CN1225824C - 复合外腔电流步进调谐半导体激光器及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及复合外腔电流步进调谐半导体激光器及其调谐方法。该激光器包括两段式结构半导体激光芯片构成本征腔；半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成激光器外腔，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具，该标准具的各反射面以一小角度偏离谐振腔光轴的垂直面。该方法设置法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的n倍等于步进调谐步长；半导体芯片本征腔纵模间隔的m倍与步进调谐步长有微小的差异；该微小的差异根据所需调谐的最大范围W₁确定。使调谐步长是外腔的纵模间隔的g倍。本发明使调谐步长选择范围大。还可根据需要改变调谐步长，使同一器件能在不同场合灵活运用。

Description

复合外腔电流步进调谐半导体激光器及其调谐方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，特别涉及可调谐外腔半导体激光器设计。

背景技术

外腔半导体激光器是在普通半导体激光芯片外部引入光反馈元件构成。随着光纤通信的高速发展，适合于波分复用(WDM)分立信道间隔的外腔步进调谐半导体激光器成为热点。

2003年3月的OFC会议上报道了利用维涅尔(Vernier)效应，控制半导体本征腔模式与不同取样光纤光栅反射峰重合得到的步进调谐结果。它将半导体激光器分成增益区和相位区两段结构，调节相位区电流选择取样光栅反射波长。它的优点在于利用电流调谐的方式达到步进调谐，激光腔各元件均固定不变，保证激光器工作具有很好的稳定性和重复性，并且相位区电流的变动不影响激光的增益性质。然而，取样光纤光栅的各信道反射系数相差较大，且其达到高反射率的光谱范围有限，因此，由取样光纤光栅形成反馈的外腔输出各信道的功率均衡性较差，且步进调谐的范围有限。

目前，外腔半导体激光器实现步进调谐的方法主要是利用Vernier效应，控制两个具有滤波性质的元件得到的。一个滤波元件(如取样光纤光栅)进行梳状滤波，所选择的信道都是需要步进调谐输出的信道，滤波峰间隔等于输出信道间隔；另一个滤波器(如半导体本征腔)滤波峰间隔与信道间隔稍有差异，改变后者的频率选择性质使两组模式的不同阶次模重合而被选择输出，达到步进调谐的结果。上述方法需使调谐信道间隔与所使用的滤波元件的参数要严格对应，比如要达到100GHz间隔的步进调谐，所使用的半导体芯片光学长度需要控制在1.5mm左右，而其它光学长度就不行。这样就使现有的许多滤波元件和半导体芯片不能快速的应用。在需要不同步长调谐的场合需要更换所有滤波元件才能应用。而且在设计步进调谐激光器时步长大小受到元件的限制，比如对长步长调谐需要很短的半导体芯片，而芯片长度太小会使激光器因为增益不够而不能振荡。

发明内容

本发明的目的是为解决已有步进调谐半导体激光器中存在的外腔输出各信道的功率均衡性较差，步进调谐的范围有限以及调谐不够灵活等问题，针对光纤通信领域对宽带步进调谐半导体激光光源的需要，提出一种复合外腔电流步进调谐半导体激光器及其调谐方法，可容易得到大范围且功率均衡的步进调谐输出；易于实现程控方式调谐；并具有较好的稳定性和重复性，调谐速度快的特点。该方法使调谐步长选择范围大。还可根据需要改变调谐步长，使同一器件能在不同场合灵活运用。

本发明提出的一种复合外腔电流步进调谐半导体激光器，包括两段式结构半导体激光芯片，其中一段为增益区，一段为相位调节区，构成本征腔；半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成激光器外腔，其特征在于，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具，该标准具的各反射面以一小角度偏离谐振腔光轴的垂直面，以消除标准具反射光对振荡光造成的影响。

该法布里-玻罗标准具可以是单片状的，也可以由两个楔形镜组成。

本发明进一步提出一种复合外腔半导体激光器的步进调谐的方法；其特征在于，由两段式结构半导体激光芯片构成本征腔，半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成外腔组成的半导体激光器，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具；设置法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的n倍等于步进调谐步长；半导体芯片本征腔纵模间隔的m倍与步进调谐步长有微小的差异；该微小的差异根据所需调谐的最大范围W₁确定： $W_1=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_1\·{\mathrm{\Δv}}_2\·m\·n}{|{\mathrm{\Δv}}_1\·n-{\mathrm{\Δv}}_2\·m|},$ 式中，Δv₁为法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的大小，Δv₂为半导体芯片本征腔纵模间隔的大小；设置该外腔半导体激光器的外腔光学长度，使调谐步长是外腔的纵模间隔的g倍，且g＝6，使每一个可能输出的信道都满足外腔有效反射率最大和复合腔的谐振条件；n与m的公因数只有1，n与g的公因数也只有1；调谐步骤包括：

调节该半导体芯片相位区电流，使其本征腔纵模向长波或短波方向移动，使半导体本征腔的阶次每隔m的不同纵模与标准具的阶次每隔n的不同透射模依次重合；

重合的模式具有较大的反馈并符合激光腔的相位谐振条件，相对其它模式有着明显的优势而形成单频振荡输出；因此随着相位区电流的改变，激光器输出光的频率被步进调谐，

调谐步长为标准具透射模式间隔的n倍。

本发明的激光器也可利用传统的Vernier效应调皆方法。由两段式结构半导体激光芯片构成本征腔，半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成外腔组成的半导体激光器，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具，该法布里-玻罗标准具为单片状或由两个楔形镜组成；设置标准具的透射模间隔为调谐步长；半导体芯片本征腔纵模间隔与标准具透射模式间隔有微小差异，差异的大小根据所需调谐的最大范围W₂确定： $W_2=\frac{{\mathrm{\Δv}}_1\·\mathrm{\Δ}{v}_2}{|{\mathrm{\Δv}}_1-{\mathrm{\Δv}}_2|},$ 其中Δv₁为标准具的自由光谱区的大小，Δv₂为本征腔的纵模间隔的大小；调谐步骤包括：

调节半导体芯片相位区的电流，使本征腔的不同阶次纵模与标准具的不同阶次透射模依次重合重合的模式具有较大的反馈并符合激光腔的相位谐振条件，相对其它模式有着明显的优势而形成单频振荡输出；因此随着相位区电流的改变，激光器输出光的频率被步进调谐。

在本发明复合外腔半导体激光器中，还可通过改变标准具中两楔形反射镜之间的有效间距，并相应调整外腔长度后，可以改变步进调谐的步长。

当半导体本征腔纵模间隔大小和法布里-玻罗标准具透射滤波模式间隔大小近似时，所采用的调谐方法为利用Vernier效应的调谐方法，调谐步长为法布里-玻罗标准具透射滤波模式间隔的大小；当半导体本征腔纵模间隔大小和法布里-玻罗标准具透射滤波模式间隔大小相差较大时，所采用的调谐方法为本发明提出的调谐方法，调谐步长为法布里-玻罗标准具透射滤波模式间隔大小的n倍，近似为半导体本征腔纵模间隔的m倍，m与n的公因数只有1。因此，在同一半导体芯片和各外腔元件的基础上，通过改变标准具中楔形反射镜的有效间隔及相应调整外腔长度，应用本发明提出的步进调谐方法，并结合利用Vernier效应的调谐方法，可灵活实现不同步长的步进调谐。

本发明的优点在于：

(1)步进调谐输出，适合于光通信系统和其它需要分立信道光源的系统。

(2)利用电调谐方式，通过调节芯片相位区电流达到步进调谐目的。激光器内所有光学元件已经调整好后就固定不动，因此比机械调节具有好得多的稳定性和重复性，并易于实现程控方式调谐，调谐速度快。

(3)法布里-玻罗标准具透射光为一列梳状光谱。理想标准具的透射模谱的各峰值透射率相等且频谱范围无限延伸，实际其透射模谱性质受限于有效反射面的反射率相对光谱的关系，而在反射面上镀制平坦的宽带反射膜比较容易。因此，相比取样光纤光栅反馈，外腔中插入法布里-玻罗标准具容易得到大范围且功率均衡的步进调谐输出。

(4)利用法布里-玻罗标准具设定调谐步长和各信道频率。可以根据信道的需要，通过调整标准具两反射面之间的距离或反射面与谐振腔光轴的夹角而使调谐步长和各信道频率复合要求。

(5)利用本发明中外腔插入两楔形镜组成的法布里-玻罗标准具的结构，可在不改变所用半导体本征芯片及外腔元件的条件下实现的不同步长的步进调谐输出，使同一器件能在不同场合灵活运用。

(6)本发明提出的调谐方法可选择多种滤波元件达到相同步长的步进调谐。步长大小选择范围比传统方法大。

(7)步进调谐只通过在单个外腔中插入一个标准具实现，结构紧凑简单。

附图说明

图1为本发明的复合外腔电流步进调谐半导体激光器的实施例1结构示意图。

图2为本发明的复合外腔电流步进调谐半导体激光器的实施例2结构示意图。

图3是本发明提出的步进调谐方法的光谱分布示意图。

图4是利用Vernier效应步进调谐的光谱分布示意图。

具体实施方式

本发明提出的复合外腔电流步进调谐半导体激光器及其调谐方法结合实施例及附图详细说明如下：

本发明的复合外腔电流步进调谐半导体激光器实施例一，是在外腔半导体激光器的外腔中插入片状法布里-玻罗标准具，与两段式半导体激光芯片构成步进调谐外腔半导体激光器，其结构如图1所示，其中，在半导体激光器外腔中插入片状法布里-玻罗标准具13，标准具13两反射面互相平行，与谐振腔光轴的垂面有小角度偏离(该小角度取值范围没有严格要求，只要达到消除标准具反射光对激光振荡的影响的目的即可)。标准具两反射面镀反射膜，反射率T11为：1＞T11＞0，本实施例的反射率为90％(也可为5％，30％，50％，80％和99％等值，反射率越高，标准具的频率选择性就越强)。半导体激光芯片11由两段组成，分别是增益区111和相位调节区113构成本征腔。两段的注入电流分别为112和114。激光输出光通过透镜12准直。半导体激光芯片与外腔耦合的解理面116镀增透膜，反射率T12为：10％＞T12＞0，本实施例的反射率为2％(也可为0.01％，0.1％，1％，10％等值。反射率越小，越有利于激光器的稳定输出；反射率越高，本征腔的作用越明显)。半导体激光芯片的另一解理面114和反射镜14都可以作为激光器的输出耦合面，可以根据需要镀部分反射膜(作为输出耦合面)或高反射膜(不作为输出耦合面)。

本实施例按如下方法调谐：设置法布里-玻罗标准具透射模式间隔的n倍等于步进调谐步长。片状标准具13两反射面之间的光学厚度可根据步进调谐步长的大小和选择的n数而设定。光通信应用中典型的步进调谐步长100GHz(也可根据需要设置步长为25GHz，50GHz，200GHz，500GHz和1000GHz等值)，当n＝2(也可设为其它值)，相应光轴方向的标准具的光学厚度应为3mm。由于标准具的反射面偏离谐振腔光轴的垂直面，其间的光学厚度因此稍偏离以上各值。半导体本征腔纵模间隔的m倍与步进调谐步长有微小的差异，该微小差异与最大调谐范围W₁的关系为： $W_1=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_1\·\mathrm{\Δ}{v}_2\·m\·n}{|{\mathrm{\Δv}}_1\·n-{\mathrm{\Δv}}_2\·m|},$ 式中，Δv₁为法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的大小，Δv₂为半导体芯片本征腔纵模间隔的大小。本实施例中半导体本征腔纵模间隔为35GHz(相应半导体本征腔的光学长度约为4.29mm)，m＝3，则上述微小差异为5GHz，相应最大步进调谐范围是2100GHz。如果所需调谐范围为其它值，可以通过改变半导体工作温度或电流，或者改变芯片长度的方法变化上述微小差异。半导体芯片11的光学长度的设置根据调谐步长和m的取值而不同，m可设为其它与n互质的整数。半导体芯片的增益区111和相位调节区113各自的光学长度以保证激光芯片有足够的增益长度并且单程相位调节范围大于π即可。外腔的光学长度设置使步进调谐步长为外腔纵模间隔的g倍，本实施例中g＝9，外腔的光学长度为13.5mm，g也可取其它与n互质的整数，外腔光学长度根据需要可设置几毫米到几米长。

本实施例的步进调谐中各模式分布如图3，图中，外腔纵模分布如31，外腔光学长度的设置使调谐步长是外腔的纵模间隔的g倍，g＝9，g也可取其它整数，但与n的公因数只有1。标准具透射模式分布如32。标准具透射模间隔的n倍等于步进调谐步长，n＝2，n也可为1，3，4或更大得整数。本征腔的纵模分布如331和332。本征腔纵模间隔的m倍与步进调谐步长有微小的差异，m＝3，m也可取其它数，但与n的公因数只有1。

半导体本征腔的初始纵模分布为331，其与标准具透射模重合的模式为341。重合的模式具有较大的反馈并符合激光腔的相位谐振条件，相对其它模式有着明显的优势而形成激光器的单频振荡输出。调节半导体芯片相位区的电流，使本征腔的纵模分布从331变化为332，本征腔纵模与标准具透射模的重合模式从341跳变到342，激光器输出模式也从341跳变到342。随着电流调谐的进行，重合模式将在标准具每隔n阶次的透射模式间跳变。因此随着相位区电流的改变，激光器输出光的频率被步进调谐。

由于半导体激光芯片加工长度的限制，m取值越大，越限制短步长的调谐。而对于较大的调谐步长，可通过取较大的m获得。因此相对Vernier效应调谐方法，本方法可获得更大的调谐步长。如对于1000GHz的步长，取m＝5，半导体芯片11的光学长度可取在0.75mm附近。

实施例一的复合外腔也可按Vernier方式调谐：设置法布里-玻罗标准具透射模式间隔等于步进调谐步长。光通信应用中典型的步进调谐步长100GHz(也可根据需要设置步长为25GHz，50GHz和200GHz等值)，相应光轴方向的标准具的光学厚度应为1.5mm。由于标准具的反射面偏离谐振腔光轴的垂直面，其间的光学厚度因此稍偏离以上各值。半导体本征腔纵模间隔与步进调谐步长有微小的差异，该微小差异与最大调谐范围W₂的关系为： $W_2=\frac{{\mathrm{\Δv}}_1\·{\mathrm{\Δv}}_2}{|\mathrm{\Δ}{v}_1-\mathrm{\Δ}{v}_2|},$ 式中，Δv₁为法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的大小，Δv₂为半导体芯片本征腔纵模间隔的大小。本实施例中半导体本征腔纵模间隔为105GHz(半导体本征腔的光学长度约为1.58mm)，则上述微小差异为5GHz，相应最大步进调谐范围是2100GHz。如果所需调谐范围为其它值，可以通过改变半导体工作温度或电流，或者改变芯片长度的方法变化上述微小差异。采用此调谐方法时需要注意：由于增益的需要，半导体芯片的长度不能过短，因此限制步长在200GHz以上的步进调谐。外腔的光学长度设置使步进调谐步长为外腔纵模间隔的g倍，本实施例中g＝6，外腔的光学长度为9mm，g也可取其它整数，外腔光学长度根据需要可设置几毫米到几米长。

按Vernier方式步进调谐中各模式分布如图4。图中，外腔纵模分布如41。外腔光学长度的设置使调谐步长是外腔的纵模间隔的g倍，g＝6，g也可取其它整数。标准具透射模式分布如42。标准具透射模式间隔等于步进调谐步长。本征腔的纵模分布如431和432。本征腔纵模间隔与步进调谐步长有微小的差异。

半导体本征腔的初始纵模分布为431，其与标准具透射模重合的模式为441。重合的模式具有较大的反馈并符合激光腔的相位谐振条件，相对其它模式有着明显的优势而形成激光器的单频振荡输出。调节半导体芯片相位区的电流，使本征腔的纵模分布从431变化为432，本征腔纵模中与标准具透自寸模重合模式从441跳变到442，激光器输出模式也从441跳变到442。随着电流调谐的进行，重合模式将在标准具每隔n阶次的透射模式间跳变。因此随着相位区电流的改变，激光器输出光的频率被步进调谐。

本发明的复合外腔电流步进调谐半导体激光器实施例二，是外腔中插入两个楔形镜组成的法布里-玻罗标准具，与两段式半导体激光芯片构成步进调谐外腔半导体激光器，其结构如图2所示，其中，在半导体激光器外腔中插入法布里-玻罗标准具23由两个楔形反射镜组成，其中相对的两个反射面231互相平行，镀宽带反射膜，反射率T21为：1＞T21＞0，本实施例的反射率为90％(也可为4％，30％，50％，80％和99％等值，反射率越高，标准具的频率选择性就越强)。标准具另外两个反射面232可以镀增透膜，以降低谐振腔损耗。反射面231和232与谐振腔光轴的垂面有小角度偏离，以消除标准具反射光对激光振荡的影响。半导体激光芯片21由两段组成，分别是增益区211和相位调节区213。两段的注入电流分别为212和214。激光输出光用透镜22准直。半导体激光芯片对应外腔的解理面216镀增透膜，反射率T22为：10％＞T22＞0，本实施例的反射率为2％(也可为0.01％，0.1％，1％，10％等值，反射率越小，越有利于激光器的稳定输出；反射率越高，本征腔的作用越明显)。半导体激光芯片的另一解理面214和反射镜24都可以作为激光器的输出耦合面，可以根据需要镀部分反射膜(作为输出耦合面)或高反射膜(不作为输出耦合面)。

所述复合外腔可按实施例一中的两种方法调谐，此时标准具的光学厚度为两楔形反射镜之间间隙的光学厚度。

本实施例中通过改变两楔形反射镜之间的距离，可灵活改变步进调谐的步长。两段式半导体芯片的本征腔模式间隔与100GHz有微小差异。当调谐步长要求是100GHz时，设置法步里-玻罗标准具的两反射面231之间的有效间距，使其透过模式间隔为100GHz，透过模式为所要求信道。设置外腔长度使外腔模式间隔的g倍为100GHz，g＝8(g也可为其它整数)。此时改变半导体芯片相位调节区电流，通过Vernier效应可达到100GHz的步进调谐，与实施例一中的第二种调谐方式相同。当调谐步长改变为200GHz时，半导体芯片不变(m＝2)，调节标准具两反射面231的间隔，使其透射模间隔的3倍(n＝3)为200GHz，透过模中包含所需输出的信道。此时外腔模式间隔的16倍为200GHz，g＝16，g与n的公因数只有1，则不需调整外腔；调谐通过改变半导体芯片相位区电流得到，与实施例一中第一种步进调谐方式相同。当调谐步长改变为300GHz时，半导体芯片不变(m＝3)，调节标准具两反射面231的间隔，使其透射模间隔的2倍(n＝2)为300GHz。此时外腔模式间隔的24倍为300GHz，g＝24，g与n的公因数不只有1，则需调整外腔光学长度，设其调整到g＝23，则与n的公因数只有1。也可设置其它n、m和g值，只要保证步进调谐方法实施例一中所述的互质条件即可。调谐通过改变半导体芯片相位区电流得到，与实施例一中第一种步进调谐方式相同。同理，利用相同元件可达到其它步长近似于半导体芯片本征腔纵模间隔整数倍的步进调谐。以上实施例适用于半导体芯片本征模间隔为其它值，如在25GHz，50Ghz及200GHz附近的情况。因此，相比利用Vernier效应的其它步进调谐外腔半导体激光器方法，本发明的复合外腔电流步进调谐半导体激光器可使同一器件灵活应用在需要不同步长的调谐激光光源的场合。

Claims (5)

1、一种复合外腔电流步进调谐半导体激光器，包括两段式结构半导体激光芯片，其中一段为增益区，一段为相位调节区，构成本征腔；半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成激光器外腔，其特征在于，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具，该标准具的各反射面以一小角度偏离谐振腔光轴的垂直面，以消除标准具反射光对振荡光造成的影响。

2、如权利要求1所述的复合外腔电流步进调谐半导体激光器，其特征在于，该法布里-玻罗标准具为单片状或由两个楔形镜组成。

3、一种复合外腔半导体激光器的电流步进调谐方法，其特征在于，由两段式结构半导体激光芯片构成本征腔，半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成外腔组成的半导体激光器，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具；设置法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的n倍等于步进调谐步长；半导体芯片本征腔纵模间隔的m倍与步进调谐步长有微小的差异；该微小的差异根据所需调谐的最大范围W₁确定： $W_1=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_1\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_2\·m\·n}{|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_1\·n-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_2\·m|},$ 式中，Δν₁为法布里-玻罗标准具的透射滤波选择模式间隔的大小，Δν₂为半导体芯片本征腔纵模间隔的大小；设置该外腔半导体激光器的外腔光学长度，使调谐步长是外腔的纵模间隔的g倍，且g＝6，使每一个可能输出的信道都满足外腔有效反射率最大和复合腔的谐振条件；n与m的公因数只有1，n与g的公因数也只有1；调谐步骤包括：

调节该半导体芯片相位区电流，使其本征腔纵模向长波或短波方向移动，使半导体本征腔的阶次每隔m的不同纵模与标准具的阶次每隔n的不同透射模依次重合；

重合的模式具有较大的反馈并符合激光腔的相位谐振条件，相对其它模式有着明显的优势而形成单频振荡输出；因此随着相位区电流的改变，激光器输出光的频率被步进调谐，

调谐步长为标准具透射模式间隔的n倍。

4、一种复合外腔半导体激光器的电流步进调谐方法，其特征在于，由两段式结构半导体激光芯片构成本征腔，半导体激光芯片一端解理面镀增透膜并与其相对设置的一反射镜构成外腔组成的半导体激光器，在该外腔中插入一法布里-玻罗标准具，该法布里-玻罗标准具为单片状或由两个楔形镜组成；设置标准具的透射模间隔为调谐步长；半导体芯片本征腔纵模间隔与标准具透射模式间隔有微小差异，差异的大小根据所需调谐的最大范围W₂确定： $W_2=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_1\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_2}{|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ν}}_2|},$ 其中Δν₁为标准具的自山光谱区的大小，Δν₂为本征腔的纵模间隔的大小；调谐步骤包括：

调节半导体芯片相位区的电流，使本征腔的不同阶次纵模与标准具的不同阶次透射模依次重合；重合的模式具有较大的反馈并符合激光腔的相位谐振条件，相对其它模式有着明显的优势而形成单频振荡输出；因此随着相位区电流的改变，激光器输出光的频率被步进调谐。

5、一种如权利要求3或4所述的复合外腔半导体激光器的电流步进调谐方法，其特征在于，该法布里-玻罗标准具由两个楔形镜组成的法布里-玻罗标准具；调谐步骤还包括：根据不同场合的需要改变两个楔形镜之间的间距及调整外腔的光学长度，使调谐步长随之改变。

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