具有高相对反馈的激光源及其制造方法技术

本发明专利技术涉及使广泛用于光通信领域的高功率半导体激光二极管光源稳定化。这种激光器多数用作光纤放大器，例如掺铒光纤放大器的所谓泵浦激光源，并且其被设计成在给定的频段内提供具有稳定功率输出的窄带光辐射。为了在离开有源温度稳定元件进行工作时改善这种激光源的波长锁定范围，使用了具有很高的相对反馈的外部反射器。为了改善该激光源的稳定性，该外部反射器的反射率带宽可展宽。在通常使用的用于引导激光束的光纤中，通过一个或多个适当设计的光纤布拉格光栅形成该外部反射器。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及激光器的稳定性，特别是普遍应用在光电子学中的半导体二极管激光器类型，其多数为光通信领域中用于光纤放大器(例如掺铒光纤放大器)的所谓泵浦激光器。这种激光器被设计成在给定的频带内提供具有稳定功率输出的窄带宽光辐射。尤其是，本专利技术涉及一种使用具有非常高相对反馈的外部反射器的激光器，从而该激光器无需有源温度稳定元件就可以稳定工作。
技术介绍
例如上面提到的半导体激光器类型在光通信技术中成为重要的装置，尤其是因为这种激光器可用于直接通过光学装置放大光信号。这允许设计全光光纤通信系统，避免待传输信号的任何复杂的转换，从而可提高系统内的速度和可靠性。在一类光纤通信系统中，激光器被用作泵浦掺铒光学放大器，称作EDFA，这已经在本领域技术人员熟悉的多个专利和出版物中有所描述。其技术意义的一个例子在于具有100mW或更大功率输出的980nm激光器，其波长与980nm铒吸收线相匹配，并由此获得低噪声放大。已经发现InGaAs激光器能较好地实现该目的，并且目前已经大量使用这种激光器。然而，本专利技术决不局限于InGaAs激光器。还有本专利技术可应用到其它波长和材料的激光器的一些例子。通常，用在光纤放大器应用中的激光二极管泵浦源为了高效耦合进入单模光纤都以单横模工作，并且这种泵浦源通常是多纵模激光器，即，法布里-珀罗(FP)激光器。对应于铒的吸收波长，一般用于铒放大器的有三种主要类型用在1480nm的InGaAsP和多量子阱InGaAs激光器；用在980nm的应变量子阱InGaAs激光器；以及用在820nm的GaAlAs激光器。为了达到上述目的而使用半导体激光器时出现一个问题，即，它们的波长和功率输出的不稳定，尽管很小，但仍影响到放大率，其足以需要去寻求解决该问题的方法。这一问题已经在Erdogan等人的题为“铒放大器的激光泵浦”的美国专利US 5 563 732中有所陈述，其中描述了通过在激光器前使用布拉格光栅使上述类型的泵浦激光器稳定化。该光栅形成具有激光器的外腔。通过来自光栅的反射从而稳定发射光谱。该光栅形成在距激光器一定距离处的光纤的导模区域的内部。这种光纤布拉格光栅在光纤的导模部分中或其附近为折射率变化的周期性(或非周期性)结构，其中这些变化反射沿着光纤传播的一定波长的光。光栅的峰值反射率和反射带宽决定反射回激光器的光总量。Ventrudo等人的题为“光纤光栅稳定的二极管激光器”的美国专利US 5 715 263中描述了一种用于提供稳定的激光器的基本类似的方法，展示了一种通过光纤透镜使激光聚焦耦合到光纤中的设计。另外，光纤布拉格光栅设置在光纤的导模部分中，入射光的反射部分经过透镜回到激光器。简而言之，当光纤布拉格光栅定位在距离激光器前端面的一定距离处，并且激光增益峰距离布拉格光栅的中心波长不太远时，应当理解，激光器被强制在光栅的光学带宽中工作并因此使其波长稳定。另外，由于引发的高频多模工作的效应，低频功率波动似乎降低了。尽管上述稳定方法是有效的，但它们都使用了有源温度稳定元件。上述现有技术没有任何一个提及无需使用有源温度稳定元件就可使高功率(即，＞100mW)激光源稳定工作的解决方法。这种冷却元件，一般称为热电冷却器(TEC)，通常连接到激光器的散热片上，使激光器温度维持在恒定水平。对TEC的需求明显增加了激光源的复杂性和成本。从Bestwick等人的美国专利US 6 101 210中获知所谓的外腔激光器。这种设计，尽管提到可无需激光器的冷却，然而仅局限在窄带宽信号激光器，其功率损耗与本专利技术所述的高功率激光器相比要低得多。另外，Bestewick等人集中在制造技术上，而没有披露任何激光器前端面和/或光栅的反射率值或是反射率比。这样，Bestwick等人披露的低功率、窄带宽信号激光器没有提供任何如何制造或设计根据本专利技术的非冷却高功率激光器的启示。因此，本专利技术的主要目的是设计一种具有足够大锁定范围的简单且可靠的激光源，尤其是光纤通信系统中的泵浦激光器，其无需有源温度稳定元件而提供稳定的输出。本专利技术一个具体的目的是避免激光器在单纵模工作和多纵模工作之间的不利转换，即使激光输出功率大于100mW，并由此增加高功率激光源的输出稳定性。对于具有在低频降低了的噪音、波长稳定性和在光纤布拉格光栅带宽外侧的高边带抑制的高光功率，将获得输出稳定性。另一目的是允许激光器参数选择具有最大灵活性而不会遇到稳定性问题。还有一个目的是避免任何进一步的复杂性并在激光泵浦光放大器中保持激光源附件的数目最小。
技术实现思路
根据本专利技术，提供一种激光源，其包括至少一个具有高相对反馈的外部反射器，以便相应于给定的工作波长获得较大的锁定范围。这允许激光器无需有源温度稳定元件就可在锁定范围内工作。根据本专利技术的另一方面，外部反射器具有优化和展宽的反射率带宽，其具有在激光器的锁定范围内获得稳定功率输出的优点。尤其是，激光器的前端面优选尽可能小，并且为了获得高相对反馈，通过设计优化反射器的反射率。并且由半高宽(FWHM)带宽限定的反射器的反射率带宽被设计为对应于激光器的至少10个但优选20-40个纵向法布里-珀罗模的等价物，由此获得激光器的最佳锁定范围和稳定功率输出。在本专利技术的优选实施例中，外部反射器优选是具有均匀反射特性的光纤布拉格光栅，所述的光栅集成在用于传导激光束的光纤中。这样简化了制造并且避免了对任何附加装置或元件的需要。可替换的，也可使用其它类型的反射器，例如离散的光学干涉滤光器。在本专利技术的另一实施例中，外部反射器是由硅、氮化硅或是二氧化硅波导形成的光栅，或是用任何其它材料的波导形成的光栅。这允许在波导中直接于各自材料的片上形成外部反射器。在本专利技术的另一实施例中，光纤布拉格光栅反射特性的形状可以是线性的、平顶的、或是由啁啾和/或切趾滤波设计获得的形状。其优点在于可以获得额外的设计灵活性。另外，切趾光栅可避免在反射特性的边带最大值处发射激光，而不是在布拉格波长处发射激光，这将在下文详细解释。在本专利技术的另一实施例中，在光纤中至少有两个光纤布拉格光栅，用于获得所需的组合反射特性。在一个实施例中，多个光纤布拉格光栅被设计成具有不同的反射波长。可替换的，这些波长可设计成相等，借此通过施加不同的机械应力和/或不同的温度获得各反射波长的位移。这导致更进一步的设计灵活性。在另一实施例中，在以在前述所有的实施例的基础上通过调制注入电流来加入电子高频脉冲。其优点在于可以获得进一步提升的功率稳定性。通过在光纤内同时制造所需的布拉格光栅建立一种提供多个光纤布拉格光栅的优选方法。这将制造额外光栅的努力保持在最小，并且同时使其更能适应所需的布置。附图说明下面参照下述示意图描述本专利技术的优选实施例。提供的附图是示意性的并且没有必要按比例制图。图1示出具有激光器、带有集成布拉格光栅的光纤波导和监测光电二极管的稳定激光源的示意图。图2示出了阈值增益和激光模增益图，其显示出由此产生的激发波长。图3示出了不同激光器温度下的阈值增益和激光模增益图，其显示出由此产生的锁定范围。图4示出了不同散热片温度下的激光功率谱图，其显示出所引起的锁定范围。图5示出了不同相对反馈级的阈值增益(rFB)和不同散热片温度下的激光模增益图，其显示出对下拉工作引起的锁定范围。图6示出了对于不同有效光纤布拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在给定波长处产生稳定出射光束（１０）的高功率激光源，所述激光源包括激光二极管（１）和用于引导激光束（４）的导光装置（７，８，９），所述的激光二极管包括反射前端面（２），以及所述的导光装置包括至少一个反射器（８），其中－－所述 反射器（９）具有以所述出射光束（１０）的所需波长为中心的反射率Ｒ↓［ＦＢＧ］，－－所述前端面（２）具有反射率Ｒ↓［Ｆ］，朝向所述导光装置（７，８，９），－－选择所述反射率Ｒ↓［ＦＢＧ］和Ｒ↓［Ｆ］，以获得预定的相对反馈　 　ｒ↓［ＦＢ］＝ｋ＊Ｒ↓［ＦＢＧ］／Ｒ↓［Ｆ］＞１，ｋ是在所述导光装置（７，８，９）中由耦合效率确定的系数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：N马图谢克，S莫尔迪克，T普利斯卡，
申请(专利权)人：波科海姆技术公共有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]