CN117748272A - 一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，属于通信技术领域。本发明采用基于微促动装置的腔长主动补偿技术，实现了自由空间光外腔模式与闪耀光栅波长‑反射镜波长选择变动的同步、锁定跟随，并以此为基础获得无模式跳变的宽范围自由空间光外腔连续可调谐激光输出，解决了传统混合集成式外腔可调谐激光器转轴点失配导致的模式跳变、模式稳定性差的问题，实现了无模式跳变的宽范围、窄线宽自由空间光外腔的线性连续可调谐激光输出，同时也进一步扩大宽范围自由空间光外腔可调谐激光器的应用范围，为宽范围自由空间光外腔可调谐激光器增加应用场景，促进宽范围自由空间光外腔可调谐激光器产业的快速发展。

Description

一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器。

背景技术

宽范围自由空间光外腔可调谐激光器(又称自由空间光外腔可调谐激光器，简称FS-ECL)由于具有单纵模、窄线宽、输出波长连续可调、相位噪声低等突出的优点，已广泛应用于基于高阶光调制格式的高速相干光通信网络、互相关频域解耦的光纤三维形状传感、线性扫频的痕量气体探测和自动驾驶等领域。理论上，Littman结构FS-ECL输出波长连续可调，即无跳模的实现，依赖于实际转轴点与完美转轴点的匹配，但因机械加工精度、装配误差、温度、形变等多种因素的影响，实际转轴点与完美转轴点很难实现匹配，因此传统的FS-ECL的光谱输出过程中，对宽范围、窄线宽线性连续可调谐激光无跳模输出的实现难以保证。

传统的可实现可调谐激光输出的激光器包括单片集成式可调谐激光器和混合集成式可调谐激光器。单片集成式可调谐激光器通常采用半导体工艺将有源区和光栅有机的集成在一个单片上，如分布反馈式(DFB)激光器阵列、分布布拉格反射(DBR)激光器和取样光栅(SG)DBR激光器等，但由于可调谐范围窄、制作难度较大以及输出光谱线宽大多为MHz量级，故严重限制了其在高速相干光通信领域的应用。为了提高波长可调谐输出范围和压缩光谱输出线宽，通常采用基于Littman或Littrow结构的混合集成式自由空间光外腔反馈的方式来获得宽范围、窄线宽的可调谐激光输出。

目前常规的混合集成式自由空间光外腔反馈方式构建的系统结构相对复杂，为了补偿完美转轴点与实际转轴点的失配，通常采用局部类似放大自发辐射功率谱的特定斜率算法的方法获得模式跳变趋势监控，通过在线调整外腔腔长、激光器注入电流或同步控制的方法，增大无跳模范围，但因实际转轴点与完美转轴点偏离过大，电流、腔长调节范围有限，实际实现的基于主动补偿的无跳模范围仅有几个nm，无实现全范围无跳模激光输出的有效手段。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，包括激光增益芯片、准直透镜、光选频元件、反射镜、微促动器、转臂、转轴点和致动器；

准直透镜，被配置为用于激光增益芯片出射的带发散角度激光的准直；

光选频元件，被配置为用于光波模式的选择；

反射镜，被配置为用于反射光选频元件的衍射光，通过反射垂直于反射镜入射的衍射光，与光选频元件、激光增益芯片的后端面形成外谐振腔，实现特定波长的单纵模激光输出；

微致动器，被配置为用于推动反射镜前后移动，能够改变外谐振腔的长度，改变外腔纵模的波长；

转臂，被配置为用于搭载反射镜、微促动器，通过转臂角度的改变实现反射镜角度的改变，实现不同波长的激光输出；

转轴点，被配置为用于作为转臂的转动中心，作为光选频元件、反射镜、激光增益芯片的后端面的延长线的交点；

致动器，被配置为用于推动转臂以转轴点为中心旋转，实现不同波长的激光输出。

优选地，激光增益芯片，包括后端面与前端面，前端面镀增透膜，后端面镀部分透射膜；激光增益芯片经电流注入后产生的激光通过前端面出射至外腔，前端面通过后端面进行光纤耦合输出激光；

优选地，光选频元件为刻划型闪耀光栅，激光增益芯片出射的激光经准直透镜准直后入射至刻划型闪耀光栅，在特定级次以不同的衍射角度出射。

优选地，微促动器包括压电陶瓷促动器

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出的宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，基于InP基单角面度半导体增益芯片具有辐射光谱范围宽的特点，以Littman外腔半导体激光器结构为基础，通过对波长扫描的输出功率预监测或实时监测，采用腔长的主动补偿技术，实现自由空间光外腔模式与闪耀光栅波长-反射镜波长选择变动的同步、锁定跟随，并以此为基础获得无模式跳变的宽范围自由空间光外腔连续可调谐激光输出，解决了传统混合集成式外腔可调谐激光器转轴点失配导致的模式跳变、模式稳定性差的问题，实现了模式跳的宽范围、窄线宽自由空间光外腔的线性连续可调谐激光输出，为智能化高速相干网络可重构传输、光纤三维形状频域传感、高精度气体光谱测量和自动驾驶等领域提供先进的测试仪器，同时也进一步扩大宽范围自由空间光外腔可调谐激光器的应用范围，为宽范围自由空间光外腔可调谐激光器增加应用场景，促进宽范围自由空间光外腔可调谐激光器产业的快速发展。

本发明所提出的腔长主动补偿的方法可实现全范围无跳模波长扫描；补偿参数可通过预校准内置，无需复杂算法与参数监控对腔内模式跳变进行监测，降低了系统复杂程度；降低了对外腔机械加工精度、装配精度、材料以及工艺水平等的要求，环境适应性高。

附图说明

图1为自由空间光外腔可调谐激光器的结构示意图；

图2为自由空间光外腔可调谐激光器的完美转轴点示意图；

图3为自由空间光外腔可调谐激光器的微促动器主动跳补偿模示意图；

其中，1-激光增益芯片；1-1-后端面；1-2-前端面；2-准直透镜；3-光选频元件；4-反射镜；5-微促动器；6-转臂；7-转轴点；8-致动器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明提出的一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，基于InP基单角面度半导体增益芯片具有辐射光谱范围宽的特点，以Littman外腔半导体激光器结构为基础，采用腔长主动补偿技术，实现自由空间光外腔模式与闪耀光栅波长-反射镜波长选择变动的同步、锁定跟随，并以此为基础获得无模式跳变的宽范围自由空间光外腔连续可调谐激光输出，典型装置结构如图1所示，包括激光增益芯片1、准直透镜2、光选频元件3、反射镜4、微促动器5、转臂6、转轴点7和致动器8，具体组成如下：

激光增益芯片1，注入电流可产生宽带ASE(放大的自发辐射)，后端面1-1与前端面1-2构成激光增益芯片1的内腔，为避免内腔形成F-P(法布里-珀罗)腔，前端面1-2镀增透膜，后端面1-1镀部分透射膜。激光增益芯片1经电流注入后产生的激光通过前端面1-2出射至外腔，用于自由空间光外腔强反馈种子源的生成，激光增益芯片1与外腔产生的激光通过后端面1-1进行光纤耦合输出激光。

准直透镜2，用于激光增益芯片1出射的带发散角度激光的准直。

光选频元件3，用于光波模式的选择，典型为刻划型闪耀光栅，激光增益芯片1出射的激光经准直透镜2准直后入射至闪耀光栅后特定级次将以不同的衍射角度出射。

反射镜4，用于反射光选频元件3的衍射光，通过反射垂直于反射镜入射的衍射光，可与光选频元件3、激光增益芯片1后端面1-1形成外谐振腔，可实现特定波长的单纵模激光输出。

微促动器5，用于推动反射镜4前后移动，可改变外谐振腔的长度，改变外腔纵模的波长，是本发明实现无跳模激光输出的关键单元，典型为压电陶瓷促动器。

压电陶瓷促动器的位移长度需满足补偿一个跳模所需的位移长度；通过压电陶瓷硬件驱动器可以改变压电陶瓷促动器的长度；在获取波长-压电陶瓷驱动信号校准数据的基础上，压电陶瓷促动器的输入信号根据所设波长进行调节。

转臂6，用于搭载反射镜4、微促动器5，可通过转臂角度的改变实现反射镜4角度的改变，实现不同波长的激光输出。

转轴点7，是转臂6的转动中心，Littman结构外腔可调谐激光器中，转轴点7为光选频元件3、反射镜4、激光增益芯片1后端面延长线的交点，当转臂6以转轴点7为转动旋转时，反射镜4垂直反射激光波长与外腔纵模对应的波长相同，腔体可实现无模式跳变的连续可调谐激光输出。实际转轴点因机械加工精度、装配误差、温度、形变、色散等多种因素的影响，与完美转轴点有不同程度偏离，因此造成跳模。

致动器8，用于推动转臂6以转轴点7为中心旋转，实现不同波长的激光输出。

实例一：以C+L波段Littman结构外腔可调谐激光器为例，如图1所示。

所采用激光增益芯片1的中心波长为1550±20nm，ASE 3dB带宽>60nm，后端面1-1的反射率为10％，前端面1-2的反射率小于0.01％，后端面1-1通过准直透镜2、隔离器、尾纤等耦合输出，通过TEC、热敏电阻反馈并控制工作温度为25℃。

准直透镜2选用模压准直透镜，典型焦距4.51mm、数值孔径0.55。

所采用闪耀光栅刻线密度为900线/mm，入射光角度为80°，采用+1级衍射光入射至反射镜4形成外腔反馈，衍射效率在70％以上。

反射镜4为镀金反射镜，反射率在99％以上。

激光增益芯片1的后端面1-1与反射镜4表面构成的谐振腔，称为外腔。激光增益芯片1经准直透镜2准直后输出的平行光束直接入射到光选频元件3的表面，在光选频元件3的表面发生衍射，经色散分光后+1衍射光入射至镀金反射镜4，经过反射镜4的反射后原路返回到光选频元件3，此时只有特定波长的光可以反馈至激光增益芯片1，再次回到激光增益芯片1的反馈光一部分经激光增益芯片1的后端面1-1透射，另一部分反射并经过激光增益芯片1放大后再次经准直透镜2、光选频元件3、反射镜4反射后返回增益芯片，如此反复形成谐振，形成单纵模激光输出。通过促动器8推动转臂6以转轴点7为中心转动，可改变反射镜4的反射角度与外腔长度，即实现可调谐激光光束输出。

根据光栅衍射方程，经衍射光栅-反射镜-衍射光栅返回至增益芯片的+1级衍射光的波长λ_r为：

其中，为入射角，θ为衍射角，d为衍射光栅的光栅常数。

根据无跳模调谐原理，内腔后端面延长线与闪耀光栅的表面延长线的交点需要和转轴点重合，如图2所示，此时谐振腔总长度L_T为：

其中，L为衍射点到转轴点的距离；

根据谐振条件，外腔谐振波长λ_q为：

λ_q＝2L_T/q (3)；

其中，q为满足谐振条件的纵模序数。

根据公式(1)、(2)、(3)，无跳模调谐需满足条件d＝2L/q，此时，无论衍射角θ如何变化，光栅衍射反馈光始终与纵模序数为q的谐振光同步变化，可以实现无跳模激光光束输出。满足该条件的转轴点为完美转轴点。

因机械加工精度、装配误差、温度、形变、色散等多种因素的影响，实际转轴点与完美转轴点很难实现匹配。当总腔长L_T与光栅反馈光波长λ_r的比值减去q的绝对值≥0.5时，纵模序数为q的谐振光无法在谐振腔内的模式竞争中保持优势，从而导致跳模输出纵模序数为q+1或q-1的激光，甚至纵模序数为q±N(N为正整数)的激光。如图1所示，当实际转轴点沿增益芯片后端面1-1延长线方向向上偏离的度为α时，腔长L'_T为：

可以看出，当α、不变，θ连续变化时，存在不同的纵模序数q±N，满足L'_T/λ_r-q±N绝对值小于0.5。当纵模序数不变时，波长连续变化，纵模序数变化时，波长发生跳变。在腔体存在跳模时，λ_q+N与λ_q+N+1之间的波长是无法产生的。

图3为自由空间光外腔可调谐激光器的微促动器主动跳补偿模示意图，通过主动补偿微促动器推动反射镜移动L_p，此时腔长L”_T为：

通过主动补偿装置实时调节L_p，可满足λ_q＝λ_r＝2L”_T/q。

本发明微促动器的最小位移长度为补偿一个跳模间隔所需的腔长改变长度。本发明的主动补偿存在两种情况，即微促动器的最大位移长度是否达到腔长改变所要求的位移长度。

满足该条件时，全波段波长调节范围内可通过连续调节L_p使L”_T＝L_T，可保证全范围波长扫描无跳模产生。

不满足该条件时，可周期性调节L_p，λ_q＝λ_r＝2L”_T/(q±N)，虽有纵模序数的改变，但可以始终保持λ_q＝λ_r，。

本发明可实现外腔可调谐激光器波长覆盖范围内任意波长的输出，解决传统外腔可调谐激光器因跳模导致的跳模区间波长无法产生的问题；也可实现全范围波长扫描无跳模产生，解决因各种因素导致的转轴点失配而引起的跳模问题。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，其特征在于：包括激光增益芯片、准直透镜、光选频元件、反射镜、微促动器、转臂、转轴点和致动器；

准直透镜，被配置为用于激光增益芯片出射的带发散角度激光的准直；

光选频元件，被配置为用于光波模式的选择；

反射镜，被配置为用于反射光选频元件的衍射光，通过反射垂直于反射镜入射的衍射光，与光选频元件、激光增益芯片的后端面形成外谐振腔，实现特定波长的单纵模激光输出；

微促动器，被配置为用于推动反射镜前后移动，能够改变外谐振腔的长度，改变外腔纵模的波长；

转臂，被配置为用于搭载反射镜、微促动器，通过转臂角度的改变实现反射镜角度的改变，实现不同波长的激光输出；

转轴点，被配置为用于作为转臂的转动中心，作为光选频元件、反射镜、激光增益芯片的后端面的延长线的交点；

致动器，被配置为用于推动转臂以转轴点为中心旋转，实现不同波长的激光输出。

2.根据权利要求1所述的宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，其特征在于：激光增益芯片，包括后端面与前端面，前端面镀增透膜，后端面镀部分透射膜；激光增益芯片经电流注入后产生的激光通过前端面出射至外腔，前端面通过后端面进行光纤耦合输出激光。

3.根据权利要求1所述的宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，其特征在于：光选频元件为刻划型闪耀光栅，激光增益芯片出射的激光经准直透镜准直后入射至刻划型闪耀光栅，在特定级次以不同的衍射角度出射。

4.根据权利要求1所述的宽范围自由空间光外腔可调谐激光器，其特征在于：微促动器包括压电陶瓷促动器。