CN1186898C - 半导体激光器宽范围外腔可调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光器宽范围外腔可调谐方法，在半导体激光器或放大器芯片两端通过耦合装置与两个可调谐滤波器高效耦合，构成一个具有选频功能的外谐振腔，通过对两个滤波器进行调谐可以选择其谐振波长，得到所需要波长的激光输出，而其它波长不会激射，使激光器有较宽的调谐范围，调谐范围主要由滤波器具体结构及芯片的增益谱宽决定。半导体激光器或放大器芯片两端面镀增透膜以便抑制腔内反馈。两个可调谐滤波器的峰值间距不同。可调谐滤波器反射谱与半导体激光器或放大器芯片增益谱范围相近。可以通过调整半导体致冷器的温度对激光器进行相位调节。

Description

半导体激光器宽范围外腔可调谐方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器宽范围外腔可调谐方法，属于光通信

技术领域。

背景技术

随着电信业务的飞速发展和网络的逐步普及，人们对带宽的需求越来越大，光纤中传输的信息量与日俱增，这对密集波分复用(DWDM)系统相关器件如激光器、探测器等的性能提出了更高的要求。可调谐激光器的出现大大降低了系统的成本，满足了光网络发展的智能化需要。现在的可调激光器结构主要采用基于体光栅的外腔调谐和集成化的分布布拉格反射(DBR)、取样光栅DBR(SG-DBR)、光栅同向耦合与抽样反射(GCSR)等内腔调谐结构，但这些技术无一例外都存在一定的缺陷影响了器件的实用化。基于体光栅的外腔调谐的难点在于器件的体积庞大、机械上的定位与调整难度太大；集成化的技术方案尽管具有器件体积小、成本低、易于与其它器件集成等优点，但普遍存在制作的难度较大、器件指标偏低等缺点。近来出现的基于MEMS的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)技术也存在制作难度大、器件寿命难以保障等缺陷。尽管也还有激光器芯片+单个可调谐滤波器构成的可调激光器技术见诸报道，但设备的波长调谐范围普遍较窄。

发明内容

本发明的目的是采用两端镀增透膜的激光器芯片与两个可调谐滤波器双端耦合，替代现有的基于体光栅的外腔调谐和集成化的内腔调谐方法，构成宽范围外腔可调谐激光器，从而优化器件性能，降低制造难度。

本发明的技术方案是：是放置在半导体致冷器上的半导体激光器或放大器芯片两端通过耦合装置与两个可调谐滤波器高效耦合，构成一个具有选频功能的外谐振腔，通过对两个滤波器进行调谐可以选择其谐振波长，得到所需要波长的激光输出，而其它波长不会激射，使激光器有较宽的调谐范围，调谐范围主要由滤波器具体结构及芯片的增益谱宽决定。

半导体激光器或放大器芯片两端面镀增透膜以便抑制腔内反馈。

所述的可调谐滤波器的反射光谱为离散的梳状光谱，两个可调谐滤波器的峰值间距不同。

所述的可调谐滤波器反射谱与半导体激光器或放大器芯片增益谱范围相近。

所述的宽范围外腔可调谐方法，可以通过调整半导体致冷器的温度对激光器进行相位调节。

所述的宽范围外腔可调谐方法，其滤波器可以是取样光栅型可调滤波器滤。

所述的滤波器可以是FP腔型可调滤波器。

所述的耦合装置可以由准直器和球透镜构成或由多个球透镜构成。

所述的耦合装置也可以由非球透镜构成。

所述的耦合装置还可以由顶部烧制或磨制小球的透镜光纤构成。

本发明由于采用的是双端可调谐的方式，使得可调谐激光器有比较宽的调谐范围和较窄的谱线宽度。这种可宽范围调谐的方法既克服了基于体光栅的外腔调谐器件体积庞大、机械上的定位与调整难度大的缺点，也克服了集成化的可调激光器指标偏低、制作难度大等缺点。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。图2是FP腔型可调滤波器。图3是取样光栅类型的可调滤波器。图4是采用两个取样光栅型的可调滤波器构成的激光器。图5是取样光栅的反射光谱结构。图6是两个光栅的波长调谐原理示意图。

具体实施方式

图1是本发明的结构原理示意图。122是放置在致冷器123上的半导体激光器(或放大器)管芯，作用是为了产生比较稳定的光增益，管芯的两个端面103和104镀增透膜；120和125是两个波长可调谐的梳状滤波器，但两个滤波器的结构不同。121和124是两个耦合装置，其结构可以相同也可以不同，目的是为了使120与122及122与125之间有较好的耦合，降低耦合损耗并产生稳定的激光输出。

120、121、124、125及122的有源区应在一条轴线上，从122产生的宽范围波长的光通过104面输出，经过112面进入124，经过光束变换处理后变为易于与125耦合的光束，通过113进入105面，在125里面进行选频产生特定梳状光谱并通过105、113部分反馈回耦合装置124，进行光束变换后通过112、104进入122，在其内部进行放大。放大的光束经过103、111面进入耦合装置121，进行光束变换后通过110、102进入120，入射光束在120内部产生特定梳状光谱并通过102、110反馈回121，光束进行变换后再通过111、103进入122进行放大。这样光束在120、125之间形成了一个具有波长选择功能的谐振腔，只有在120、125处都能够得到反馈的波长才能够得到持续不断的放大并最终产生激光输出。通过对120、125按一定规律进行调谐，改变他们的反馈梳状光谱，就可以得到所需要波长的激光输出，构成一个宽范围的外腔可调谐激光器。如果激光从106处输出，则125应部分反馈部分透射，而120在101面高反馈，这使激光器有更高的功率利用率；反之，如果激光从101处出射，则120应部分反馈部分透射，而125在106面高反馈。

122的两个端面103、104镀增透膜是为了高效耦合并与其它端面产生谐振，这会大大减小激光器的噪声，并防止有害的波长激射，提高功率稳定性。

本发明中可使用的两个不同类型的可调滤波器。图2是FP腔型可调滤波器。宽波长范围的光束201a经过211端面入射到滤波器，在两个端面211、212构成的谐振腔中振荡形成一系列波长离散的梳状的光谱。根据应用的要求不同，产生的光束202a部分透射经过212形成出射光203，反馈光202b经过211形成反射光201b。该滤波器可以通过改变两个端面211、212之间的有效腔长来调谐反射光谱。图3是取样光栅类型的可调滤波器。宽波长范围的光束222a经过233端面入射到取样光栅，在光栅内部经过模式耦合后形成一系列波长离散的梳状的光谱，产生的光束223a部分透射经过234形成出射光224，反馈光223b经过233形成反射光222b。该滤波器可以通过对光栅施加应力或调整其温度来改变它的反射光谱，从而起到波长调谐的目的。

两种类型的滤波器中，都可以通过优化设计使滤波器谱线有窄的线宽，都可以通过外部条件的改变来产生比较稳定的可调谐的梳状反射光谱，这是得到高稳定、窄线宽、宽范围调谐的激光输出的必要条件。

图4是采用两个取样光栅型的可调滤波器301和306构成激光器具有选频功能的谐振腔，高增透的芯片303通过耦合系统302、305与301、306进行有效耦合，激光从某一端面311或312输出，通过对301和306进行调谐可得到所需波长输出。

图5是取样光栅的反射光谱结构。它的光谱是一系列峰值间隔相等的离散的梳状谱，峰值间距Δλ可以根据设计来选定。并且我们可以通过施加应力或改变温度使反射光谱红移或蓝移。

图6是两个光栅的波长调谐原理示意图。在光栅设计上，我们取两个光栅的反射光谱相似且其范围与半导体激光器(或放大器)芯片增益谱相近，但其峰值间距Δλ1、Δλ2不同，并且将光栅301(或306)的各个峰值取为所需要的符合或接近ITU-T波长处。如果要得到如图5中的λn波长激光输出，则301(或306)不变，调谐306(或301)使其光谱红移或蓝移直至某一峰值波长为λn。这样，由于在激光器中波长为λn的光在两端的滤波器301、306处都能得到反射，从而使波长λn以301、306为谐振腔不断反馈放大并最终形成激光出射；而由于301、306峰值间距Δλ1、Δλ2不同，所以其它波长的光并不能在301、306处同时得到有效反射，不能形成谐振腔，不会有其它波长激光输出。如果λn与所需的ITU-T波长还有偏差，则将301、306同时调谐，使其移到所需波长。

同样，如果要得到如图6中的λn+1波长激光输出，则301(或306)不变，调谐306(或301)使其光谱红移或蓝移直至某一峰值波长为λn+1，而其它波长的光不会形成激射。按照上述的调谐方式，我们可得到芯片增益谱范围内任一波长的激光输出，得到宽范围的波长调谐

若忽略芯片谱宽影响，可以用下面的公式计算激光器调谐范围。假设Δλ1＞Δλ2，301和306各自的调谐范围为Δλ1，则激光器的调谐范围为

${\mathrm{\λ}}_T=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\×\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2}=\frac{{\mathrm{\Δ}}^2{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\Δ}}$

其中，Δ为301、306的峰值间距之差。若光栅各自的调谐谱宽为4nm，Δ为0.4nm，则激光器的调谐范围为40nm。可见激光器的调谐范围远大于单光栅的调谐谱宽，这也是双端耦合的可调激光器可宽范围调谐的原因。

Claims (6)

1.一种半导体激光器宽范围外腔可调谐方法，由激光器和可调谐滤波器实现，其特征是放置在半导体致冷器上的半导体激光器或放大器芯片两端通过耦合装置与两个可调谐滤波器高效耦合，构成一个具有选频功能的外谐振腔，通过对两个滤波器进行调谐可以选择其谐振波长，得到所需要波长的激光输出，而其它波长不会激射，使激光器有较宽的调谐范围，调谐范围主要由滤波器具体结构及芯片的增益谱宽决定。

2.根据权利要求1所述的宽范围外腔可调谐方法，其特征是半导体激光器或放大器芯片两端面镀增透膜。

3.根据权利要求1所述的宽范围外腔可调谐方法，其特征是可调谐滤波器的反射光谱为离散的梳状光谱，两个可调谐滤波器的峰值间距不同。

4.根据权利要求1所述的宽范围外腔可调谐方法，其特征是可以通过调整半导体致冷器的温度对激光器进行相位调节。

5.根据权利要求1所述的宽范围外腔可调谐方法，其特征是滤波器是取样光栅型可调滤波器滤。

6.根据权利要求1所述的宽范围外腔可调谐方法，其特征是滤波器是FP腔型可调滤波器。