复合外腔电流步进调谐半导体激光器及其调谐方法技术

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体激光器
，特别涉及可调谐外腔半导体激光器设计。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，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。本专利技术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。本专利技术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W1=Δν1·Δν2·m·n|Δν1·n-Δν2·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，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。本专利技术的激光器也可利用传统的Vernier效应调谐方法。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W2=Δν1·Δν2|Δν1-Δν2|,]]>其中Δν1为标准具的自由光谱区的大小，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。在本专利技术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专利技术提出的调谐方法，调诣步长为法布里-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，应用本专利技术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。本专利技术的优点在于(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。可以根据信道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴克瑛，张汉一，郑小平，腾翔，李艳和，赵玲娟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：