專利名稱：復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其調(diào)諧方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
外腔半導(dǎo)體激光器是在普通半導(dǎo)體激光芯片外部引入光反饋元件構(gòu)成。隨著光纖通信的高速發(fā)展，適合于波分復(fù)用(WDM)分立信道間隔的外腔步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器成為熱點(diǎn)。
2003年3月的OFC會(huì)議上報(bào)道了利用維涅爾(Vernier)效應(yīng)，控制半導(dǎo)體本征腔模式與不同取樣光纖光柵反射峰重合得到的步進(jìn)調(diào)諧結(jié)果。它將半導(dǎo)體激光器分成增益區(qū)和相位區(qū)兩段結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)相位區(qū)電流選擇取樣光柵反射波長(zhǎng)。它的優(yōu)點(diǎn)在于利用電流調(diào)諧的方式達(dá)到步進(jìn)調(diào)諧，激光腔各元件均固定不變，保證激光器工作具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，并且相位區(qū)電流的變動(dòng)不影響激光的增益性質(zhì)。然而，取樣光纖光柵的各信道反射系數(shù)相差較大，且其達(dá)到高反射率的光譜范圍有限，因此，由取樣光纖光柵形成反饋的外腔輸出各信道的功率均衡性較差，且步進(jìn)調(diào)諧的范圍有限。
目前，外腔半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)諧的方法主要是利用Vernier效應(yīng)，控制兩個(gè)具有濾波性質(zhì)的元件得到的。一個(gè)濾波元件(如取樣光纖光柵)進(jìn)行梳狀濾波，所選擇的信道都是需要步進(jìn)調(diào)諧輸出的信道，濾波峰間隔等于輸出信道間隔；另一個(gè)濾波器(如半導(dǎo)體本征腔)濾波峰間隔與信道間隔稍有差異，改變后者的頻率選擇性質(zhì)使兩組模式的不同階次模重合而被選擇輸出，達(dá)到步進(jìn)調(diào)諧的結(jié)果。上述方法需使調(diào)諧信道間隔與所使用的濾波元件的參數(shù)要嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，比如要達(dá)到100GHz間隔的步進(jìn)調(diào)諧，所使用的半導(dǎo)體芯片光學(xué)長(zhǎng)度需要控制在1.5mm左右，而其它光學(xué)長(zhǎng)度就不行。這樣就使現(xiàn)有的許多濾波元件和半導(dǎo)體芯片不能快速的應(yīng)用。在需要不同步長(zhǎng)調(diào)諧的場(chǎng)合需要更換所有濾波元件才能應(yīng)用。而且在設(shè)計(jì)步進(jìn)調(diào)諧激光器時(shí)步長(zhǎng)大小受到元件的限制，比如對(duì)長(zhǎng)步長(zhǎng)調(diào)諧需要很短的半導(dǎo)體芯片，而芯片長(zhǎng)度太小會(huì)使激光器因?yàn)樵鲆娌粔蚨荒苷袷帯?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決已有步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器中存在的外腔輸出各信道的功率均衡性較差，步進(jìn)調(diào)諧的范圍有限以及調(diào)諧不夠靈活等問題，針對(duì)光纖通信領(lǐng)域?qū)拵Р竭M(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光光源的需要，提出一種復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其調(diào)諧方法，可容易得到大范圍且功率均衡的步進(jìn)調(diào)諧輸出；易于實(shí)現(xiàn)程控方式調(diào)諧；并具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，調(diào)諧速度快的特點(diǎn)。該方法使調(diào)諧步長(zhǎng)選擇范圍大。還可根據(jù)需要改變調(diào)諧步長(zhǎng)，使同一器件能在不同場(chǎng)合靈活運(yùn)用。
本發(fā)明提出的一種復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，包括兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片，其中一段為增益區(qū)，一段為相位調(diào)節(jié)區(qū)，構(gòu)成本征腔；半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成激光器外腔，其特征在于，在該外腔中插入一法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，該標(biāo)準(zhǔn)具的各反射面以一小角度偏離諧振腔光軸的垂直面，以消除標(biāo)準(zhǔn)具反射光對(duì)振蕩光造成的影響。
該法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具可以是單片狀的，也可以由兩個(gè)楔形鏡組成。
本發(fā)明進(jìn)一步提出一種復(fù)合外腔半導(dǎo)體激光器的步進(jìn)調(diào)諧的方法；其特征在于，由兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成本征腔，半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成外腔組成的半導(dǎo)體激光器，在該外腔中插入一法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具；設(shè)置法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射濾波選擇模式間隔的n倍等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)；半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的m倍與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異；該微小的差異根據(jù)所需調(diào)諧的最大范圍W1確定W1=Δν1·Δν2·m·n|Δν1·n-Δν2·m|,]]>式中，Δν1為法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射濾波選擇模式間隔的大小，Δν2為半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的大小；設(shè)置該外腔半導(dǎo)體激光器的外腔光學(xué)長(zhǎng)度，使調(diào)諧步長(zhǎng)是外腔的縱模間隔的g倍，使每一個(gè)可能輸出的信道都滿足外腔有效反射率最大和復(fù)合腔的諧振條件；n與m的公因數(shù)只有1，n與g的公因數(shù)也只有1；調(diào)諧步驟包括調(diào)節(jié)該半導(dǎo)體芯片相位區(qū)電流，使其本征腔縱模向長(zhǎng)波或短波方向移動(dòng)，使半導(dǎo)體本征腔的階次每隔m的不同縱模與標(biāo)準(zhǔn)具的階次每隔n的不同透射模依次重合；重合的模式具有較大的反饋并符合激光腔的相位諧振條件，相對(duì)其它模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)而形成單頻振蕩輸出；因此隨著相位區(qū)電流的改變，激光器輸出光的頻率被步進(jìn)調(diào)諧，調(diào)諧步長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔的n倍。
本發(fā)明的激光器也可利用傳統(tǒng)的Vernier效應(yīng)調(diào)諧方法。由兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成本征腔，半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成外腔組成的半導(dǎo)體激光器，在該外腔中插入一法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，該法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具為單片狀或由兩個(gè)楔形鏡組成；設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)具的透射模間隔為調(diào)諧步長(zhǎng)；半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔與標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔有微小差異，差異的大小根據(jù)所需調(diào)諧的最大范圍W2確定W2=Δν1·Δν2|Δν1-Δν2|,]]>其中Δν1為標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)的大小，Δν2為本征腔的縱模間隔的大??；調(diào)諧步驟包括調(diào)節(jié)半導(dǎo)體芯片相位區(qū)的電流，使本征腔的不同階次縱模與標(biāo)準(zhǔn)具的不同階次透射模依次重合；重合的模式具有較大的反饋并符合激光腔的相位諧振條件，相對(duì)其它模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)而形成單頻振蕩輸出；因此隨著相位區(qū)電流的改變，激光器輸出光的頻率被步進(jìn)調(diào)諧。
在本發(fā)明復(fù)合外腔半導(dǎo)體激光器中，還可通過改變標(biāo)準(zhǔn)具中兩楔形反射鏡之間的有效間距，并相應(yīng)調(diào)整外腔長(zhǎng)度后，可以改變步進(jìn)調(diào)諧的步長(zhǎng)。
當(dāng)半導(dǎo)體本征腔縱模間隔大小和法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射濾波模式間隔大小近似時(shí)，所采用的調(diào)諧方法為利用Vernier效應(yīng)的調(diào)諧方法，調(diào)諧步長(zhǎng)為法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射濾波模式間隔的大??；當(dāng)半導(dǎo)體本征腔縱模間隔大小和法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射濾波模式間隔大小相差較大時(shí)，所采用的調(diào)諧方法為本發(fā)明提出的調(diào)諧方法，調(diào)詣步長(zhǎng)為法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射濾波模式間隔大小的n倍，近似為半導(dǎo)體本征腔縱模間隔的m倍，m與n的公因數(shù)只有1。因此，在同一半導(dǎo)體芯片和各外腔元件的基礎(chǔ)上，通過改變標(biāo)準(zhǔn)具中楔形反射鏡的有效間隔及相應(yīng)調(diào)整外腔長(zhǎng)度，應(yīng)用本發(fā)明提出的步進(jìn)調(diào)諧方法，并結(jié)合利用Vernier效應(yīng)的調(diào)諧方法，可靈活實(shí)現(xiàn)不同步長(zhǎng)的步進(jìn)調(diào)諧。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)步進(jìn)調(diào)諧輸出，適合于光通信系統(tǒng)和其它需要分立信道光源的系統(tǒng)。
(2)利用電調(diào)諧方式，通過調(diào)節(jié)芯片相位區(qū)電流達(dá)到步進(jìn)調(diào)諧目的。激光器內(nèi)所有光學(xué)元件已經(jīng)調(diào)整好后就固定不動(dòng)，因此比機(jī)械調(diào)節(jié)具有好得多的穩(wěn)定性和重復(fù)性，并易于實(shí)現(xiàn)程控方式調(diào)諧，調(diào)諧速度快。
(3)法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射光為一列梳狀光譜。理想標(biāo)準(zhǔn)具的透射模譜的各峰值透射率相等且頻譜范圍無限延伸，實(shí)際其透射模譜性質(zhì)受限于有效反射面的反射率相對(duì)光譜的關(guān)系，而在反射面上鍍制平坦的寬帶反射膜比較容易。因此，相比取樣光纖光柵反饋，外腔中插入法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具容易得到大范圍且功率均衡的步進(jìn)調(diào)諧輸出。
(4)利用法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)定調(diào)諧步長(zhǎng)和各信道頻率?？梢愿鶕?jù)信道的需要，通過調(diào)整際準(zhǔn)具兩反射面之間的距離或反射面與諧振腔光軸的夾角而使調(diào)諧步長(zhǎng)和各信道頻率復(fù)合要求。
(5)利用本發(fā)明中外腔插入兩楔形鏡組成的法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)，可在不改變所用半導(dǎo)體本征芯片及外腔元件的條件下實(shí)現(xiàn)的不同步長(zhǎng)的步進(jìn)調(diào)諧輸出，使同一器件能在不同場(chǎng)合靈活運(yùn)用。
(6)本發(fā)明提出的調(diào)諧方法可選擇多種濾波元件達(dá)到相同步長(zhǎng)的步進(jìn)調(diào)諧。步長(zhǎng)大小選擇范圍比傳統(tǒng)方法大。
(7)步進(jìn)調(diào)諧只通過在單個(gè)外腔中插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明提出的步進(jìn)調(diào)諧方法的光譜分布示意圖。
圖4是利用Vernier效應(yīng)步進(jìn)調(diào)諧的光譜分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其調(diào)諧方法結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器實(shí)施例一，是在外腔半導(dǎo)體激光器的外腔中插入片狀法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，與兩段式半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成步進(jìn)調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，在半導(dǎo)體激光器外腔中插入片狀法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具13，標(biāo)準(zhǔn)具13兩反射面互相平行，與諧振腔光軸的垂面有小角度偏離(該小角度取值范圍沒有嚴(yán)格要求，只要達(dá)到消除標(biāo)準(zhǔn)具反射光對(duì)激光振蕩的影響的目的即可)。標(biāo)準(zhǔn)具兩反射面鍍反射膜，反射率T11為1＞T11＞0，本實(shí)施例的反射率為90％(也可為5％，30％，50％，80％和99％等值，反射率越高，標(biāo)準(zhǔn)具的頻率選擇性就越強(qiáng))。半導(dǎo)體激光芯片11由兩段組成，分別是增益區(qū)111和相位調(diào)節(jié)區(qū)113構(gòu)成本征腔。兩段的注入電流分別為112和114。激光輸出光通過透鏡12準(zhǔn)直。半導(dǎo)體激光芯片與外腔耦合的解理面116鍍?cè)鐾改?，反射率T12為10％＞T12＞0，本實(shí)施例的反射率為2％(也可為0.01％，0.1％，1％，10％等值。反射率越小，越有利于激光器的穩(wěn)定輸出；反射率越高，本征腔的作用越明顯)。半導(dǎo)體激光芯片的另一解理面114和反射鏡14都可以作為激光器的輸出耦合面，可以根據(jù)需要鍍部分反射膜(作為輸出耦合面)或高反射膜(不作為輸出耦合面)。
本實(shí)施例按如下方法調(diào)諧設(shè)置法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔的n倍等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)。片狀標(biāo)準(zhǔn)具13兩反射面之間的光學(xué)厚度可根據(jù)步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)的大小和選擇的n數(shù)而設(shè)定。光通信應(yīng)用中典型的步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)100GHz(也可根據(jù)需要設(shè)置步長(zhǎng)為25GHz，50GHz，200GHz，500GHz和1000GHz等值)，當(dāng)n＝2(也可設(shè)為其它值)，相應(yīng)光軸方向的標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)厚度應(yīng)為3mm。由于標(biāo)準(zhǔn)具的反射面偏離諧振腔光軸的垂直面，其間的光學(xué)厚度因此稍偏離以上各值。半導(dǎo)體本征腔縱模間隔的m倍與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異，該微小差異與最大調(diào)諧范圍W1的關(guān)系為W1=Δν1·Δν2·m·n|Δν1·n-Δν2·m|,]]>式中，Δν1為法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射濾波選擇模式間隔的大小，Δν2為半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的大小。本實(shí)施例中半導(dǎo)體本征腔縱模間隔為35GHz(相應(yīng)半導(dǎo)體本征腔的光學(xué)長(zhǎng)度約為4.29mm)，m＝3，則上述微小差異為5GHz，相應(yīng)最大步進(jìn)調(diào)諧范圍是2100GHz。如果所需調(diào)諧范圍為其它值，可以通過改變半導(dǎo)體工作溫度或電流，或者改變芯片長(zhǎng)度的方法變化上述微小差異。半導(dǎo)體芯片11的光學(xué)長(zhǎng)度的設(shè)置根據(jù)調(diào)諧步長(zhǎng)和m的取值而不同，m可設(shè)為其它與n互質(zhì)的整數(shù)。半導(dǎo)體芯片的增益區(qū)111和相位調(diào)節(jié)區(qū)113各自的光學(xué)長(zhǎng)度以保證激光芯片有足夠的增益長(zhǎng)度并且單程相位調(diào)節(jié)范圍大于π即可。外腔的光學(xué)長(zhǎng)度設(shè)置使步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)為外腔縱模間隔的g倍，本實(shí)施例中g(shù)＝9，外腔的光學(xué)長(zhǎng)度為13.5mm，g也可取其它與n互質(zhì)的整數(shù)，外腔光學(xué)長(zhǎng)度根據(jù)需要可設(shè)置幾毫米到幾米長(zhǎng)。
本實(shí)施例的步進(jìn)調(diào)諧中各模式分布如圖3，圖中，外腔縱模分布如31，外腔光學(xué)長(zhǎng)度的設(shè)置使調(diào)諧步長(zhǎng)是外腔的縱模間隔的g倍，g＝9，g也可取其它整數(shù)，但與n的公因數(shù)只有1。標(biāo)準(zhǔn)具透射模式分布如32。標(biāo)準(zhǔn)具透射模間隔的n倍等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)，n＝2，n也可為1，3，4或更大得整數(shù)。本征腔的縱模分布如331和332。本征腔縱模間隔的m倍與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異，m＝3，m也可取其它數(shù)，但與n的公因數(shù)只有1。
半導(dǎo)體本征腔的初始縱模分布為331，其與標(biāo)準(zhǔn)具透射模重合的模式為341。重合的模式具有較大的反饋并符合激光腔的相位諧振條件，相對(duì)其它模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)而形成激光器的單頻振蕩輸出。調(diào)節(jié)半導(dǎo)體芯片相位區(qū)的電流，使本征腔的縱模分布從331變化為332，本征腔縱模與標(biāo)準(zhǔn)具透射模的重合模式從341跳變到342，激光器輸出模式也從341跳變到342。隨著電流調(diào)諧的進(jìn)行，重合模式將在標(biāo)準(zhǔn)具每隔n階次的透射模式間跳變。因此隨著相位區(qū)電流的改變，激光器輸出光的頻率被步進(jìn)調(diào)諧。
由于半導(dǎo)體激光芯片加工長(zhǎng)度的限制，m取值越大，越限制短步長(zhǎng)的調(diào)諧。而對(duì)于較大的調(diào)諧步長(zhǎng)，可通過取較大的m獲得。因此相對(duì)Vernier效應(yīng)調(diào)諧方法，本方法可獲得更大的調(diào)諧步長(zhǎng)。如對(duì)于1000GHz的步長(zhǎng)，取m＝5，半導(dǎo)體芯片11的光學(xué)長(zhǎng)度可取在0.75mm附近。
實(shí)施例一的復(fù)合外腔也可按Vernier方式調(diào)諧設(shè)置法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)。光通信應(yīng)用中典型的步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)100GHz(也可根據(jù)需要設(shè)置步長(zhǎng)為25GHz，50GHz和200GHz等值)，相應(yīng)光軸方向的標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)厚度應(yīng)為1.5mm。由于標(biāo)準(zhǔn)具的反射面偏離諧振腔光軸的垂直面，其間的光學(xué)厚度因此稍偏離以上各值。半導(dǎo)體本征腔縱模間隔與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異，該微小差異與最大調(diào)諧范圍W2的關(guān)系為W2=Δν1·Δν2|Δν1-Δν2|,]]>式中，Δν1為法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射濾波選擇模式間隔的大小，Δν2為半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的大小。本實(shí)施例中半導(dǎo)體本征腔縱模間隔為105GHz(半導(dǎo)體本征腔的光學(xué)長(zhǎng)度約為1.58mm)，則上述微小差異為5GHz，相應(yīng)最大步進(jìn)調(diào)諧范圍是2100GHz。如果所需調(diào)諧范圍為其它值，可以通過改變半導(dǎo)體工作溫度或電流，或者改變芯片長(zhǎng)度的方法變化上述微小差異。采用此調(diào)諧方法時(shí)需要注意由于增益的需要，半導(dǎo)體芯片的長(zhǎng)度不能過短，因此限制步長(zhǎng)在200GHz以上的步進(jìn)調(diào)諧。外腔的光學(xué)長(zhǎng)度設(shè)置使步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)為外腔縱模間隔的g倍，本實(shí)施例中g(shù)＝6，外腔的光學(xué)長(zhǎng)度為9mm，g也可取其它整數(shù)，外腔光學(xué)長(zhǎng)度根據(jù)需要可設(shè)置幾毫米到幾米長(zhǎng)。
按Vernier方式步進(jìn)調(diào)諧中各模式分布如圖4。圖中，外腔縱模分布如41。外腔光學(xué)長(zhǎng)度的設(shè)置使調(diào)諧步長(zhǎng)是外腔的縱模間隔的g倍，g＝6，g也可取其它整數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)具透射模式分布如42。標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)。本征腔的縱模分布如431和432。本征腔縱模間隔與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異。
半導(dǎo)體本征腔的初始縱模分布為431，其與標(biāo)準(zhǔn)具透射模重合的模式為441。重合的模式具有較大的反饋并符合激光腔的相位諧振條件，相對(duì)其它模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)而形成激光器的單頻振蕩輸出。調(diào)節(jié)半導(dǎo)體芯片相位區(qū)的電流，使本征腔的縱模分布從431變化為432，本征腔縱模中與標(biāo)準(zhǔn)具透射模重合模式從441跳變到442，激光器輸出模式也從441跳變到442。隨著電流調(diào)諧的進(jìn)行，重合模式將在標(biāo)準(zhǔn)具每隔n階次的透射模式間跳變。因此隨著相位區(qū)電流的改變，激光器輸出光的頻率被步進(jìn)調(diào)諧。
本發(fā)明的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器實(shí)施例二，是外腔中插入兩個(gè)楔形鏡組成的法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，與兩段式半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成步進(jìn)調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，在半導(dǎo)體激光器外腔中插入法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具23由兩個(gè)楔形反射鏡組成，其中相對(duì)的兩個(gè)反射面231互相平行，鍍寬帶反射膜，反射率T21為1＞T21＞0，本實(shí)施例的反射率為90％(也可為4％，30％，50％，80％和99％等值，反射率越高，標(biāo)準(zhǔn)具的頻率選擇性就越強(qiáng))。標(biāo)準(zhǔn)具另外兩個(gè)反射面232可以鍍?cè)鐾改?，以降低諧振腔損耗。反射面231和232與諧振腔光軸的垂面有小角度偏離，以消除標(biāo)準(zhǔn)具反射光對(duì)激光振蕩的影響。半導(dǎo)體激光芯片21由兩段組成，分別是增益區(qū)211和相位調(diào)節(jié)區(qū)213。兩段的注入電流分別為212和214。激光輸出光用透鏡22準(zhǔn)直。半導(dǎo)體激光芯片對(duì)應(yīng)外腔的解理面216鍍?cè)鐾改?，反射率T22為10％＞T22＞0，本實(shí)施例的反射率為2％(也可為0.01％，0.1％，1％，10％等值，反射率越小，越有利于激光器的穩(wěn)定輸出；反射率越高，本征腔的作用越明顯)。半導(dǎo)體激光芯片的另一解理面214和反射鏡24都可以作為激光器的輸出耦合面，可以根據(jù)需要鍍部分反射膜(作為輸出耦合面)或高反射膜(不作為輸出耦合面)。
所述復(fù)合外腔可按實(shí)施例一中的兩種方法調(diào)諧，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)厚度為兩楔形反射鏡之間間隙的光學(xué)厚度。
本實(shí)施例中通過改變兩楔形反射鏡之間的距離，可靈活改變步進(jìn)調(diào)諧的步長(zhǎng)。兩段式半導(dǎo)體芯片的本征腔模式間隔與100GHz有微小差異。當(dāng)調(diào)諧步長(zhǎng)要求是100GHz時(shí)，設(shè)置法步里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的兩反射面231之間的有效間距，使其透過模式間隔為100GHz，透過模式為所要求信道。設(shè)置外腔長(zhǎng)度使外腔模式間隔的g倍為100GHz，g＝8(g也可為其它整數(shù))。此時(shí)改變半導(dǎo)體芯片相位調(diào)節(jié)區(qū)電流，通過Vernier效應(yīng)可達(dá)到100GHz的步進(jìn)調(diào)諧，與實(shí)施例一中的第二種調(diào)諧方式相同。當(dāng)調(diào)諧步長(zhǎng)改變?yōu)?00GHz時(shí)，半導(dǎo)體芯片不變(m＝2)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具兩反射面231的間隔，使其透射模間隔的3倍(n＝3)為200GHz，透過模中包含所需輸出的信道。此時(shí)外腔模式間隔的16倍為200GHz，g＝16，g與n的公因數(shù)只有1，則不需調(diào)整外腔；調(diào)諧通過改變半導(dǎo)體芯片相位區(qū)電流得到，與實(shí)施例一中第一種步進(jìn)調(diào)諧方式相同。當(dāng)調(diào)諧步長(zhǎng)改變?yōu)?00GHz時(shí)，半導(dǎo)體芯片不變(m＝3)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具兩反射面231的間隔，使其透射模間隔的2倍(n＝2)為300GHz。此時(shí)外腔模式間隔的24倍為300GHz，g＝24，g與n的公因數(shù)不只有1，則需調(diào)整外腔光學(xué)長(zhǎng)度，設(shè)其調(diào)整到g＝23，則與n的公因數(shù)只有1。也可設(shè)置其它n、m和g值，只要保證步進(jìn)調(diào)諧方法實(shí)施例一中所述的互質(zhì)條件即可。調(diào)諧通過改變半導(dǎo)體芯片相位區(qū)電流得到，與實(shí)施例一中第一種步進(jìn)調(diào)諧方式相同。同理，利用相同元件可達(dá)到其它步長(zhǎng)近似于半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔整數(shù)倍的步進(jìn)調(diào)諧。以上實(shí)施例適用于半導(dǎo)體芯片本征模間隔為其它值，如在25GHz，50Ghz及200GHz附近的情況。因此，相比利用Vernier效應(yīng)的其它步進(jìn)調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器方法，本發(fā)明的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器可使同一器件靈活應(yīng)用在需要不同步長(zhǎng)的調(diào)諧激光光源的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，包括兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片，其中一段為增益區(qū)，一段為相位調(diào)節(jié)區(qū)，構(gòu)成本征腔；半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成激光器外腔，其特征在于，在該外腔中插入一法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，該標(biāo)準(zhǔn)具的各反射面以一小角度偏離諧振腔光軸的垂直面，以消除標(biāo)準(zhǔn)具反射光對(duì)振蕩光造成的影響。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于，該法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具為單片狀或由兩個(gè)楔形鏡組成。
3.一種復(fù)合外腔半導(dǎo)體激光器的電流步進(jìn)調(diào)諧方法，其特征在于，由兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成本征腔，半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成外腔組成的半導(dǎo)體激光器，在該外腔中插入一法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具；設(shè)置法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射濾波選擇模式間隔的n倍等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)；半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的m倍與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異；該微小的差異根據(jù)所需調(diào)諧的最大范圍W1確定W1=Δν1·Δν2·m·n|Δν1·n-Δν2·m|,]]>式中，Δν1為法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透割濾波選擇模式間隔的大小，Δν2為半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的大小；設(shè)置該外腔半導(dǎo)體激光器的外腔光學(xué)長(zhǎng)度，使調(diào)諧步長(zhǎng)是外腔的縱模間隔的g倍，使每一個(gè)可能輸出的信道都滿足外腔有效反射率最大和復(fù)合腔的諧振條件；n與m的公因數(shù)只有1，n與g的公因數(shù)也只有1；調(diào)諧步驟包括調(diào)節(jié)該半導(dǎo)體芯片相位區(qū)電流，使其本征腔縱模向長(zhǎng)波或短波方向移動(dòng)，使半導(dǎo)體本征腔的階次每隔m的不同縱模與標(biāo)準(zhǔn)具的階次每隔n的不同透射模依次重合；重合的模式具有較大的反饋并符合激光腔的相位諧振條件，相對(duì)其它模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)而形成單頻振蕩輸出；因此隨著相位區(qū)電流的改變，激光器輸出光的頻率被步進(jìn)調(diào)諧，調(diào)諧步長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔的n倍。
4.一種復(fù)合外腔半導(dǎo)體激光器的電流步進(jìn)調(diào)諧方法，其特征在于，由兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成本征腔，半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成外腔組成的半導(dǎo)體激光器，在該外腔中插入一法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，該法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具為單片狀或由兩個(gè)楔形鏡組成；設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)具的透射模間隔為調(diào)諧步長(zhǎng)；半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔與標(biāo)準(zhǔn)具透射模式間隔有微小差異，差異的大小根據(jù)所需調(diào)諧的最大范圍W2確定W2=Δν1·Δν2|Δν1-Δν2|,]]>其中Δν1為標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)的大小，Δν2為本征腔的縱模間隔的大??；調(diào)諧步驟包括調(diào)節(jié)半導(dǎo)體芯片相位區(qū)的電流，使本征腔的不同階次縱模與標(biāo)準(zhǔn)具的不間階次透射模依次重合；重合的模式具有較大的反饋并符合激光腔的相位諧振條件，相對(duì)其它模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)而形成單頻振蕩輸出；因此隨著相位區(qū)電流的改變，激光器輸出光的頻率被步進(jìn)調(diào)諧。
5.一種如權(quán)利要求3或4所述的復(fù)合外腔半導(dǎo)體激光器的電流步進(jìn)調(diào)諧方法，其特征在于，該法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具由兩個(gè)楔形鏡組成的法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具；調(diào)諧步驟還包括根據(jù)不同場(chǎng)合的需要改變兩個(gè)楔形鏡之間的間距及調(diào)整外腔的光學(xué)長(zhǎng)度，使調(diào)諧步長(zhǎng)隨之改變。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及復(fù)合外腔電流步進(jìn)調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其調(diào)諧方法。該激光器包括兩段式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片構(gòu)成本征腔；半導(dǎo)體激光芯片一端解理面鍍?cè)鐾改げ⑴c其相對(duì)設(shè)置的一反射鏡構(gòu)成激光器外腔，在該外腔中插入—法布里－玻羅標(biāo)準(zhǔn)具，該標(biāo)準(zhǔn)具的各反射面以一小角度偏離諧振腔光軸的垂直面。該方法設(shè)置法布里－玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射濾波選擇模式間隔的n倍等于步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)；半導(dǎo)體芯片本征腔縱模間隔的m倍與步進(jìn)調(diào)諧步長(zhǎng)有微小的差異；該微小的差異根據(jù)所需調(diào)諧的最大范圍W
文檔編號(hào)H01S5/00GK1472852SQ0314679
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者馬克瑛, 張漢一, 鄭小平, 騰翔, 李艷和, 趙玲娟 申請(qǐng)人:清華大學(xué)