CN117374734B - 一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，属于半导体激光器技术领域。包括分布反馈半导体激光器阵列、波分复用器、光环行器、分光器和光谐振器。其中激光器阵列通过注入电流激射不同波长，然后通过波分复用器将所需波长进行合波，利用光谐振器提供的连续梳状透射谱进行反馈，抑制高频噪声，从而获得连续窄线宽输出。本发明利用波分复用器实现多个波长的分布反馈半导体激光器阵列，并利用自注入锁定原理实现窄线宽，所有光学链路均为保偏光纤，结构紧凑，具有更好的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器。
背景技术
随着各种应用对带宽需求的提高，密集波分复用技术普遍地运用在各类相干通信、光互连、光纤传感、量子测量等系统中，尤其在激光传感、高灵敏度相干光通信和微波光子学等系统中，不断对激光器的线宽提出更高的要求。传统的系统需为每个波长配备一个独立的高性能半导体激光器，使得系统结构复杂、成本高昂。如果用一个多波长光源替代系统中数十个半导体激光器，可极大地简化系统、降低成本。
目前的多波长激光器方案主要有：(1)基于锁模光激光器；(2)基于III-V族半导体的量子点多波长激光器；(3)基于阵列波导光栅滤波的多波长激光器。锁模光多波长激光器通常选用半导体光放大器作为增益介质激发多波长再用滤波器选择波长，这种方案使各个波长的光功率不均等且功率不高，满足不了应用需求；基于III-V族半导体量子点多波长激光器工艺复杂，各波长光功率不高，成本高，导致总体性能和应用需求有差距；现有的基于阵列波导光栅滤波的多波长激光器尺寸大，线宽受限于复用的激光器，导致该器件的总体成本很高。因此，需要有一种能够兼顾小尺寸、低成本、波长独立调谐、窄线宽，能 够满足系统应用多方面需求的多波长激光器方案。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器。本发明激光器利用光谐振器的透射光对不同波长的分布反馈半导体激光器进行反馈注入，通过调整反馈强度，可以输出光谐振器不同透射峰处激发的窄线宽激光，实现连续的窄线宽多波长激光输出，并改善高频频率噪声的抑制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，包括分布反馈半导体激光器阵列、波分复用器、光谐振器和光谐振器反馈结构；
所述分布反馈半导体激光器阵列的输出端口分别与波分复用器的各个波分复用输入端口相连，用于输出包含所有波长的激光；
所述光谐振器的透射谱波长间隔和分布反馈半导体激光器阵列波长间隔保持一致，将波分复用器输出激光的各个波长锁定在光谐振器的投射峰的最大斜边，用于过滤高频部分和压缩线宽；
所述光谐振器反馈结构包括光环行器、分光器、可调反射镜或两者之间结合，用于反射光谐振器的透射谱到波分复用器，经过波分复用后，各个波长分别反馈注入至分布反馈半导体激光器，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
进一步地，所述波分复用器阵列波导光栅波分复用器、刻蚀衍射光栅、马赫泽恩德干涉仪、级联光栅方向耦合器或级联光栅。
进一步地，所述光谐振器包括法布里－佩罗干涉器、迈克尔逊干涉仪、微环谐振器、回音壁谐振器或光栅结构。
进一步地，所述光谐振器的透射谱为具有等频率间隔的一系列梳状窄透射峰，频率间隔为GHz 量级。
进一步地，所述波分复用器的通道间隔和分布反馈半导体激光器阵列的波长间隔保持一致，实现多个波长低插损合波并避免其他波长的光对注入锁定的影响。
进一步地，所述波分复用器、所述光谐振器反馈结构和所述光谐振器集成在同一芯片上，或者上述均能够和所述半导体光放大器阵列集成在同一芯片上。
进一步地，当所述光谐振器反馈结构为光环行器和分光器两者结合时，多个波长的激光从波分复用器输出后，先后经过光环行器与分光器，分光器的输出一路作为窄线宽多波长激光器的输出，另一路输入至光谐振器，然后进入光环形器反馈至波分复用器。
进一步地，当所述光谐振器反馈结构为单独光环行器时，光谐振器的输出的光谱为光谐振器透射谱和光谐振器下载谱；一路输出直接作为激光器的输出；另一路输出经过环形器后，反馈注入至波分复用器。
进一步地，当所述光谐振器反馈结构为单独可调反射镜时，自注入锁定窄线宽多波长激光器的总输出包括：光谐振器的输出作为激光器输出或将可调反射镜的输出作为激光器输出；
若光谐振器的输出作为激光器输出，则光谐振器的输出的光谱为光谐振器透射谱和光谐振器下载谱，一路输出直接作为激光器的输出；另一路输出经过可调反射镜后，反馈注入至波分复用器；
若可调反射镜的输出作为激光器输出，则可调反射镜将光谐振器的输出一部分输出，另一部分反馈注入至波分复用器。
进一步地，当输出光谱为光谐振器下载谱的激光作为激光器的输出时，输出光谱为光谐振器透射谱的激光反馈注入至波分复用器，此时反馈功率随光学波长减少而增大，随着光学频率的增大而减小；
当输出光谱为光谐振器透射谱的激光作为激光器的输出时，输出光谱为光谐振器透射谱的激光反馈注入至波分复用器，此时反馈功率随光学波长减少而减小，随着光学频率的增大而增大。
进一步地，当光谐振器反馈结构为分光器时，将经过光谐振器的激光一部分输出，另一部分反馈注入至波分复用器。
本发明的有益效果为：
本发明使用分布反馈半导体激光器阵列，每个分布反馈半导体激光器的功率是可调的。本发明仅通过光路耦合就能够实现，成本更低，使用和制造更为便捷；本发明使用自注入锁定能够得到更窄的线宽；通过光谐振器的反馈注入可以将分布反馈半导体激光器的线宽压缩3个数量级以上。
本发明通过波分复用器和自注入锁定技术同时锁定多个分布反馈半导体激光器，同时实现多个波长的窄线宽效果。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的波分复用器梳状谱、光谐振器透射谱和布反馈半导体激光器阵列谱对比图；
图3是本发明实施例二的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图；
图4是本发明实施例三的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图；
图5是本发明实施例四的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图；
图6是本发明实施例五的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，包括分布反馈半导体激光器阵列、波分复用器、光谐振器和光谐振器反馈结构；所述波分复用器包括阵列波导光栅波分复用器、刻蚀衍射光栅、马赫泽恩德干涉仪、级联光栅方向耦合器或级联光栅，本发明实施例使用阵列波导光栅波分复用器；所述光谐振器反馈结构包括光环行器、分光器、可调反射镜或两者之间结合。
实施例一：图1是本发明实施例一的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图。参考图1，窄线宽多波长激光器，包括分布反馈半导体激光器阵列4、阵列波导光栅波分复用器、光环形器2、分光器1、光谐振器5；
所述分布反馈半导体激光器阵列4的输出端与阵列波导光栅波分复用器3的各个输入端相连，所述阵列波导光栅波分复用器3的光输出端与第二光环行器端口202相连，第二光环行器端口与分光器1的输入口相连，分光器1的一个输出端与光谐振器输入端501相连，另一个输出端作为窄线宽多波长激光器的输出端，第一光谐振器输出端502与第一光环行器端口201端口相连。
图2是本发明实施例一中的阵列波导光栅波分复用器梳状谱、光谐振器透射谱和分布反馈半导体激光器DFB（Distributed Feedback Laser）阵列谱对比图，用于说明本发明基本原理。其中实线是光谐振器的透射谱，其中心波长与DFB阵列谱发生一定偏移，光谐振器的透射谱波长间隔与激光器间隔保持一致，且激光器的波长恰好处在透射谱的最大斜边上。激光经过光谐振器后滤掉了高频部分，然后通过光环行器2，回到阵列波导光栅波分复用器3，在经过波分复用功能，各个波长分别反馈注入至分布反馈半导体激光器，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定，反馈光的注入使得激光谐振腔的等效品质因子提高，从而实现同时对多个波长的激光线宽压缩。
所述分布反馈半导体激光器阵列4，由多个发射不同波长的分布反馈半导体激光器构成，通过加载电流可以输出特定的波长和功率，如图2所示的DFB阵列谱，波长分别为λ1λ2λ3…；分布反馈半导体激光器阵列4的各个端口分别进入阵列波导光栅波分复用器3的各个输入端口。
所述阵列波导光栅波分复用器3是一种带通滤波器，它可以将不同波长的光分到不同端口当中，如图2所示，虚线是阵列波导光栅波分复用器3的各个通道的透射谱，如果波长λ1从Ch1通道输入，λ2从Ch2通道输入，λ3从Ch3通道输入，依次类推，最终，λ1λ2λ3…的光会都从输出口输出。由于分布反馈半导体激光器阵列4的波长与阵列波导光栅波分复用器3的各个输入端口波长相对应，最终阵列波导光栅波分复用器3的输出端口包含所有波长λ1λ2λ3…的激光；
线宽是激光器最基本性能之一，线宽越窄相干性越好，探测的信号质量越高。通常分布反馈半导体激光器阵列4的线宽在MHz量级，满足不了系统要求。本发明可以用自注入锁定的方法实现窄线宽，通常可以达到kHz量级。
自注入锁定基本原理是利用光学负反馈方法：光频率偏差可以通过光谐振器转换为强度偏差，光谐振器的反馈功率随光学波长减少而增加，随着光学频率的增大而减小。如图2所示，实线是光谐振器的透射谱随着光波长的变化曲线。当激光器的光波长在斜率最大的斜边上时，当波长减小时，经过光谐振器后的反馈功率的增加，从而减小分布反馈激光器中的载流子密度并增加折射率，最终增大光波长。反之，当波长增大时，经过光谐振器后的反馈功率的减小，从而增大分布反馈激光器中的载流子密度并减小折射率，最终减小光波长，如此反复便可以将激光器波长锁在很窄的范围内，即实现窄线宽。相比之下，如果激光器的光波长不在斜率最大的斜边上时，反馈功率随波长变化较小，虽然线宽仍然可以降低，但是降低的水平有限。
在实施例一中，多个波长的激光从阵列波导光栅波分复用器3输出后，先经过光环行器2，后经过分光器1，一路作为窄线宽多波长激光器的输出，另一路输入至光谐振器5，然后进入光环形器2。
所述光环形器2是一种多端口的具有非互易特性的光器件，其特点是，当光从第二光环行器端口202输入时，会从第三光环行器端口203输出，当光从光第一光环行器端口201输入时，会从第二光环行器端口202输出。由此可将经过光谐振器5的反馈光通过环形器2重新进入阵列波导光栅波分复用器3和分布反馈半导体激光器阵列4。
实施例二：图3是本发明实施例二的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图。其基本原理和结构和实施例一相似。阵列波导光栅波分复用器3的输出口与第二光环行器端口202端口相连，第二光环行器端口202端口与光谐振器输入端501相连，第二光谐振器输出端503端口作为整个激光器输出，第一光谐振器输出端502端口与第一光环行器端口201相连。
在本实施例二中，第一光谐振器输出端502端口输出的光谱如图2中光谐振器透射谱（实粗线）所示，第二光谐振器输出端503端口输出的光谱如图2中光谐振器下载谱（实细线）所示。光谐振器下载谱直接作为激光器的输出。光谐振器透射谱中心波长与DFB阵列谱发生一定偏移，且激光器的波长恰好处在透射谱的最大斜边上。激光经过光谐振器5后滤掉了高频部分作为反馈光，经过环形器2后，反馈注入至分布反馈半导体激光器阵列4，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
进一步的，第二光谐振器输出端503端口可以与第一光谐振器输出端502端口互换，此时光谐振器的反馈功率随光学波长减少而减小，随着光学频率的增大而增大，也能实现反馈光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
实施例三：图4是本发明实施例三的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图。其基本原理和结构和实施例一相似。阵列波导光栅波分复用器3的输出口与光谐振器输入端501相连，第一光谐振器输出端502端口与可调反射镜输入端601端口相连，第二光谐振器输出端503端口作为整个激光器输出。所述可调反射镜6可以将可调反射镜输入端601端口的一部分光原路返回，剩下的光从可调反射镜输出端602端口输出，通过控制可调反射镜可以控制反馈光的光功率强度。在本实施例三中，第一光谐振器输出端502端口输出的光谱如图2中光谐振器透射谱（实粗线）所示，第二光谐振器输出端503端口输出的光谱如图2中光谐振器下载谱（实细线）所示。光谐振器下载谱直接作为激光器的输出。光谐振器透射谱中心波长与DFB阵列谱发生一定偏移，且激光器的波长恰好处在透射谱的最大斜边上。激光经过光谐振器5后滤掉了高频部分作为反馈光，经过可调反射镜6的可调反射镜输入端601端口后原路返回，反馈注入至分布反馈半导体激光器阵列4，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。进一步的，第二光谐振器输出端503端口与第一光谐振器输出端502端口可以互换。
实施例四：图5是本发明实施例四的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图。其基本原理和结构和实施例一相似。阵列波导光栅波分复用器3的输出口与光谐振器输入端501相连，第一光谐振器输出端502端口与可调反射镜输入端601端口相连，可调反射镜输出端602端口选取部分光作为整个激光器输出，其余光通过可调反射镜输入端601端口进行反馈。在本实施例四中，第一光谐振器输出端502端口输出的光谱如图2中光谐振器透射谱（实粗线）所示。光谐振器透射谱中心波长与DFB阵列谱发生一定偏移，且激光器的波长恰好处在透射谱的最大斜边上。激光经过光谐振器5后滤掉了高频部分作为反馈光，经过可调反射镜6的可调反射镜输入端601端口后原路返回，反馈注入至分布反馈半导体激光器阵列4，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
图6是本发明实施例五的一种基于光谐振器的注入锁定窄线宽多波长激光器的结构示意图。其基本原理和结构和实施例一相似。阵列波导光栅波分复用器3的输出口与分光器1的一个输入口相连，分光器1的另一个输入口与第一光谐振器输出端502端口相连。分光器1的一个输出口与光谐振器输入端501端口相连，分光器1的另一个输出口作为整个激光器输出。在本实施例五中，第一光谐振器输出端502端口输出的光谱如图2中光谐振器透射谱（实粗线）所示。光谐振器透射谱中心波长与DFB阵列谱发生一定偏移，且激光器的波长恰好处在透射谱的最大斜边上。激光经过光谐振器5后滤掉了高频部分作为反馈光，经过分光器1，一部分光原路返回，反馈注入至分布反馈半导体激光器阵列4，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
可选的，所述阵列波导光栅波分复用器3、所述光环形器2、所述分光器1和所述光谐振器5集成在同一芯片上。进一步的，所述阵列波导光栅波分复用器3、所述光环形器2、所述分光器1、所述光谐振器5和半导体光放大器阵列4集成在同一芯片上。
可选的，所述光谐振器5包括法布里－佩罗干涉器、迈克尔逊干涉仪、微环谐振器、回音壁谐振器、光栅结构。
可选的，所述光谐振器5前后可以加入光衰减器对反馈光强度进行调节。
可选的，所述窄线宽多波长激光器输出端口可以集成半导体光放大器进行光放大。
可选的，所述阵列波导光栅波分复用器3，包括由氮化硅波导、二氧化硅波导或硅波导实现。
本发明利用多个分布反馈半导体激光器的自注入锁定技术，结合高品质因子光谐振器的窄透射谱对半导体激光器的相位噪声抑制作用，实现窄线宽输出，再利用阵列波导光栅波分复用器实现波长激光器输出。光谐振器的透射谱为具有等频率间隔的一系列梳状窄透射峰，频率间隔与设计有关，通常为GHz 量级。这些透射峰具有很高的消光比，透射峰之外的光透过率很小；同时宽光谱工作的光谐振器使得激光器可以在较长的波长范围内获得窄线宽激光。由于分布反馈半导体激光器能够发射特定波长的光，使各个波长锁定在光谐振器的透射峰的最大斜边上，实现频率的锁定；通过光谐振器的反馈注入可以将分布反馈半导体激光器的线宽压缩3个数量级以上。阵列波导光栅波分复用器是传统的能够实现多个端口的不同波长复用到同一个端口输出的器件，在本发明中，阵列波导光栅波分复用器的通道间隔和分布反馈半导体激光器阵列的波长间隔保持一致，这样能够有如下优点：能够实现多个波长低插损合波；复用器的滤波作用可以避免其他波长的光对注入锁定的影响；利用光谐振器的周期性梳状谱同时对多个波长的激光进行反馈，抑制了高频噪声，可以获得连续窄线宽输出。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，包括分布反馈半导体激光器阵列、波分复用器、光谐振器和光谐振器反馈结构；
所述分布反馈半导体激光器阵列的输出端口分别与波分复用器的各个波分复用输入端口相连，用于输出包含所有波长的激光；
所述光谐振器的透射谱波长间隔和分布反馈半导体激光器阵列波长间隔保持一致，将波分复用器输出激光的各个波长锁定在光谐振器的透射谱的最大斜边，用于过滤高频部分和压缩线宽；
所述光谐振器反馈结构包括光环行器或分光器或可调反射镜或光环行器与分光器两者之间结合，用于反射光谐振器的透射谱到波分复用器，经过波分复用后，各个波长分别反馈注入至分布反馈半导体激光器，实现光谐振器中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，所述波分复用器包括阵列波导光栅波分复用器、刻蚀衍射光栅、马赫泽恩德干涉仪、级联光栅方向耦合器或级联光栅。
3.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，所述光谐振器包括法布里－佩罗干涉器、迈克尔逊干涉仪、微环谐振器、回音壁谐振器或光栅结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，所述光谐振器的透射谱为具有等频率间隔的一系列梳状窄透射峰，频率间隔为GHz量级。
5.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，所述波分复用器的通道间隔和分布反馈半导体激光器阵列的波长间隔保持一致，实现多个波长低插损合波并避免其他波长的光对注入锁定的影响。
6.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，所述波分复用器、所述光谐振器反馈结构和所述光谐振器集成在同一芯片上，或者所述波分复用器、所述光谐振器反馈结构、所述光谐振器和分布反馈半导体激光器阵列集成在同一芯片上。
7.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，当所述光谐振器反馈结构为光环行器和分光器两者结合时，多个波长的激光从波分复用器输出后，先后经过光环行器与分光器，分光器的输出一路作为窄线宽多波长激光器的输出，另一路输入至光谐振器，然后进入光环形器反馈至波分复用器。
8.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，当所述光谐振器反馈结构为单独光环行器时，光谐振器的输出的光谱为光谐振器透射谱和光谐振器下载谱；一路输出直接作为激光器的输出；另一路输出经过环形器后，反馈注入至波分复用器。
9.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，当所述光谐振器反馈结构为单独可调反射镜时，自注入锁定窄线宽多波长激光器的总输出包括：光谐振器的输出作为激光器输出或将可调反射镜的输出作为激光器输出；
若光谐振器的输出作为激光器输出，则光谐振器的输出的光谱为光谐振器透射谱和光谐振器下载谱，一路输出直接作为激光器的输出；另一路输出经过可调反射镜后，反馈注入至波分复用器；
若可调反射镜的输出作为激光器输出，则可调反射镜将光谐振器的输出一部分输出，另一部分反馈注入至波分复用器。
10.根据权利要求8或9任一项所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，当输出光谱为光谐振器下载谱的激光作为激光器的输出时，输出光谱为光谐振器透射谱的激光反馈注入至波分复用器，此时反馈功率随光学波长减少而增大，随着光学频率的增大而减小；
当输出光谱为光谐振器透射谱的激光作为激光器的输出时，输出光谱为光谐振器透射谱的激光反馈注入至波分复用器，此时反馈功率随光学波长减少而减小，随着光学频率的增大而增大。
11.根据权利要求1所述的一种基于光谐振器的自注入锁定窄线宽多波长激光器，其特征在于，当光谐振器反馈结构为分光器时，将经过光谐振器的激光一部分输出，另一部分反馈注入至波分复用器。
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