476和474与TEC 422一起使用可导致非线性失真和较长响应时间。图4C示出了根据本公开的示例的由于热相关时间延迟的差异对调谐元件电源476的方波调制的输出功率响应的示例性曲线图。
图5A-图5C示出了根据本公开的示例的改变施加于激光器的注入电流的示例性影响。图5A示出了根据本公开的示例的激光器注入电流和激光器输出功率之间的示例性关系。对于恒定热沉温度，激光器输出功率可线性地取决于高于激光器阈值电流的注入电流。激光器的斜率效率可基于该线性相关关系来确定。在高注入电流处，由于有源区温度增加导致内部量子效率降低，继而可致使输出功率饱和(即，热翻转)，因此该线性相关关系可能破坏。
图5B示出了根据本公开的示例的激光器驱动功率和发射波长或波数之间的示例性关系。对于恒定热沉温度，发射波长或波数可线性地取决于激光器驱动功率。如图所示，发射波长可随驱动功率增大而红移。如上所述，有源区的温度的变化可导致折射率的变化，并且因此导致发射波长的变化。
图5C示出了根据本公开的示例的注入电流和激光器电压之间的示例性关系。由热调谐引起的发射波长的移位可与激光器内部的功率耗散成正比，功率耗散可与电压和电流的乘积相关。由于附图所示注入电流和激光器电压之间的关系，发射波长可以不与注入电流成正比。
图5D示出了根据本公开的示例的有源区的温度和热翻转功率之间的示例性关系。如上所述，尽管增大注入电流可导致输出功率增高，但有源区的温度可升高。在某一注入电流之上，有源区的温度可高到使得激光器的效率降低，并引起线性相关性(或图5A所示图示的斜率)的偏差。在激光器的安全操作范围内，输出功率可饱和达最大输出功率(即，热翻转功率或其中功率与注入电流的导数为零之处)。最大输出功率或热翻转功率可取决于许多因素，包括但不限于散热器或基板温度、调谐或加热电流、器件长度和器件设计。热翻转功率可随有源区的温度升高而降低，如附图中所示。因此，针对同一激光装置，热翻转功率可取决于操作条件而变化。
图5E-图5G示出了根据本公开的示例的改变激光器的调谐元件的示例性影响。图5E示出了根据本公开的示例的调谐元件功率和激光器输出功率之间的示例性关系。对于恒定激光器注入电流，激光器输出功率可线性地取决于调谐元件功率。如附图中所示，激光器输出功率可随调谐功率增大而减小。
图5F示出了根据本公开的示例的调谐元件功率和发射波长或波数之间的示例性关系。对于恒定激光器注入电流，发射波长可近似线性地取决于调谐元件驱动功率。如附图中所示，激光器输出功率可随调谐元件驱动功率增大而减小。
图5G示出了根据本公开的示例的调谐元件驱动电流和调谐元件电压之间的示例性关系。在高调谐元件电流处，调谐元件的IV曲线可变为非线性的。该非线性关系可致使激光器输出功率和发射波长背离于相对于调谐元件电流具有已知关系(例如，二次关系)。由于背离于已知关系并且由于注入电流和调谐元件电流与发射波长和输出功率之间的耦合，对发射波长和输出功率的同时优化可能变为一种挑战。另外，激光器的性能(例如，调谐范围和输出功率)可受到限制。
图6示出了根据本公开的示例的激光器的发射波长和输出功率的同时调制和动态调节的设置。设置可包括激光器600。激光器600可包括但不限于DFB或DBR半导体激光器，诸如量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)或I型激光器。在一些示例中，激光器可在若干波长范围中工作，包括近红外和中红外波长范围。激光器600可包括两个独立电极664和666。一个电极，诸如电极664，可耦合至调谐元件(诸如图4A所示结构480)。另一个电极，诸如电极666，可耦合至激光器结构(诸如图4A所示结构482)。
两个电源可耦合至电极以独立地驱动电极。例如，电源676可耦合至调谐元件的电极666，并且电源674可耦合至激光器的电极664。激光器600的输出672可被导向透镜630，该透镜可反射离开镜像632。分束器634可将光束分为两个不同路径640和642。路径640可被导向检测器644。路径642可被导向反射镜636，该反射镜可将光反射到检测器646。检测器644可测量激光器输出功率，并且检测器646可测量发射波长。在一些示例中，标准具可包含在路径642中镜像636和检测器646之间。在一些示例中，光谱仪可用于测量发射波长。来自检测器644和646的检测信号可输入至计算机或控制器650。
控制器650可监测检测信号和目标信号或响应波形之间的偏差。基于偏差，控制器650可生成驱动波形613和615。驱动波形613和615可为用于最小化或减小偏差的新波形或经调整波形。数模转换器(DAC)652和654可耦接至控制器650和电源674和676以将由控制器650所生成的信号或波形从数字信号转换为模拟信号。
图7A-图7B和图7F示出了根据本公开的示例的施加于激光器的电极的示例性驱动波形。图7C-图7E、图7G-图7I示出了根据本公开的示例的激光器的示例性输出波形。如图7A所示，调谐电流702可被正弦式地调制，而激光器注入电流704可为恒定的。在一些示例中，调谐电流702和激光器注入电流704均可被正弦式地调制(如图7B所示)。在一些示例中，激光器注入电流704可与调制调谐电流702的正弦的平方根成正比。
示例性所得输出波形在图7C中示出，其中激光器的波长移位706可正弦式地变化。另外，激光器可发出恒定的或基本上恒定的输出功率708。该示例示出了在调谐波长时可实现基本上恒定的输出功率。在注入电流大于阈值电流的情况下，输出功率可小于热翻转功率用于给定的调谐范围或波长移位的范围。因此，可改变(增大或减小)输出功率以实现期望调谐范围。在调谐波长时实现恒定输出功率对注如波长调制光谱学等应用是有用的。
图7D示出了根据本公开的示例的示例性波长，其中激光器可被操作为使得输出功率接近热翻转功率。激光器可以输出功率来操作，其中输出功率对电流的斜率开始偏离线性关系(即，接近热翻转功率)。在一些示例中，激光器可被操作为使得输出功率基本上等于热翻转功率，从而导致相比于在输出功率708远低于热翻转功率710的情况下调谐范围减小。在一些示例中，激光器可以从线性关系的偏移和热翻转功率(即，输出功率对电流的导数为零处的功率)之间的输出功率操作。本公开的示例包括在给定有源区温度的情况下，调节激光器的操作条件使得输出功率对电流的导数为零。操作激光器使得输出功率708基本上等于或接近于热翻转功率710对诸如归一化到参考检测器的波长调制光谱测量等应用可为有用的。
在一些示例中，较大调谐范围可通过减小输出功率来实现。在一些示例中，激光器可被操作为使得输出功率可基于其中采用激光器的系统或应用所需的要求。如图7E所示，通过在满足系统光功率需求711但未大幅超出需求的条件下操作激光器，相比于在高于系统需求下操作激光器的情况下的调谐范围，可实现更大调谐范围或波长移位。例如，定位于用户的车库中的微量气体检测系统(上文论述并在图1中示出)可被配置为使得所检测到的小于400ppm的一氧化碳水平在安全水平内。系统需求可由检测到400ppm一氧化碳的操作条件来限定。与微量气体检测系统相关联的激光器(诸如图1中所示的激光器114)然后可在一个值下操作使得系统需求得到满足，检测到400ppm一氧化碳，并且实现更宽调谐范围(比操作激光器使得系统需求被超出)。在一些示例中，值可等于在高于系统需求1-10％下的系统操作。
在一些示例中，在调谐电流702、激光器注入电流704和波长移位706之间存在不同的相位量可基于调制的频率。在一些示例中，激光器注入电流704和波长移位706之间的相位差可为0°或180°。尽管本公开包括将热熔性作为调谐机制，但本公开的示例还可包括但不限于其他调谐机制诸如载流浓度调制。
图7F示出了根据本公开的示例的施加于激光器的电极的示例性非正弦式地调制驱动波形。如附图所示，调谐电流712可被调制，但不同于图7A的调谐电流702，调谐电流712可为非正弦的以便校正非线性和热时间常数，诸如上文论述的非线性和热时间常数。另外，激光器注入电流714可为非正弦的。结果可为正弦式地变化的输出波长和恒定的输出功率。
图7G示出了根据本公开的示例的发射波长的示例性线性斜坡，其中恒定输出功率低于来自激光器的热翻转功率。该示例还示出了在不影响激光器的输出功率的情况下，发射波长可被调谐。当线性调谐激光器实现小于热翻转功率730的恒定输出功率对诸如直接吸收光谱等应用可为有用的。
在一些示例中，激光器可被操作成使得输出功率波形具有与热翻转功率相同的形状，如图7H所示。图7H示出了根据本发明的示例的发射波长和接近热翻转功率的输出功率的示例性线性斜坡。可在使得输出功率728基本上等于热翻转功率730并线性地改变波长移位726的条件下操作激光器。发射波长的此类线性变化对诸如归一化到参考检测器的直接吸收光谱等应用可为有用的。
图7I示出了根据本公开的示例的来自激光器的随时间示例性可变波长移位和可变输出功率。如附图所示，输出功率748和波长移位746两者均可正弦式地变化。在一些示例中，输出功率748和波长移位746两者均可以非谐波相关的频率变化。对输出功率和发射波长两者的同时正弦调制对诸如波长调制光谱等应用可为有用的。
本领域的技术人员将理解，上述示例性附图可表示目标波形。在一些示例中，由于非线性(未示出)的存在，所得输出波形可与目标波形不同。
图8A-图8B示出了根据本公开的示例的用于优化注入电流和调谐元件电流的示例性处理流程。过程800可始于将时间间隔分成一系列样本点(步骤802)。在一些示例中，过程800可由处理器或控制器来执行(诸如图6的控制器650)。在一些示例中，时间间隔可基于期望功率和波长响应波形的重复周期。控制器可确定每个样本点处的目标输出功率和发射波长(步骤804)并且可从此计算出期望光电二极管信号(步骤806)。期望光电二极管信号可基于因素诸如光电二极管的响应曲线、标准具的长度、标准具的光学特性、光谱仪的响应或任何组合。
控制器可将调谐元件电流和激光器驱动电流设定为初始值(步骤808)。在一些示例中，调谐元件可被设定为零，并且激光器驱动电流可被设定为高于阈值的恒定值(即，激光器打开的值)。另选地，可利用预先确定的波形来驱动激光器。在一些示例中，预先确定的波形可基于来自激光器的先前表征数据。预先确定的波形可包括但不限于用于不同的注入电流和调谐元件电流的光IV曲线和注入电流扰动的步骤响应。控制器或信号采集系统可检测输出信号并在时间间隔上方数字化(步骤810)。在一些示例中，时间间隔可为一个时间间隔。在一些示例中，输出信号可为从检测器(诸如图6的检测器644和646)测量的信号。
从输出信号或波形，可计算拟合度(步骤812)。拟合度(GOF)可为用于量化目标激光器输出或波形和测量激光器输出或波形之间差值的品质因数，包括输出功率和发射波长。例如，GOF可被定义为：
Figure BDA0002888663540000121
其中W(t)为时间t处的测量波长，WT(t)为时间t处的目标波长，P(t)为时间t处的测量输出功率，PT(t)为时间t处的目标输出功率，w1和w2为加权值，并且P为在时间间隔中样本点的数量。
控制器可优化驱动注入电流或调谐元件电流或两者(步骤814)。图8B的过程850示出了优化驱动注入电流或调谐元件电流的示例性流程图。控制器可始于时间间隔中的第一样本点(步骤852)。控制器可沿第一方向改变激光器注入电流或调谐元件电流或两者(步骤854)，并且然后从沿第一方向的变化来检测输出波形(步骤856)并计算第一GOF(步骤856)。控制器还可沿第二方向改变激光器注入电流或调谐元件电流或两者(步骤860)，并且然后从沿第二方向的变化来检测输出波形(步骤862)并计算第二GOF(步骤864)。在一些示例中，第一方向可与第二方向相反。例如，第一方向可为取值上比图8A的步骤808中设定的注入电流高一个步长大小并且第二方向可为取值上比图8A的步骤808中设定的注入电流低一个步长大小。在步骤868中，可比较第一GOF和第二GOF。基于哪个GOF具有最低值(相比于另一个GOF)或偏离于预先确定或目标GOF，可调节驱动波形。
控制器可确定是否已测试所有样本点(步骤870)。如果否，则控制器可移至下一样本点(步骤872)并针对该下一样本点重复调节过程。如果已测试完所有样本点，则可将驱动波形存储在存储器中(步骤874)。
在一些示例中，过程800和850可重复进行直到达到某一GOF值。在一些示例中，在激光器工作以积极校正电源特性中随时间的任何偏移的情况下，过程800和850可连续运行或以增量式周期运行。
上述功能中的一者或多者例如可由存储于存储器中的固件执行或由处理器或控制器(诸如图6的控制器650)执行。该固件也可以存储和/或输送于任何非暂态计算机可读存储介质内，以供指令执行系统、装置或设备诸如基于计算机的系统、包括处理器的系统或可以从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统使用或与其结合。在本文档的上下文中，“非暂态计算机可读存储介质”可以是可包含或存储程序以供指令执行系统、装置和设备使用或与其结合的任何介质(不包括信号)。非暂态计算机可读存储介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(RAM)(磁性)、只读存储器(ROM)(磁性)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)(磁性)、便携式光盘(诸如，CD、CD-R、CD-RW、DVD、DVD-R或DVD-RW)、或闪存存储器(诸如，紧凑型闪存卡、安全数字卡)、USB存储器设备、存储条等。在本文的上下文中，“传输介质”可以是可传送、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合的任何介质。传输可读介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁或红外有线或无线传播介质。
在一些示例中，公开了一种驱动具有调谐元件和波导的激光器的方法。该方法可包括：向激光器的调谐元件施加第一波形；向激光器的波导施加第二波形；调制第一波形并同时调制第二波形，其中激光器的发射波长和输出功率为独立可控的。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，第一波形不同于第二波形。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括在非谐波频率下调制第一波形和第二波形。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，第一波形和第二波形中的至少一者为正弦的。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，第一波形和第二波形中的至少一者为非正弦的。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他实施例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形以正弦式地改变发射波长。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他实施例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形以使输出功率保持在恒定值。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，其中激光器包括在具有要求的系统中，该方法进一步包括调制第二波形使得系统在要求下工作。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括调制第二波形使得输出功率对注入电流的导数为零。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形使得输出功率至少部分正弦式地变化。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，第二波形包括从发射波长的0°或180°相移。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形使得发射波长恒定或线性地变化。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形使得输出功率对注入电流的导数为零。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形使得发射波长线性地变化并且输出功率恒定。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括调制第一波形和第二波形使得发射波长恒定并且输出功率正弦式地变化。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，该方法进一步包括：检测发射波长；检测输出功率；确定所检测发射波长和目标波长之间的第一差值；确定输出功率和目标功率之间的第二差值；以及调节第一波形和第二波形中的至少一者以减小第一差值和第二差值中的至少一者。
在一些示例中，公开了一种非暂态计算机可读存储介质。非暂态计算机可读存储介质可存储一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由设备执行时使得所述设备执行一种方法，所述方法包括：向激光器的第一电极施加第一波形，其中所述第一电极耦合至激光器的调谐元件；向激光器的第二电极施加第二波形，其中所述第二电极耦合至激光器的波导；以及调制第一波形并同时调制第二波形。
在一些示例中，公开了一种设备。该设备可包括：具有第一电极和第二电极的激光器，其中第一电极由第一波形来驱动，并且第二电极由第二波形来驱动；以及被配置为同时调制第一波形和第二波形的逻辑部件，其中激光器的发射波长和输出功率中的至少一者基于对第一波形和第二波形的同时调制。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，激光器的调谐范围为激光器的中心波长的至少0.2％。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，激光器为分布反馈(DFB)激光器或分布布拉格反射器(DBR)激光器。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，激光器为量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)或I型激光器。另选地或者作为以上公开的一个或多个示例的替代，在其他示例中，第一电极形成调谐元件的一部分并且第二电极形成激光器结构的一部分，调谐元件热耦接至激光器结构。
虽然参照附图对公开的示例进行了全面的描述，但应注意，各种变化和修改对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，此类变化和修改被认为包括在由所附权利要求所限定的所公开的示例的范围内。

Claims (20)

1.一种驱动半导体激光器的方法，包括：
向所述半导体激光器施加激光器注入电流，以生成激光器输出功率，以实现预定输出功率；以及
向调谐元件施加调谐电流，以生成激光器发射波长，以实现预定激光器发射波长；其中所述半导体激光器和所述调谐元件被配置为彼此独立地控制所述半导体激光器的激光器发射波长和激光器输出功率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在维持大致一致的底座温度的同时改变所述激光器注入电流，以使得所述激光器输出功率线性依赖于所述激光器注入电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述激光器注入电流超过激光器阈值电流时，所述激光器输出功率线性依赖于所述激光器注入电流。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在所述激光器注入电流超过所述激光器阈值电流时，至少部分基于所述激光器输出功率对所述激光器注入电流的线性依赖性来确定激光器斜率效率。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在维持大致恒定的激光器输出功率的同时，改变所述调谐电流以调谐所述激光器发射波长。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在维持大致一致的底座温度的同时改变激光器驱动功率，以使得所述激光器发射波长线性依赖于所述激光器驱动功率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述激光器驱动功率增大时，所述激光器发射波长向较低的激光器发射波长移位。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在维持大致一致的激光器注入电流的同时改变调谐元件驱动功率，以使得所述激光器输出功率线性依赖于所述调谐元件驱动功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光器输出功率随着所述调谐元件驱动功率增大而减小。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在维持大致一致的激光器注入电流的同时改变调谐元件驱动功率，以使得所述激光器发射波长线性依赖于所述调谐元件驱动功率。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述激光器注入电流超过激光器阈值电流时，在维持大致一致的激光器输出功率的同时在预定调谐范围内调谐所述激光器发射波长。
12.根据权利要求11所述的方法，其中对于给定的调谐范围，所述激光器输出功率小于热翻转功率。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在维持大致一致的激光器输出功率的同时施加非正弦式地调制的激光器注入电流，以使得所述激光器输出波长至少部分正弦式地变化。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述调谐电流、所述激光器注入电流和波长移位之间的相位差的量主要依赖于所述调谐电流的调制频率。
15.一种光学设备，包括：
半导体激光器，所述半导体激光器包括：
激光器结构；和
调谐结构；
逻辑部件，所述逻辑部件被配置为同时向所述激光器结构施加激光器注入电流和向所述调谐结构施加调谐电流，以彼此独立地控制激光器发射波长或激光器输出功率中的至少一者。
16.根据权利要求15所述的光学设备，其中所述激光器结构与所述调谐结构热耦合。
17.根据权利要求15所述的光学设备，其中所述调谐结构被配置为生成热以控制所述半导体激光器的增益。
18.根据权利要求15所述的光学设备，其中所述半导体激光器是分布布拉格反射器(DBR)激光器、量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)或I型激光器中的至少一者。
19.一种利用调谐元件驱动可调谐半导体激光器的方法，包括：
调制给激光器的激光器注入电流，以生成激光器输出功率和激光器发射波长；
与调制所述激光器注入电流大致同时地调制给所述调谐元件的调谐电流，以产生更宽的激光器发射波长调谐范围，其中所述激光器输出功率和所述激光器发射波长是能够独立地被控制的。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
至少部分基于拟合度值和调谐元件驱动波形，将预定的激光器输出功率与测量的激光器输出功率进行比较；以及
至少部分基于经比较的预定的激光器输出功率和实际的激光器输出功率来调节所述激光器注入电流或所述调谐元件驱动波形中的至少一者，以实现所述预定的激光器输出功率。
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