一種大範圍調諧雷射器及其調諧方法
2023-09-18 09:41:30
一種大範圍調諧雷射器及其調諧方法
【專利摘要】本發明涉及大範圍波長可調諧雷射器【技術領域】，提出了一種大範圍調諧雷射器方案及其調諧方法。該調諧雷射器包含光增益區、公共相位區、多通道分支區、以及多通道反射區。多通道分支區將輸入通道分成多個輸出通道。多通道反射區包含若干個長度不同的臂，每個臂上有一個獨立的臂相位控制區；相鄰臂的長度差不相等，以使得多通道反射區幹涉產生單個反射峰佔主導的反射譜，該反射譜保證了雷射器的單模工作。通過結合調節公共相位區的相位以及多通道反射區每個臂上的相位，能夠實現雷射器的波長大範圍精細調諧。基於以上方案，本發明具有製作難度小，成本低，調諧範圍廣，調諧效果佳，調諧控制方便的優點。
【專利說明】一種大範圍調諧雷射器及其調諧方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及大範圍波長可調諧雷射器【技術領域】，涉及的是一種大範圍波長可調諧 雷射器及其調諧方法。
【背景技術】
[0002] 隨著長距離、大容量、超高速光纖通信技術的發展，半導體調諧雷射器成長為光纖 通信系統和下一代光網絡的關鍵器件之一。在密集波分復用（DWDM)系統中，調諧雷射器能 夠代替多個波長固定的雷射器，這樣不僅能夠極大地降低備用光源的成本，還能夠提供及 時有效的庫存管理和信道快速建立功能。在下一代可重構光網絡中，調諧雷射器還能夠提 供自動波長配置、波長轉換以及波長路由功能，從而增加網絡的靈活性和寬帶利用率。近幾 十年，調諧雷射器受到國內外的廣泛關注和研究。
[0003] 調諧雷射器的基本結構和工作原理如圖1所示。調諧雷射器可以由最基本的 Fabry-P6r〇t (F-P)腔雷射器，相位控制器以及模式選擇濾波器構成。F-P腔雷射器僅由增 益介質和諧振腔（由兩端面反射鏡構成）組成，滿足雷射器工作條件的波長（雷射器的縱 模）有很多個。由於半導體增益介質的增益譜通常都比較平坦，如圖1中的增益譜所示，所 以普通的F-P腔雷射器不具有選模機制，一般是多模激射的。為了實現單縱模激射，需要模 式選擇濾波器將單個縱模選出來。通常濾波器的中心波長要靠近所要選擇的模式，這樣該 模式由濾波器所引起的額外損耗要小於其他模式，從而在雷射器的激射譜中佔主導地位。 該模式輸出功率與其他模式輸出功率的比通常稱為邊摸抑制比（Side Mode Suppression Ratio, SMSR)。通過調節濾波器的中心波長就可以選擇不同的縱模來激射，這種調節通常稱 為調諧雷射器的粗調。為了使得雷射器的調諧範圍能夠覆蓋縱模之間的間隔（通常稱為調 諧雷射器的細調），圖1中的相位控制器還必須被利用起來調節縱模的位置。實際設計中， 相位調節器和模式選擇濾波器可以通過不同的形式來實現，但單片集成的調諧雷射器通常 都依賴熱光或電光效應來改變模式的有效折射率。
[0004] 目前調諧雷射器正向著大調諧範圍、高邊模抑制比、高輸出功率、高波長切 換速度、窄線寬，以及單片集成等方向發展。許多研究機構和商業公司提出了多種 調諧雷射器方案。目前商業可用的單片集成的大範圍波長調諧雷射器方案主要有 兩種：一種是通過溫度調諧（熱光效應）的分布反饋（Distributed Feedback, DFB) 雷射器陣列（Zah C E, Favire F J, Pathak B，et al. Monolithic integration of multiwavelength compressive-strained multiquantum-well distributed-feedback laser array with star coupler and optical amplifiers[J].Electronics Letters，1992, 28(25) :2361-2362.);另一種是利用注入電流產生的電光效應進行調諧的 分布反射（Distributed Bragg Reflector，DBR)型調諧雷射器。DFB雷射器陣列是在單個 DFB雷射器的基礎上發展起來的。通過溫度進行調諧，單個DFB雷射器的調諧範圍一般只有 3到5nm。因此將多個具有不同中心波長的DFB雷射器以並聯的方式集成起來，就可以實現 大範圍的波長調諧。
[0005] 最簡單的DBR型調諧雷射器由三部分組成：增益區，相位區和光柵區。通過控制 光柵區和相位區的電流實現波長調諧，其基本調諧原理如圖1所示。但是普通的DBR型 調諧雷射器的波長調諧範圍最大只能達到22nm(0berg M, Nilsson S, Klinga T，et al. A three-electrode distributed Bragg reflector laser with 22nm wavelength tuning range [J] · Photonics Technology Letters, IEEE, 1991，3 (4) : 299-301.)，不足以覆蓋整個 C波段。為了增大DBR型可調雷射器的波長調諧範圍，近二十年提出了許多改進的波長調 諧方案，如取樣光柵分布反射（Sample grating distributed Bragg reflector, SGDBR) 調諧雷射器（Jayaraman V, Chuang Z M, Coldren L A. Theory, design, and performance of extended tuning range semiconductor lasers with sampled gratings[J]. Quantum Electronics, IEEE Journal of, 1993, 29 (6) : 1824-1834.)，超結構光柵分布 反身寸(Super-structure grating distributed Bragg reflector, SSGDBR)調諧激 光器(Ishi i H, Tanobe Η, Kano F, et al. Quasicontinuous wavelength tuning in super-structure-grating (SSG)DBR lasers[J]. Quantum Electronics,IEEE Journal of, 1996, 32 (3) :433-441.),數字超模分布反射（Digitalsupermode distributed Bragg reflector, DSDBR)調諧雷射器（Ward A J, Robbins D J, Busico G, et al. Widely tunable DS-DBR laser with monolithically integrated SOA:design and performance[J]. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 2005, 11(I):149-156.),以 及調製光柵Y臂（Modulated grating Y-branch，MGY)調諧雷射器（WesstrSm J 〇, Sarlet G, Hammerfeldt S, et al. State-of-the-art performance of widely tunable modulated grating Y-branch lasers[C]//Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2004: TuE2.)，它們都能夠實現超過40nm的波長調諧範圍，超過35dB 的邊模抑制比以及超過IOdBm的輸出功率。除了 DS-DBR雷射器以外，其它幾種調諧雷射器 都是利用的遊標卡尺效應（如圖2所示）來實現波長調諧的。通過使用兩個不同結構的反 射光柵產生兩個具有不同波長間隔的梳狀反射譜，然後利用遊標效應，通過對兩個光柵區 注入電流的方式來實現大範圍的波長調諧。遊標效應使得只需要很小的有效折射率變化 就可以獲得很大的波長變化。如圖2所示，兩個光柵對準的反射峰決定了雷射器的激射波 長。以上兩類單片集成調諧雷射器都是利用光柵提供反饋，然而製作光柵的精度要求比較 高，通常需要電子束曝光等製作工藝，同時需要二次外延，因此增加了雷射器的製作難度和 成本。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是提出一種新的大範圍調諧雷射器及其調諧方法，克 服現有常見的商業可用的調諧雷射器利用光柵進行選模所存在的製作精度要求高和成本 高的缺陷。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明提出了一種新的大範圍調諧雷射器，包括光增益區、 多通道分支區以及多通道反射區；所述光增益區、多通道分支區以及多通道反射區從左到 右順序連接；
[0008] 所述光增益區，用於提供雷射器激射所需的增益；增益區前端面為雷射器的輸出 端面；
[0009] 所述多通道分支區，用於將輸入光場分成若干個輸出光場；
[0010] 所述多通道反射區，用於產生光反饋和模式選擇；它包括若干個不同長度的臂； 將這些臂按長度遞增順序排列則相鄰臂與臂之間的長度差不相等；每個臂的末端分別鍍有 增反膜；所述若干個不同長度的臂上分別設有獨立的臂相位區，這些臂相位區用於獨立調 節每個臂的相位；所述若干個不同長度臂的數量大於等於3個。
[0011] 所述大範圍調諧雷射器，還包括公共相位區，所述公共相位區連接在所述光增益 區與所述多通道分支區之間，用於調節雷射器縱模的波長。
[0012] 所述多通道分支區選擇採用多模幹涉器，Y分支，或者星形耦合器結構實現。
[0013] 所述大範圍調諧雷射器，通過所述若干個不同長度臂的幹涉增強產生一個具有窄 的主反射峰的反射譜，從而實現雷射器的單模激射。
[0014] 所述大範圍調諧雷射器設定所述若干個不同長度臂的相鄰臂的長度差，包括以下 步驟：
[0015] 嘗試調整各相鄰臂之間的長度差；
[0016] 的平均值趨於變大時，主反射峰半寬較小因而有利於抑制雷射器相鄰的縱模，但 是對其它雜亂的反射峰抑制效果會變弱；的平均值趨於變小時，對其它雜亂的反射峰抑制 效果會變強，但是主反射峰半寬增大因而不利於相鄰縱模的抑制；
[0017] 通過優化得到的理想的相鄰臂的長度差，採用該長度差確定各臂的長度，對雷射 器相鄰的縱模以及其他雜亂的反射峰同時具有合適的抑制。
[0018] 確定所述若干個不同長度臂的長度，包括以下步驟：
[0019] 先設定各個臂中某一臂的長度；
[0020] 根據所述的相鄰臂長度差，分別設定所述多通道反射區的各個臂的長度。
[0021] 一種所述大範圍調諧雷射器的調諧方法，包括以下步驟：選擇某一臂為參考臂，調 節其他臂上的臂相位區的相位，使其他各個臂的相位與參考臂在某一波長處相位相同或相 位差為2π的整數倍，這樣就調節了主反射峰的峰值波長，實現了所述雷射器激射波長的 粗調諧。
[0022] 優選的，一種優選的精細調諧方式是，調節所述參考臂的臂相位區的相位，並再次 調節其他臂上的臂相位區的相位，使其他各個臂的相位與相位調整後的所述參考臂的相位 在某一波長處相同或相位差為2π的整數倍，這樣同時調節主反射峰的峰值波長以及雷射 器的縱模波長，實現雷射器激射波長的精細調諧。
[0023] 另一種優選的精細調諧方式是，進一步調節公共相位區的相位以調節雷射器的縱 模波長，實現雷射器激射波長的精細調諧。
[0024] 所述調節每個臂上的臂相位區的相位以及公共相位區的相位，是通過調節相應相 位區的注入電流實現的。
[0025] 相較於其它商業可用的大範圍調諧雷射器，本發明提出的調諧雷射器具有以下優 佔 ·
[0026] 1、與DFB陣列雷射器和DBR型調諧雷射器相比，本發明不涉及光柵結構，不需要制 作光柵，同時每個臂上的相位可調，因此對每個臂上的初始相位不敏感，降低了對臂長度的 製作精度的要求，所以只需要普通光刻，降低了器件製作成本。
[0027] 2、反射譜是由各臂的反射疊加而成的，而不是利用光柵實現，因此每個臂受到相 位區注入電流引入的損耗的影響是相互獨立的，另外每個臂上的注入電流並不是同時最大 的，因此能夠有效地降低由注入電流引起的損耗對反射譜的影響。
[0028] 3、本發明的可調諧雷射器在進行波長調諧時每個臂上最大只需要產生π的相 移，同時每個臂上的臂相位區的長度可以很長，因此降低了對臂上的臂相位區產生相移能 力的要求；另外使用相對較長的臂相位區能夠降低注入電流的密度，減小注入電流引起的 熱效應，從而有利於提高波長調諧的速度。
[0029] 4、與調製光柵Y分支分布式布拉格反射（MGY-DBR)雷射器類似，本發明的反射結 構都在光增益區的右側，光從光增益區的左側輸出，因此輸出不會受注入電流引起的吸收 的影響，使得輸出光功率隨波長調諧能夠在較大波長變化範圍內保持穩定，從而降低了控 制的難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步具體說明。
[0031] 圖1為調諧雷射器的基本結構和工作原理。
[0032] 圖2為遊標卡尺效應說明示意圖。
[0033] 圖3為基於多通道幹涉的調諧雷射器的結構示意圖。
[0034] 圖4為相鄰臂的長度差相等時候的反射譜。
[0035] 圖5為不相等時候8個臂的情況，（a)的的平均值比（b)的大。
[0036] 圖6為基於八通道幹涉的調諧雷射器結構示意圖。
[0037] 圖7為基於八通道幹涉的調諧雷射器的縱截面圖。
[0038] 圖8為不同激射波長對應的反射譜。
[0039] 圖9 (a)為模擬得到的基於八通道幹涉的調諧雷射器在不同波長的激射譜，（b)為 不同激射波長對應的邊摸抑制比曲線圖，（C)為閾值電流隨波長變化的曲線圖。
[0040] 圖10為1550nm波長對應的L-I曲線圖，其中插圖是閾值附近的放大圖。
【具體實施方式】
[0041] 本發明的基於多通道幹涉的調諧雷射器方案如圖3所示。它包括4個部分：光增 益區1、公共相位區2、多通道分支區3以及多通道反射區4。公共相位區2在光增益區1和 多通道分支區3之間；多通道分支區3在公共相位區2和多通道反射區4之間。光增益區 1用於提供雷射激射所需的增益；公共相位區2用於調節雷射器縱模的波長；多通道分支區 3可由多模幹涉器（Multimode Interferometer, MMI)，Y分支（Y-branch)，或者星形稱合器 (Star Coupler)等結構組成，用於將輸入光場分成多個輸出光場。多通道反射區4由多個 不同長度的臂組成，每個臂上設計有一個獨立的臂相位區5,且每個臂的末端通常鍍有增反 膜6 ;臂相位區5用於調節每個臂上的相位。光增益區1前端面為雷射器的輸出端面7。
[0042] 本發明的多通道幹涉調諧雷射器的原理如下：
[0043] 光增益區右端總的復反射係數為
【權利要求】
1. 一種大範圍調諧雷射器，其特徵在於，包括光增益區、多通道分支區以及多通道反射 區；所述光增益區、多通道分支區以及多通道反射區從左到右順序連接； 所述光增益區，用於提供雷射器激射所需的增益；增益區前端面為雷射器的輸出端 面； 所述多通道分支區，用於將輸入光場分成若干個輸出光場； 所述多通道反射區，用於產生光反饋和模式選擇；它包括若干個不同長度的臂；將這 些臂按長度遞增順序排列則相鄰臂與臂之間的長度差不相等；每個臂的末端分別鍍有增反 膜；所述若干個不同長度的臂上分別設有獨立的臂相位區，這些臂相位區用於獨立調節每 個臂的相位；所述若干個不同長度臂的數量大於等於3個。
2. 根據權利要求1所述的大範圍調諧雷射器，其特徵在於，還包括公共相位區，所述公 共相位區連接在所述光增益區與所述多通道分支區之間，用於調節雷射器縱模的波長。
3. 根據權利要求1所述的大範圍調諧雷射器，其特徵在於，多通道分支區選擇採用多 模幹涉器，Y分支，或者星形耦合器結構實現。
4. 根據權利要求1至3之一所述的大範圍調諧雷射器，其特徵在於，利用所述若干個不 同長度臂的幹涉增強產生一個具有窄的主反射峰的反射譜，從而實現雷射器的單模激射。
5. 根據權利要求4所述的大範圍調諧雷射器，其特徵在於，設定所述若干個不同長度 臂的相鄰臂的長度差，包括以下步驟： 嘗試調整各相鄰臂之間的長度差； 的平均值趨於變大時，主反射峰半寬較小因而有利於抑制雷射器相鄰的縱模，但是對 其它雜亂的反射峰抑制效果會變弱；的平均值趨於變小時，對其它雜亂的反射峰抑制效果 會變強，但是主反射峰半寬增大因而不利於相鄰縱模的抑制； 通過優化得到的理想的相鄰臂的長度差，採用該長度差確定各臂的長度，對雷射器相 鄰的縱模以及其他雜亂的反射峰同時具有合適的抑制。
6. 根據權利要求5給所述的大範圍調諧雷射器，其特徵在於，確定所述若干個不同長 度臂的長度，包括以下步驟： 先設定各個臂中某一臂的長度； 根據所述的相鄰臂長度差，分別設定所述多通道反射區的各個臂的長度。
7. -種權利要求6所述的大範圍調諧雷射器的調諧方法，其特徵在於，包括以下步驟： 選擇某一臂為參考臂，調節其他臂上的臂相位區的相位，使其他各個臂的相位與參考臂在 某一波長處相位相同或相位差為2 的整數倍，這樣就調節了主反射峰的峰值波長，實現 了所述雷射器激射波長的粗調諧。
8. 根據權利要求7所述的大範圍調諧雷射器的調諧方法，其特徵在於，包括以下步驟： 調節所述參考臂的臂相位區的相位，並再次調節其他臂上的臂相位區的相位，使其他各個 臂的相位與相位調整後的所述參考臂的相位在某一波長處相同或相位差為2 的整數倍， 這樣同時調節主反射峰的峰值波長以及雷射器的縱模波長，實現雷射器激射波長的精細調 諧。
9. 根據權利要求7所述的大範圍調諧雷射器的調諧方法，其特徵在於，還包括以下步 驟：調節公共相位區的相位以調節雷射器的縱模波長，實現雷射器激射波長的精細調諧。
10. 根據權利要求7、8、9之一所述的大範圍調諧雷射器的調諧方法，其特徵在於，所述 調節每個臂上的臂相位區的相位以及公共相位區的相位，是通過調節相應相位區的注入電 流實現的。
【文檔編號】H01S5/10GK104393484SQ201410704739
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月27日 優先權日:2014年11月27日
【發明者】國偉華, 陳泉安, 陸巧銀 申請人:華中科技大學