TWI291274B - Resonating cavity system for broadly tunable multi-wavelength semiconductor lasers - Google Patents

Description

1291274 九、發明說明： 【發明之領域】 本發明係提供一種半導體雷射共振腔架構，尤指一種運用複數 個反射鏡來分別反射波長相異之雷射之共振腔架構。 【背景說明】 由於資訊時代之來臨，利用寬頻網路以波分多工技術 (wavelength-division multiplex，WDM)提供大量而快速的資訊傳輸 已是必然趨勢，傳統上，主要光纖通訊頻帶波長係大約落在i % 微米及1.3微米，因為在該兩頻帶之光纖損失及色散損失最小。時 至今日，最新光纖科技的發展已能顯著降低光纖在14微米之羥基 (hydroxyl)吸收損耗，因此，在未來的光纖通訊中，3〇〇奈米的寬= 通訊已是指日可待。所以’提供麵可調之雷射光源實是當務之 急·。

自從1974年開料量子井結構的研究後，這種_超晶格結 構所設計之半導體雷射形成獨樹—幟之發展趨勢，其高效率、^ 起振電流、錢長可調變的優點—直是絲光㈣統的最佳雷射 光源選擇。最近’多量子井轉體詩的發展已能提供相當的寬 頻光源，再經由外部寬頻可調技術即可選擇所要的單頻雷射光， 譬如利趙貞增_权半導體絲放A 1291274 amplifiers，SOAs)。不過，該半導體光學放大器之多波長寬頻可調 特性仍受限於傳統之共振腔架構。 雖然目如有井多雷射光波長調變技術，例如 波長調變滤光器、繞射光栅濾光器、旋轉式薄膜濾光器(r〇tated thin-filmfilter)、電光可調整式濾光器(Elect〇_〇ptictunablefilter)、 以及可調整式光纖光柵濾光器等等習知之光波長調變技術，這些 光波長調變技術通常是運用於特定單波長之振盪選擇，而且除了 利用光柵之相關技術外，其可調整之波長範圍只限於1〇〇奈米以 内。不過，當波長可調整式半導體雷射的共振腔架構使用繞射光 栅技術時，其可調整之波長範圍就可達到2〇〇奈米。 請參考圖-。圖-為習知可調整式半導體雷射的共振腔架構 100之示意圖，共振腔架構100包含一光栅1〇，一準直透鏡u，以 及-FP半導體f射或轉體光學放大如。Fp半導體雷射或半導 體光學放大器I3包含有-波導(waveguide^5，用來傳導光線，一 第一端面及一第二端面，該第一端面塗一抗反射層12，該第二端 面為自麟伽。這種共振腔架構只_於特定單波長之振盈設 計’當雷射絲由FP半導體f射或半導體光學放Α||13^生後， 經過抗反射層12發散料，再經準直透削使發散光束集中為一 平行光束而人射到光栅1()，光束人射到光栅_人射角Θ填反射 1291274 光束的反射角(9r之關係可表示為下式 sin(^) = sin(^) + — Λ (式 l) 其中λ為雷射光波長;Λ為光柵上之條紋週期長度；而瓜為一 整數。當調整到所選擇的雷射光波長滿足化⑼時，所選之反射 光束會沿著人射絲的路徑反射_準直透肋，再經抗反射層 U進入FP半導體雷射或半導體光學放Α||1;3，如此形成—單波長 雷射光共振路徑’最後將輪出雷射光束14從即半導體雷射或半導 體光學放大器13之第二端面送出。 請參考圖二。圖二為另—f知可調整式半導體雷射的共振腔 架構200之示意圖，共振腔架構2〇〇包含一光栅2〇，一準直透鏡21， 以及-FP半導體雷射或半導體光學放大器a，Fp半導體雷射或半 _光學放大器23包含有-波導26 ,用來傳導光線，—第一端面 及-第二端面，該第一端面塗一抗反射層22，該第二端面塗一高 反射層24。這振腔_也是只_於特定單波長之振盈設 計，所不同的是其雷射光束係經由光柵2〇輸出，工作原理大致相 同，當雷射光源由FP半導體雷射或半導體光學放大器23產生後， 可能經高反射層24先反射回來，或直接經過抗反射層”發散出 去’再鱗直透前使發散絲針為—平行光束而人射到光桃 20，再利用光柵的雷射光束分光特性，從適當的角度抽出特定波 長之雷射光。 1291274 當所要的雷射光束為雙波長或多波長之賴、時，上述二種習 4技云之可將式半物雷射的共振腔架構均無法滿足所求，因 此就有圖二所不之另―種習知可機式半導體雷射的雙波長共振 腔架構300。％參考圖三，共振腔架構300包含-光柵30，-第— 準直透鏡3卜—半導體縣放大H32，_第二準姐鏡33，一凸 透!兄34 ’ -调光隙縫板35，以及一反射鏡％，調光隙縫板％包含 有-第-隙縫301及一第二隙縫3〇2，光柵3〇係置於凸透鏡%之焦 距上。當f射光源由半導體光學放大㈣產生後，發散光束經準 直透鏡31集中為-平行結而人射到光柵3()，減栅％分光反射 後’有-道所選擇之反射光束分別是-短波長絲37及—長波長 光束38，短波長光束37及長波長光束38均可經凸透鏡34而形成平 行光分別入射到调光隙縫板35之第一隙縫3〇1及第二隙縫3〇2，再 由反射鏡36反射回來，如此形成二條雷射光共振路徑，最後將雷 射光束39經由第二準直透鏡33送出。因此，其輸出之雷射光束係 由短波長光束37及長波長光束38所形成之雙波長光束。如果調光 隙縫板35包含有更多的隙縫，則同理類推可以形成多波長光束。 不過，在可凋整式半導體雷射的雙波長共振腔架構3〇〇中，要在光 才冊30與反射鏡36之間準確地置放凸透鏡34，實務上是很困難的， 當凸透鏡34之置放有偏差時，短波長光束37及長波長光束％經過 凸透鏡34後無法形成平行光，更何況實際入射到光栅3〇之雷射光 束並非理想之光點，這種情況同樣導致無法平行之二道長短波長 1291274 光束，所以只用―反射鏡36想要理想地反射該非平行之二道長短 波長光束_驗雜是不可_，如此觀錢驗共振腔架 構之不均勻共振難，_可_到多波長共振腔架構之不均句 共振損耗。 【發明概述】 因此本發主要目的在於提供一種利用多反射鏡之可調整 式半導體雷射的多波長共振腔架構，以解決上述問題。 本發明之t請專利細提供—種可罐式半導體雷射的多波 長共振腔架構，其包含有：—半導體光學放A||，其更包含有一第 了端面及—第二端面，該第—端面_合到共振腔，該第二端面 係為雷射光輸出端面；一光栅；—凸透鏡；—調光隙縫板，其更 包含有複數條隙縫;複數個可調反射鏡；其中該光栅係介置於該半 _光學放大ϋ之該第—端面及鞠光_板的雷射光共振路徑 上’该調光雜祕置祕該複數射概雜之反射面，該複 數個可做機之反射面係分麟準於該調光雜板之該複數條 隙縫^半導體光學放大II之該第—端面經由該光栅、該凸透鏡、 肩凋光隙縫板之該複數條隙縫、到該複數個可調反射鏡之反射面 形成複數條雷射光共振路徑。該複數個可調反射鏡係可獨立調整 八反射角度，用以對應複數條非平行入射之多波長共振路徑，使 1291274 每條入射f射光柄可無祕地反射回原共振路徑。 【發明之詳細說明】 請參考圖三及圖四。圖四所示為依本發明之一種可調整式半導 體雷射的魏長共振腔架構，其係為圖三所示習知可調整式半 導體雷射的雙波長共驗雜之改I賴，舰腔架構4〇〇包 含-光栅30 ’-第—準直透顧，—轉體光學放^32，一第 二準直透鏡33，一凸透鏡34，一調光隙縫板35，一第一可調反射 鏡41，以及一第二可調反射鏡42。半導體光學放大器以亦可為一 夕里子井半導體雷射，其包含有一曲線型波導路徑以避免形成 該半導體雷射之内部共振條件。調光隙縫板35包含有一第一隙縫 301及一第二隙縫3〇2，光柵30係置於凸透鏡34之焦距上。第一及 弟一可5周反射鏡41、42可以是光學微機電系統(optical micro-electro-mechanics system, MEMS)中的微反射鏡或是數位光 學處理(digital light processing，DLP)中的數位微反射鏡元件(digital miciO-mirrordevice)，並由二組獨立之致動器控制(未顯示在圖 上）。當雷射光源由半導體光學放大器32產生後，發散光束經準直 透鏡31集中為一平行光束而入射到光柵3〇，經光柵30分光反射 後’有一道所選擇之反射光束分別是一短波長光束37及一長波長 光束38，短波長光束37及長波長光束38均可經凸透鏡34而分別入 射到調光隙縫板35之第一隙缝301及第二隙縫302，再分別由第一 10 1291274 可調反射鏡41及第二可調反射鏡42反射回來，如此形成二條雷射 光共振路徑，最後將輸出雷射光束39經由第二準直透鏡33送出。 因此，其輸出之雷射光束係由短波長光束37及長波長光束38所形 成之雙波長光束。如果凸透鏡34無法準確地置放在光栅3〇與第一 及第二可調反射鏡41、42之間，也就是說，當凸透鏡34之置放有 偏差時，短波長光束37及長波長光束38經過凸透鏡34後無法形成 平行光束，此時即可利用可獨立調整角度之第一可調反射鏡41及 苐一可調反射鏡42將該二道共振光束無損耗地反射回原共振路 徑，因而解決傳統雙波長共振腔架構之不均勻共振損耗。 請參考圖五。圖五所示為依本發明之一種可調整式半導體雷 射的雙波長共振腔架構400的分析光譜，其橫軸為輸出雷射光波 長，縱軸為輸出雷射光譜分量相對強度，調整調光隙縫板35之第 一隙縫301及第二隙縫302之隙縫位置與隙縫間距即可得到不同之 二條雷射光共振路徑，因而導致不同之共振雙波長，圖五顯示對 應於四種不同隙縫間距之輸出雷射光譜50〇、502、504、506，其 分別對應至隙縫間距32nm、63nm、138nm、170nm，而由於藉助 可獨立調整之第一可調反射鏡41及第二可調反射鏡42將該二道共 振光束無損耗地反射回原共振路徑，故如圖五所示，其擁有非常 高之雙波長光訊號/雜訊比，而且所選擇之雙波長雷射光束分量強 度幾乎相同，也就是說，本發明之雙波長共振腔架構提供非常均 1291274 勻之雙波長共振增益特性。 請參考圖三及圖六。圖六所示為依本發明之另一種可調整式 半導體雷射的四波長共振腔架構_，其係為類似於圖三所示習知 可调整式半導體雷射的雙波長共振腔架構3〇〇之改良架構，共振腔 架構600包含一光栅3〇，一第一準直透細，一半導體光學放大器 32，一第二準直透鏡33，一凸透鏡34，一調光隙縫板6〇ι，一第一 可調反射鏡621，-第二可調反射鏡622，一第三可調反射鏡623 ,籲 以及一第四可調反射鏡624，半導體光學放大器32包含有一曲線型 波導路徑3_避免形成半導體雷射之内部共振條件，調光隙縫板 601包含有一第一隙縫611，一第二隙縫612，一第三隙縫613，以 及一第四隙縫614。光柵30係置於凸透鏡34之焦距上，四個可調反 射鏡62卜622、623、624可以是光學微機電系統中的微反射鏡或 疋數位光學處理中的數位微反射鏡元件，並由四組獨立之致動器 控制(未顯示在圖上）。當雷射光源由半導體光學放大器32產生後，着 發散光束經準直透鏡31集中為一平行光束而入射到光柵3〇，經光 柵30分光反射後，有四道所選擇之反射光束分別是一第一波長光 束631，一第二波長光束632，一第三波長光束633，以及一第四波 長光束634，該四道所選擇之反射光束均可經凸透鏡34而分別入射 到調光隙縫板601之四條隙縫611、612、613、614，再分別由四個 可調反射鏡621、622、623、624反射回來，如此形成四條雷射光 12 1291274 共振路徑，最後將輸出雷射光束39經由第二準直透鏡33送出。因 此，其輸出之雷射光束係由四條共振光束631、632、633、634所 形成之四波長光束。如果凸透鏡34無法準確地置放在光栅3〇與可 調反射鏡62卜622、623、624之間，也就是說，當凸透鏡34之置 放有偏差時，四條雷射光束63卜632、633、634經過凸透鏡34後 無法形成平行光束，此時即可利用可獨立調整角度之四個可調反 射鏡621、622、623、624將四道共振光束631、632、633、634無 損耗地反射回原共振路徑，因而解決傳統四波長共振腔架構之不鲁 均勻共振損耗，同理可類細本發明多波長共振腔架構。 如上所述，相較於傳統只用一個反射鏡之可調整式半導體雷 射的多波長共振腔架構，本發明可調整式半導體雷射的多波長共 振腔架構係朝概個可紙械以對麟歸雷射光共振路 徑，該複數個可調反射鏡係可獨立其反射纽，用以將每條 入射雷射光束無損耗地反射回原共振路徑，_解決傳統多波長· 共振腔架構之不均勻共振損耗。 乂上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明_請專利範 圍所作之均等變倾修飾，皆麵本發明補之涵蓋範圍。 13 1291274 【圖式簡單說明】 圖一為白^可兩整式半導體雷射的單波長共振腔架構示意圖, 回為。白头可调整式半導體雷射的單波長共掘空架構示意圖。 圖為白知可兩整式半導體雷射的雙波長共振腔架構示意圖。 圖四為本發财_解導體賴波長共缝_示意圖。 圖五為圖四雙波長共触架翻光譜分析圖。 圖六為本發财調整解導體㈣_波長共缝_示意圖。 【圖式之符號說明】 10、20、30 光栅 11 >21 準直透鏡 12、22 抗反射層 13、23 即半導體雷射或半導體光學放 14、25、39 輸出雷射光束 24 高反射層 31 第一準直透鏡 32 半導體光學放大器 33 第二準直透鏡 34 凸透鏡 35、601 調光隙縫板 36 反射鏡 14 1291274 37 短波長光束 38 長波長光束 41、621 第一可調反射鏡 42、622 第二可調反射鏡 100、200、300、600 共振腔 301 、 611 第一隙縫 302、612 第二隙縫 303 波導路徑 613 第三隙縫 614 第四隙縫 623 第三可調反射鏡 624 第四可調反射鏡 631 第一波長光束 632 第二波長光束 633 第三波長光束 634 第四波長光束

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Claims (1)

1291274-η .. %年〇1月Θ日修(致)正本 . ^**"^"*—"*1**—-----—......... ,- 十、申請專利範圍： 1· 一種可調多波長半導體雷射之共振腔架構，其包含有： 一光源，用來產生光線； 一光柵，用來分解該光源傳來之光線並以不同之角度反射分 解出之各個光束； 複數個可獨立地個別調整反射角度之反射鏡，用來反射該光 柵傳來之各個光束； 其中該複數個可獨立地個別調整反射角度之反射鏡會將該光 # 柵傳來之各個光束反射至該光柵，並經由該光柵反射回該光源以 輸出共振後之光束。 2·如申請專利範圍第1項所述之共振腔架構，其另包含一面板， 設於該光柵及該複數個反射鏡之間，其上設有複數個隙縫，對應 於該複數個反射鏡，用來僅讓特定波長之光線傳至該複數個反射 鏡。 ® 3·如申請專利範圍第1項所述之共振腔架構，其另包含一凸透 鏡，設於該光柵及該複數個反射鏡之間，用來聚集該光柵反射至 該複數個反射鏡之光束。 4·如申請專利範圍第1項所述之共振腔架構，其中該光源包含一 16 1291274 波導(waveguide)，用來傳導該光源所產生之光線，該波導具有一 第一端面及一第二端面。 5·如申請專利範圍第4項所述之共振腔架構，其中該波導之路徑 係為一曲線路徑。 6·如申請專利範圍第4項所述之共振腔架構，其中該波導之第一 端面包含有一抗反射層，用來避免經由該波導傳至該第一端面之 光線直接由該第一端面反射回該波導。 7·如申請專利範圍第4項所述之共振腔架構，其另包含一準直透 鏡，設於該波導之一侧，用來聚集該波導所發散出來之光線。 8·如申請專利範圍第7項所述之共振腔架構，其中該準直透鏡係 設於該光毅該細u來將紐導發散㈣之光線聚集至 該光柵。 9·如申請專利範圍第7項所述之共振腔架構，其中該準直透鏡係 设於錢導之第二麵之—側，聽聚集輸出該光源之光線。 10·如申Μ專利範圍第9項所述之共振腔架構，射該準直透鏡聚 17 1291274 集之光線係為雷射光。 ·: 11. 如申請專利範圍第1項所述之共振腔架構，其中該光源係為一 半導體光學放大器(semiconductor optical amplifier)。 12. 如申請專利範圍第1項所述之共振腔架構，其中該光源係為一 多量子井半導體雷射(multiple-quantum-well)。 十一、圖式:

18 1291274 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：無 (二） 本代表圖之元件代表符號簡單說明: 無 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的 化學式：