一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种半导体外腔激光器及控制方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方。该激光器及控制方法采用两种常用的光学选频器组合成超窄的滤波器作为外腔的选频元件，保证了窄线宽激光器长期单频运转；调整各个光学选频器的入射角，可实现波长灵活输出。

A flexible wavelength narrow linewidth semiconductor external cavity laser and its control method

The invention relates to a semiconductor external cavity laser and a control method, which belongs to the field of optical communication technology, in particular to a flexible wavelength narrow linewidth semiconductor external cavity laser and a control side. The laser and control method are combined with two commonly used optical frequency selectors to form ultra narrow filter as the frequency selective element of the external cavity, ensuring the long run single frequency operation of the narrow linewidth laser, adjusting the incidence angle of each optical frequency selector, and realizing the flexible output of wavelength.

【技术实现步骤摘要】
一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方法
本专利技术涉及一种半导体外腔激光器及控制方法，属于光通信
，具体是涉及一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方。
技术介绍
低噪声窄线宽激光光源在相干光通讯、相干激光雷达、高精度光纤传感、引力波探测、微波光子学等领域有着重要和广泛的应用，当前国内市场长期被国外产品垄断，产品价格居高不下，一定程度上制约了相关领域科技成果的产业化市场化发展。市场上可以见到的各种窄线宽激光光源输出波长大部分采用ITU-T栅格标准，主体方案有3种形式：基于非平面环形腔的窄线宽固体激光器，基于有源光纤的环形腔窄线宽光纤激光器和外腔半导体激光器。其中外腔半导体激光器以其出色的环境适应性、超低的相对强度噪声和较低的相位噪声、窄线宽、高相干性等特点，市场应用更为广泛。窄线宽半导体单频激光器纵模间距小，核心技术之一是设计稳定可靠的超窄光学滤波器作为外腔的波长选频元件，限制增益谱内谐振的纵模数，实现单一纵模振荡。市面上窄线宽外腔激光器超窄光学滤波器很多采用布拉格光栅来实现。光栅作为外腔滤波反射元件，和半导体增益芯片构成外腔半导体激光器。例如美国RIO公司的专利20100303121A1“Achievinglowphasenoiseinexternalcavitylaserimplementedusingplanarlightwavecircuittechnology”公开了一种使用布拉格硅基平面波导光栅和半导体增益芯片直接对接耦合的低噪声外腔激光器，这种激光器耦合难度高，外腔耦合插损大。每一种ITU-T栅格波长输出的激光器都需要定制峰值反射波长对应的布拉格硅基平面波导光栅，波导光栅的制作工艺复杂，成本较高。每种波长的激光器的都必须备份一种拉格硅基平面波导光栅，这样导致备份物料的种类和数量增加，成本上升。另外一种窄线宽激光器采用光纤布拉格光栅作为斜边负反馈元件，例如美国专利US8018982B2“Slicedfiberbragggratingusedasexternalcavityforsemiconductorlaserandsolidstatelaser”,这种激光器结构对布拉格光纤光栅的封装方法提出了很高的要求，光栅容易受到环境因素的影响，不利于激光器的稳定输出；制作不同波长输出的激光器同样需要定制不同峰值反射波长的布拉格光纤光栅，光纤光栅制作工艺中峰值反射波长的精度控制有一定的难度。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的上述技术问题，提供了一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器及控制方法。该激光器及控制方法采用固定栅格滤波器、Littrow型光栅这两种常用的光学选频器组合成超窄的滤波器作为外腔的选频元件，保证了窄线宽激光器长期单频运转；调整各个光学选频器的入射角，可实现波长灵活输出。本专利技术通过改变固定栅格滤波器、Littrow型光栅的角度，可以构成不同波长输出的窄线宽激光器。外腔光路中光学滤波器光学元件处于同一控温基板上，稳定的外腔设计保证了激光器稳定性好、相位噪声低的特性，可满足当前相干光通讯、相干激光雷达、高精度光纤传感等领域大部分应用需求。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，包括：反射型半导体增益芯片(2)，其两端面分别镀有高反射膜与增透膜；固定栅格滤波器(4)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于滤波并形成栅格光谱；Littrow型反射光栅(5)，用于接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，还包括：光探测器(1)，设置于反射型半导体增益芯片(2)镀高反射膜的一侧，用于检测激光器的功率；优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，所述激射条件包括：与固定栅格滤波器(4)和Littrow型反射光栅(5)的组合光谱的峰值波长最近的纵模可获得最大增益形成激光输出。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，还包括：准直透镜(3)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于将反射型半导体增益芯片(2)输出光束准直后送入固定栅格滤波器(4)。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，窄线宽激光器实现单模输出要求固定栅格滤波器(4)单个栅格光谱3dB带宽不超过外腔激光器纵模间距的2倍，其中，反射型半导体增益芯片(2)、准直透镜(3)、固定栅格滤波器(4)、Littrow型反射光栅(5)组成激光器的外腔。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，所述固定栅格滤波器(4)是法布理-泊罗标准具。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，所述激光耦合输出光路包括沿光路依次设置的光隔离器(6)、输出耦合透镜(7)和输出光纤(8)。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，Littrow型反射光栅单次反射谱函数由公式1～3给出：其中：θp为峰值波长λp对应的入射角和衍射角，光栅表面高斯光束覆盖区域的截面半径ω，光栅的周期d有关。一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器控制方法，包括：利用固定栅格滤波器(4)将反射型半导体增益芯片(2)的出射光滤波形成栅格光谱；利用Littrow型反射光栅(5)接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。优选的，上述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器控制方法，Littrow型反射光栅角度和波长受下式约束：式中，θp为Littrow型反射光栅反射谱的峰值波长λp对应的入射角和衍射角。因此，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术采用了两种常用的光学滤波器组合成超窄的滤波器，降低了核心元件超窄光学滤波器的工艺实现难度。(2)本专利技术的窄线宽激光器输出波长灵活，要实现不同ITU-T栅格波长输出，只需调整各个光学滤波器入射角的入射角。各个光学滤波器可用成熟的工艺制备，成本低廉、成品率高、易于批量制作，大大降低了该专利技术的窄线宽外腔激光器制作成本。(3)本专利技术的窄线宽激光器为前腔结构，采用了一种特殊的Littrow型光栅作为前腔镜和选频原件，光路结构简单紧凑，耦合方便。附图说明图1—本专利技术的较佳实例的结构示意图。图2—本专利技术的较佳实例的固定栅格滤波器透射谱和Littrow型反射光栅的反射光谱关系图。图3—本专利技术的较佳实例的线宽测试结果。图4—本专利技术的较佳实例的相位噪声测试结果。其中：1—光探测器；2—反射型半导体增益芯片；3—准直透镜；4—固定栅格滤波器5—Littrow型反射光栅；6—光隔离器；7—输出耦合透镜；8—输出光纤。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。实施例：参见图1所示，本专利技术实例中的一种波长灵活的低成本窄线宽半导体外腔激光器，包括光探测器1、反射型半导体增益芯片2(RSOA：ReflectiveSemiconductorOpticalAmplifier)、准直透镜3、固定栅格滤波器4、Littrow型反射光栅5、光隔离器6、输出耦合透镜7和输出光纤8。其中，反射型半导体增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，包括：反射型半导体增益芯片(2)，其两端面分别镀有高反射膜与增透膜；固定栅格滤波器(4)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于滤波并形成栅格光谱；Littrow型反射光栅(5)，用于接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。

【技术特征摘要】
1.一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，包括：反射型半导体增益芯片(2)，其两端面分别镀有高反射膜与增透膜；固定栅格滤波器(4)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于滤波并形成栅格光谱；Littrow型反射光栅(5)，用于接收所述栅格光谱，选择性将部分光反射回反射型半导体增益芯片(2)，并且透射满足激射条件的部分光至激光耦合输出光路。2.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，还包括：光探测器(1)，设置于反射型半导体增益芯片(2)镀高反射膜的一侧，用于检测激光器的功率。3.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述激射条件包括：与固定栅格滤波器(4)和Littrow型反射光栅(5)的组合光谱的峰值波长最近的纵模可获得最大增益形成激光输出。4.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，还包括：准直透镜(3)，设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧，用于将反射型半导体增益芯片(2)输出光束准直后送入固定栅格滤波器(4)。5.根据权利要求1所述的一种灵活波长的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，窄线宽激光器实现单模输出要求固定栅格滤波器(4)单个栅格光谱3dB带宽不超过外腔激光器纵模间距的2...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤学胜，翟宇佳，李迪，陈宏刚，
申请(专利权)人：武汉光迅科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42