專(zhuān)利名稱(chēng)：一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體激光器，尤其是涉及一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào) 諧半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
在干涉測(cè)量、光譜學(xué)、光通信等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，都希望能得到一個(gè)覆蓋寬 光譜范圍的無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)激光源。激光器一般通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔的光學(xué)性質(zhì)來(lái) 改變其輸出波長(zhǎng)，而當(dāng)諧振腔光學(xué)特性連續(xù)調(diào)諧時(shí)激光器的激發(fā)模式有時(shí)會(huì)由 一個(gè)波長(zhǎng)突然跳躍到另一個(gè)波長(zhǎng)，這就是所說(shuō)的跳模。以波長(zhǎng)掃描干涉測(cè)量法 為例，跳模對(duì)于距離測(cè)量的空間分辨率，位置精確度以及其他依賴(lài)于距離/深度 的特性都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，當(dāng)波長(zhǎng)受到一個(gè)波長(zhǎng) 選擇因素的影響被調(diào)諧時(shí)，必須使諧振腔的光程長(zhǎng)度也被同步調(diào)節(jié)。以外腔可 調(diào)激光器為例，當(dāng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)衍射光柵對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)使它產(chǎn)生空 間位移以保證總腔長(zhǎng)中包含相同的波長(zhǎng)數(shù)。
同由多個(gè)分立元件裝配而成的外腔可調(diào)激光器相比，單片集成半導(dǎo)體可調(diào) 激光器具有更多優(yōu)點(diǎn)。它結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，而且更可靠，因?yàn)樗鼪](méi)有任何可 移動(dòng)部件。 一個(gè)常規(guī)的單片集成可調(diào)激光器通常包括一個(gè)多電極結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú) 跳模調(diào)諧。圖1是個(gè)已有技術(shù)的實(shí)例， 一個(gè)半導(dǎo)體可調(diào)激光器由一個(gè)布拉格分
布反射(DBR)光柵(波長(zhǎng)調(diào)諧元件)， 一個(gè)有源增益區(qū)(產(chǎn)生激光)， 一個(gè)相移 區(qū)(調(diào)節(jié)光學(xué)腔長(zhǎng))組成。用于電控的電極被沉積到這三部分的頂部。當(dāng)DBR 光柵的反射峰值波長(zhǎng)被輸入電流或負(fù)載電壓調(diào)節(jié)時(shí)，為了防止隨波長(zhǎng)改變發(fā)生 跳模，必須同時(shí)調(diào)整相移區(qū)。因此，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模波長(zhǎng)調(diào)諧，就需要兩個(gè)控 制電路。對(duì)兩個(gè)控制單元的同步要求使得設(shè)備的復(fù)雜性和成本都有所增加，并 且由于激光器使用年限或者環(huán)境條件等因素的影響要保持同步是非常困難的。
在很多應(yīng)用領(lǐng)域，還需要激光波長(zhǎng)被調(diào)諧以使其能覆蓋兩個(gè)或更多的波段， 或者能使其同時(shí)發(fā)射多個(gè)波長(zhǎng)的光波。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一個(gè)單片集成半導(dǎo)體激光器，它可以通過(guò)單電 極控制就能實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模波長(zhǎng)調(diào)諧。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是方案一 一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器包括由波導(dǎo)端面和 波長(zhǎng)色散衍射光柵組成的光學(xué)腔、置于光學(xué)腔一側(cè)提供增益的一個(gè)有源波導(dǎo)、 置于光學(xué)腔另一側(cè)作為濾波器選擇發(fā)射激光波長(zhǎng)的波長(zhǎng)色散衍射光柵，有源波 導(dǎo)和波長(zhǎng)色散衍射光柵之間由平板波導(dǎo)區(qū)和波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)組成，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)被夾 在一對(duì)電極之間。
由有源波導(dǎo)發(fā)出并入射到波長(zhǎng)色散衍射光柵上兩個(gè)不同位置的任意兩條光 路將沿著各自的直線橫穿波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的形狀和尺寸使任意兩條直 線在波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差與總光程差的比值是一個(gè)常數(shù)y，該常數(shù)y同光路 通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制器區(qū)部分的往返光程與在光學(xué)腔內(nèi)往返總光程的比值相等。
所述的波長(zhǎng)色散衍射光柵是閃耀光柵。
當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)在平板波導(dǎo)區(qū)的左邊時(shí)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的一端為波導(dǎo)的末端0， 另一邊的邊界為曲線MB，曲線MB由公式Alp二Y ALp決定，其中^=^-&， 0點(diǎn)為波導(dǎo)的端點(diǎn)，A是光柵曲線上離波導(dǎo)的端點(diǎn)O點(diǎn)最近的點(diǎn)，M是0A連線上 的任一點(diǎn)，P是光柵上的任意給定點(diǎn)；a/,宛-■，宛表示沿^方向由0點(diǎn)到波 長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)邊界曲線的距離，^表示沿S方向由0點(diǎn)到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)邊界曲線的 距離；Y是一個(gè)常數(shù)，是波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差與光學(xué)腔內(nèi)總光程差的比值， 同時(shí)，各參數(shù)需滿足關(guān)系式"A(/-而)="(^^-^i )。
當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)在平板波導(dǎo)區(qū)的右邊時(shí)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的一端為光柵面曲線， 另一邊的邊界為曲線MB，曲線MB由公式Alp=YALp ，其中ax,^-^， 0 點(diǎn)為波導(dǎo)的端點(diǎn)，A是光柵曲線上離波導(dǎo)的端點(diǎn)O點(diǎn)最近的點(diǎn)，M是OA連線上 的任一點(diǎn)，P是光柵上的任意給定點(diǎn)；a/,^—，，巧表示沿&方向由P點(diǎn)到波 長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)邊界曲線的距離，^表示沿^方向由A點(diǎn)到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)邊界曲線的距 離；Y是一個(gè)常數(shù)，是波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差與光學(xué)腔內(nèi)總光程差的比值。同 時(shí)，各參數(shù)需滿足關(guān)系式w。、(/-i) = (I^z-^/)。
方案二 一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器包括部分反射面、 同部分反射面相結(jié)合的一個(gè)有源波導(dǎo)作為公共波導(dǎo)、同部分反射面組合形成一 個(gè)光學(xué)腔的一組高反射面陣列、與一組高反射面中的任意一個(gè)相結(jié)合并在被泵 浦時(shí)為各自所在的光學(xué)腔提供增益的一組有源波導(dǎo)陣列； 一組有源波導(dǎo)陣列 中的每一個(gè)有源波導(dǎo)對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的光波段， 一個(gè)用于接收由一組有源波導(dǎo)陣 列發(fā)射的一束光，把光束輸出到作為公共波導(dǎo)的有源波導(dǎo)中并作為濾波器選擇 某一波段內(nèi)的一個(gè)激射波長(zhǎng)的波長(zhǎng)色散衍射光柵；有源波導(dǎo)和波長(zhǎng)色散衍射光 柵之間由波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)和平板波導(dǎo)區(qū)組成；波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)被夾在一對(duì)電極之間。波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的形狀使激射波長(zhǎng)被調(diào)節(jié)時(shí)光學(xué)腔長(zhǎng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)從而達(dá)到無(wú) 跳模輸出；由一組有源波導(dǎo)陣列中的任意一個(gè)波導(dǎo)發(fā)出并入射到波長(zhǎng)色散衍射 光柵上兩個(gè)不同位置的任意兩條光路將沿著各自的直線橫穿波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)，波長(zhǎng) 調(diào)諧區(qū)的形狀和尺寸使這任意兩條直線在波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差與總光程差的 比值是一個(gè)常數(shù)，其中的常數(shù)與光路通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)部分的往返光程與在光學(xué) 腔內(nèi)往返總光程的比值相等。
作為公共波導(dǎo)的一個(gè)有源波導(dǎo)和一組有源波導(dǎo)陣列被設(shè)定在特定位置，以 使波長(zhǎng)色散衍射光柵在這些位置上的后向衍射效率最小化，同時(shí)使由作為公共 波導(dǎo)的一個(gè)有源波導(dǎo)和一組有源波導(dǎo)陣列所共同組成的諧振腔中的波長(zhǎng)衍射效 率最大化。
方案三 一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器包括由波導(dǎo)端面和 波長(zhǎng)色散衍射光柵組成的光學(xué)腔、置于光學(xué)腔一側(cè)提供增益的一組有源波導(dǎo)陣 列、置于光學(xué)腔另一側(cè)作為濾波器選擇發(fā)射激光波長(zhǎng)的波長(zhǎng)色散衍射光柵，有 源波導(dǎo)和波長(zhǎng)色散衍射光柵之間由平板波導(dǎo)區(qū)和波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)組成，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū) 被夾在一對(duì)電極之間。
波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的形狀使激射波長(zhǎng)被調(diào)節(jié)時(shí)光學(xué)腔長(zhǎng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)從而達(dá)到無(wú) 跳模輸出；由一組有源波導(dǎo)陣列中的任意一個(gè)波導(dǎo)發(fā)出并入射到波長(zhǎng)色散衍射 光柵上兩個(gè)不同位置的任意兩條光路將沿著各自的直線橫穿波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)，波長(zhǎng) 調(diào)諧區(qū)的形狀和尺寸使這任意兩條直線在波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差與總光程差的 比值是一個(gè)常數(shù)，其中的常數(shù)與光路通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)部分的往返光程與在光學(xué) 腔內(nèi)往返總光程的比值相等。
本實(shí)用新型與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是
本實(shí)用新型公開(kāi)了一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。該激光 器可實(shí)現(xiàn)出射激光的無(wú)跳模連續(xù)調(diào)諧。該激光器具有一個(gè)特定形狀和尺寸的波 長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)，該區(qū)域夾在一對(duì)電極之間，通過(guò)一種電效應(yīng)改變?cè)搮^(qū)域的有效折射 率從而調(diào)節(jié)光柵濾波器的波長(zhǎng)，同時(shí)調(diào)節(jié)光學(xué)腔的長(zhǎng)度，使得激光模式波長(zhǎng)的 調(diào)節(jié)與光柵濾波器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)同步，從而通過(guò)單電極控制就能實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模連續(xù) 調(diào)諧。另外，本實(shí)用新型還可用于多波段集成可調(diào)諧激光器以及多波長(zhǎng)可調(diào)諧 激光器陣列。

圖1是背景技術(shù)的半導(dǎo)體可調(diào)激光器。
圖2是背景技術(shù)的基于集成閃耀光柵的波長(zhǎng)解復(fù)用器。圖3是本實(shí)用新型的集成可調(diào)諧激光器的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3中0C處截面剖視圖。
圖5是一個(gè)光柵濾波器光譜響應(yīng)示意圖(a)以及諧振腔Fabry-Perot模式的 示意圖(b)。
圖6是本實(shí)用新型的集成可調(diào)諧激光器的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是本實(shí)用新型的集成可調(diào)諧激光器的第三種結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是一個(gè)基于本實(shí)用新型的具有多個(gè)輸出波段的集成可調(diào)諧激光器示意圖。
圖9是sine狀衍射包絡(luò)函數(shù)、工作波長(zhǎng)的特定位置以及需要被抑制的寄生 波長(zhǎng)位置的示意圖。
圖10是基于本實(shí)用新型的一個(gè)集成可調(diào)諧激光器陣列示意圖。 圖中I、 DBR光柵，II、有源增益區(qū)，in、相移區(qū)，Gl、公共波導(dǎo)，G2、 有源波導(dǎo)陣列，1、有源波導(dǎo)，2、波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)，3、平板波導(dǎo)區(qū)，4、閃耀光柵， 5、上包層，6、芯層，7、緩沖層，8、基底，9、下電極，10、上電極，11、輸 出波導(dǎo)，12、輸入波導(dǎo)，13、閃耀光柵，14、單模光纖。
具體實(shí)施方式

同常規(guī)的使用DBR或者DFR (分布反饋)光柵選擇工作波長(zhǎng)的激光器不同， 本實(shí)用新型的器件是基于波長(zhǎng)色散衍射光柵進(jìn)行波長(zhǎng)選擇的，例如閃耀光柵、 陣列波導(dǎo)光柵。目前波導(dǎo)衍射光柵技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以作為波長(zhǎng)(解)復(fù) 用器被很好的應(yīng)用于光通信的DW腿系統(tǒng)中。
圖2就是一個(gè)典型的基于集成衍射光柵的波長(zhǎng)解復(fù)用器的示意圖，它包括 一個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)陣列和一個(gè)閃耀光柵。不同波長(zhǎng)的輸入光信號(hào)被光纖14耦 合到解復(fù)用器的輸入波導(dǎo)12中，在輸入波導(dǎo)的另一端，當(dāng)光進(jìn)入平板波導(dǎo)的時(shí) 候?qū)l(fā)散，入射到刻蝕閃耀光柵13然后再被光柵反射回平板波導(dǎo)中。根據(jù)光柵 的曲率反射光線將被會(huì)聚到輸出波導(dǎo)ll的入口。由于衍射光柵的色散特性，不 同波長(zhǎng)的光信號(hào)被會(huì)聚到不同的輸出波導(dǎo)11。對(duì)于一個(gè)給定的輸出波導(dǎo)，被選 定的光信號(hào)波長(zhǎng)取決于平板波導(dǎo)的有效折射率以及光柵的幾何參量。
圖3是一個(gè)本實(shí)用新型的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器。它由以下幾部分組成 一個(gè) 有源波導(dǎo)1 (增益區(qū))， 一個(gè)閃耀光柵4 (波長(zhǎng)選擇) 一個(gè)平板波導(dǎo)區(qū)3以及一 個(gè)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2。諧振腔由波導(dǎo)端面M和閃耀光柵組成。
圖4是圖3中平板波導(dǎo)區(qū)3和波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的截面圖。平板波導(dǎo)由緩沖層7、 芯層6、上包層5三部分組成并沉積在基底上。上電極10被沉積到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的頂部?；?的底部沉積了金屬下電極9。電極能夠通過(guò)一定的方式改變波導(dǎo)
的折射率，例如向平板波導(dǎo)注入電流或者提供一個(gè)可控的電場(chǎng)。
波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2具有一個(gè)基于以下設(shè)計(jì)方法的特定結(jié)構(gòu)，它的一端為有源波導(dǎo)1 的終點(diǎn)0，它另一面的邊界曲線AB (圖3)取決于公式Alp =Y ALp ，其中 A^=&-&， 0點(diǎn)為有源波導(dǎo)1的端點(diǎn)，A是閃耀光柵4曲線上離0點(diǎn)最近的 點(diǎn)，P是閃耀光柵4上的任意給定點(diǎn)；"^=宛-S， ^表示沿^方向由0點(diǎn) 到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2邊界曲線的距離；Y是一個(gè)常數(shù)，它決定了波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的形 狀，并且為了實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模調(diào)諧，該常數(shù)必須滿足一定的條件。下面將看到關(guān)于 這些條件的細(xì)節(jié)描述。
由0點(diǎn)出射并能經(jīng)過(guò)閃耀光柵4反射返回0點(diǎn)的光波波長(zhǎng)必須滿足以下條件: A 0= t [wA丄p+ A/p] = 2附giV;r........................(i)
其中AO是光在閃耀光柵刻面的A點(diǎn)和P點(diǎn)發(fā)生反射時(shí)的相位差，A為真 空中的波長(zhǎng)，nig是光柵的衍射級(jí)次，N是點(diǎn)A與點(diǎn)P之間的光柵周期數(shù)，n和nt分 別表示平板波導(dǎo)區(qū)3和波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的折射率。
圖5可以看到波導(dǎo)具有一個(gè)高斯?fàn)畹哪?chǎng)輪廓。閃耀光柵4和有源波導(dǎo)1 組成一個(gè)光譜濾波器，它具有一個(gè)特定寬度的光譜相應(yīng)。光譜濾波器函數(shù)的通 頻帶可能包括諧振腔的多個(gè)Fabry-Perot模(圖5)。假設(shè)通頻帶外的實(shí)際增益 是相當(dāng)?shù)偷模敲醇す獾牟ㄩL(zhǎng)將由通頻帶中損耗最低的Fabry-Perot模決定。 在由波導(dǎo)端面M和閃耀光柵組成的諧振腔中的Farby-Perot模的波長(zhǎng)由下式?jīng)Q 定
斗；r
7 [w"丄"+ "丄+ (", — ") /]二2m^;r...........................(2)
義
na， L,是有源波導(dǎo)1的折射率和長(zhǎng)度，L是有源波導(dǎo)1的端點(diǎn)0到光柵的中心 C之間的距離，1是0C位于波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2內(nèi)的部分的長(zhǎng)度(/ = ^)，斷是一個(gè) 與Fabry-Perot模數(shù)相對(duì)應(yīng)的整數(shù)。
當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的有效折射率受電流或電壓影響而發(fā)生改變時(shí)，閃耀光柵4 的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)以及Farby-Perot模的波長(zhǎng)都將被調(diào)節(jié)。為了避免跳模，這兩 個(gè)波長(zhǎng)必須以相同的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由公式(1)進(jìn)行推導(dǎo)可以得到閃耀光柵4頻 譜的調(diào)諧率
M = ^_.......................................(3)其中A"-AL,。同理由公式(2)可以得到Farby-Perot模的調(diào)諧率
M =__ .................................(4)
A 。丄。+ "丄+ ("廣")/
由公式(3)(4)的右邊相等，可以得到
為了實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模工作，這個(gè)條件決定了圖3中波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的形狀。就是 說(shuō)，當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的有效折射率受到電流或外加電場(chǎng)的影響而發(fā)上改變時(shí)， Farby-Perot模和閃耀光柵4光譜響應(yīng)將同步改變。
另外，C點(diǎn)也在閃耀光柵4面上，因此在C點(diǎn)同樣滿足△ lp = Y A Lp ，即y = ，
將其帶入(5)可得"。丄。(/-= ....................................(6〉
由此可知當(dāng)閃耀光柵4和有源波導(dǎo)1的各參數(shù)確定時(shí)，可根據(jù)該公式求得1 的值，進(jìn)而求得Y 。
以上討論的為波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2邊界曲線上端點(diǎn)與光柵頂點(diǎn)A重合的情況，下
面討論一般情況。
如圖6所示波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的邊界曲線上端點(diǎn)為0A上的任一點(diǎn)M。此情況下 以上各等式仍然成立，不過(guò)這里的A/p-^-^，即兩條光路在波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2內(nèi)
的波長(zhǎng)差，其它各參數(shù)定義與以上各式相同，因此可得到與以上相同的Y表達(dá) 式(5)。另夕卜，由于C點(diǎn)也在閃耀光柵4面上，因此在C點(diǎn)同樣滿足Alp = Y ALp ，
而此時(shí)y-lz^，將其帶入公式(5)可得
"。丄。(/-517) = "(5^.1-51./).................................(7)
比較(6)、 (7)式可知，(6)式即為(7)式在M點(diǎn)與A點(diǎn)重合時(shí)的特殊情況， (7)式為M為OA上任一點(diǎn)情況下的一般表達(dá)式，對(duì)于任意情況下，只需各參數(shù)滿足上式即可確定波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的形狀及尺寸。
以上討論的為波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2在平板波導(dǎo)區(qū)3左邊的情況，同樣波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2 也可以放在右邊，如圖7所示波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2在平板波導(dǎo)區(qū)3的右邊。在這種情 況下以上各式仍然成立，不同的是這里的A/^^巧-1，仍為兩條光路在波長(zhǎng)調(diào) 諧區(qū)2內(nèi)的波長(zhǎng)差。/ = ^，為0C在波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2內(nèi)的部分。其它各參數(shù)定義 與以上各式相同，因此可以得到相同的Y表達(dá)式(5)。另外，由于C點(diǎn)也在閃
耀光柵4面上，因此在C點(diǎn)同樣滿足Alp=Y ALp ，而此時(shí)/ = ^4￡，將其帶 入公式(5)可得
"。4(7-^^"(^-丄-^./)....................................(8)
當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2在平板波導(dǎo)區(qū)3右邊時(shí)，只需各參數(shù)滿足公式(8)即可確 定波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2的形狀及尺寸。
由公式(3)可以看到，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍可近似表示為^^^。這樣將會(huì)的
到一個(gè)偏大的Y值，為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍的最大化，需要一個(gè)與之相應(yīng)的偏 大的波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2長(zhǎng)度。波長(zhǎng)調(diào)諧范圍可以近似表示為M。^i^并且小
于Ant/nt。由于可達(dá)到的折射率變化在反偏置電光效應(yīng)時(shí)大約在O. 1%左右，而 在電流注入的情況下大概是1%左右，因此無(wú)跳模調(diào)諧的范圍一般是一納米至幾 納米。
要覆蓋更寬的波長(zhǎng)范圍或更多波段，可以通過(guò)多個(gè)有源波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 8所示。對(duì)于一個(gè)給定的波長(zhǎng)，陣列中的一個(gè)與之相應(yīng)有源波導(dǎo)1將被泵浦.設(shè) 有源波導(dǎo)陣列的中央波導(dǎo)為G2，而有源波導(dǎo)Gl是所有波段的公共波導(dǎo),它總是 被泵浦。諧振腔由部分反射面M1和高反射面M2組成。輸出光被部分反射面M1 耦合到一根光纖中?？梢酝ㄟ^(guò)切換波導(dǎo)陣列中被泵浦的有源波導(dǎo)來(lái)改變輸出波 段。波段的中心波長(zhǎng)同給定的陣列中央有源波導(dǎo)G2相對(duì)應(yīng)，可表示為 h"A(sii^ + sii^2)/附g，其中A表示閃耀光柵4周期，6,和02是有源波導(dǎo)G1，G2同閃耀光柵4曲線中心C點(diǎn)處的法線的夾角(所有的有源波導(dǎo)都對(duì)準(zhǔn)閃耀光 柵4中心C)。
當(dāng)有源波導(dǎo)Gl和以G2為中心的一個(gè)有源波導(dǎo)陣列中的有源波導(dǎo)被泵浦時(shí)，
還可能產(chǎn)生其他的出射激光波長(zhǎng)，這是因?yàn)檫€存在其他的諧振腔 一個(gè)由部分
反射面M1和閃耀光柵4組成，另一個(gè)由高反射面M2和閃耀光柵組成。這些諧 振腔產(chǎn)生的波長(zhǎng)可由以下公式分別得到;i^2"Asii^/ ，；L2s2"ASin《2/^。為了 防止多波長(zhǎng)同時(shí)出射，必須要注意解復(fù)用器的設(shè)計(jì)。公共有源波導(dǎo)G1的末端Ol 必須同有源波導(dǎo)陣列隔離開(kāi)。當(dāng)它們的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)有源波導(dǎo)1材料在波長(zhǎng) 入1}"的增益將比波長(zhǎng)A的增益低得多。而A的增益非常接近材料中心工作 波段的增益峰值。此外，光柵面被閃耀，從而使公共有源波導(dǎo)G1至有源波導(dǎo)陣 列的中心有源波導(dǎo)G2的傳輸最大化。單個(gè)光柵面的衍射特性決定了衍射的包絡(luò) 曲線為sine狀曲線，當(dāng)對(duì)閃耀光柵4的衍射級(jí)次即光柵面的幾何尺寸進(jìn)行最優(yōu) 化之后，能夠使、，"接近曲線上強(qiáng)度最小的區(qū)域，同時(shí)使入接近曲線峰值， 如圖9所示。
對(duì)于某些特定應(yīng)用，有時(shí)需要多個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)出射。這同樣可以利用圖8的 結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需要同時(shí)泵浦兩個(gè)或更多的有源波導(dǎo)陣列中的有源波導(dǎo)即可。 多個(gè)波長(zhǎng)可以在各自波段內(nèi)被同時(shí)調(diào)諧。以光通信為例，假如多個(gè)波長(zhǎng)的激光 需要被分別直接調(diào)諧，那么多個(gè)激光的公共波導(dǎo)G1應(yīng)該是無(wú)源的或者是具有最 低泵浦(以及增益)的，以使不同的激光經(jīng)交叉增益調(diào)制后產(chǎn)生的串?dāng)_最小。
如圖10所示，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行一點(diǎn)小的修改，當(dāng)前發(fā)明的器件還能夠被改進(jìn)為 一個(gè)可調(diào)諧激光器陣列，每個(gè)激光器發(fā)射一個(gè)不同波段的光波。與圖8中各個(gè) 波長(zhǎng)的激光都在部分反射面Ml處被耦合到同一根光纖中不同，圖10中的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)需要把各激發(fā)波長(zhǎng)耦合到多個(gè)不同的光纖中。將光柵面的閃耀角最優(yōu)化可 使中央有源波導(dǎo)發(fā)射的光被閃耀光柵4反射后能夠再返回到原波導(dǎo)中。由于各 個(gè)激光器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)是由相同的波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)2實(shí)現(xiàn)的，因此它們是嚴(yán)格同步的。
利用當(dāng)前的發(fā)明思想，還有很多其他的具體器件可以被實(shí)現(xiàn)，例如可以使 用陣列波導(dǎo)光柵取代閃耀光柵。
權(quán)利要求1. 一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于包括由波導(dǎo)端面(M)和波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)組成的光學(xué)腔、置于光學(xué)腔一側(cè)提供增益的一個(gè)有源波導(dǎo)(1)、置于光學(xué)腔另一側(cè)作為濾波器選擇發(fā)射激光波長(zhǎng)的波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)，有源波導(dǎo)和波長(zhǎng)色散衍射光柵之間由平板波導(dǎo)區(qū)(3)和波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)組成，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)被夾在一對(duì)電極之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于由有源波導(dǎo)(1)發(fā)出并入射到波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)上兩個(gè)不同位置的任意兩條光路將沿著各自的直線橫穿波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)的形 狀和尺寸使任意兩條直線在波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)內(nèi)的光程差與總光程差的比值是一 個(gè)常數(shù)y，該常數(shù)y同光路通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制器區(qū)(2)部分的往返光程與在光學(xué)腔內(nèi)往返總光程的比值相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)是閃耀光柵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器， 其特征在于當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)在平板波導(dǎo)區(qū)(3)的左邊時(shí)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)的一 端為波導(dǎo)的末端0，另一邊的邊界為曲線MB，曲線MB由公式A/p^yAZ^決定， 其中AIp:^-^i， 0點(diǎn)為波導(dǎo)的端點(diǎn)，A是光柵曲線上離波導(dǎo)的端點(diǎn)O點(diǎn)最近 的點(diǎn)，M是OA連線上的任一點(diǎn)，P是光柵上的任意給定點(diǎn)；A/p=^-^， ^表 示沿^方向由0點(diǎn)到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)邊界曲線的距離，5F表示沿&方向由0 點(diǎn)到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)邊界曲線的距離；y是一個(gè)常數(shù)，是波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差 與光學(xué)腔內(nèi)總光程差的比值，各參數(shù)需滿足關(guān)系式"。z。(/-^) = W^.z-^i-/)。
5. 根據(jù)權(quán)利要1所述的一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器， 其特征在于當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)在平板波導(dǎo)區(qū)(3)的右邊時(shí)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)的一 端為光柵面_^_線，另一邊的邊界為曲線MB，曲線MB由公式A/^二;kA^ ，其中 ALp=^-&， 0點(diǎn)為波導(dǎo)的端點(diǎn)，A是光柵曲線上離波導(dǎo)的端點(diǎn)O點(diǎn)最近的 點(diǎn)，M是OA連線上的任一點(diǎn)，P是光柵上的任意給定點(diǎn)；A/p=^_:^，巧表 示沿^方向由P點(diǎn)到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)邊界曲線的距離，i表示沿&方向由A 點(diǎn)到波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)邊界曲線的距離；y是一個(gè)常數(shù)，是波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)內(nèi)的光程差 與光學(xué)腔內(nèi)總光程差的比值，各參數(shù)需滿足關(guān)系式",。(/-= ^i力。
6. —種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于包括部分 反射面(Ml)、同部分反射面(Ml)相結(jié)合的一個(gè)有源波導(dǎo)(l)作為公共波導(dǎo)、同部分反射面(Ml)組合形成一個(gè)光學(xué)腔的一組高反射面(M2)陣列、與一組 高反射面(M2)相結(jié)合并在被泵浦時(shí)為各自所在的光學(xué)腔提供增益的一組有源 波導(dǎo)(1)陣列； 一組有源波導(dǎo)(1)陣列中的每一個(gè)有源波導(dǎo)U)對(duì)應(yīng)一個(gè)相 應(yīng)的光波段， 一個(gè)用于接收由一組有源波導(dǎo)(1)陣列發(fā)射的一束光，把光束輸 出到作為公共波導(dǎo)的有源波導(dǎo)(1)并作為濾波器選擇某一波段內(nèi)一個(gè)激射波長(zhǎng) 的波長(zhǎng)色散衍射光柵(4);有源波導(dǎo)(1)和波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)之間由波 長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)和平板波導(dǎo)區(qū)(3)組成；波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)被夾在一對(duì)電極之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一個(gè)單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的形狀使激射波長(zhǎng)被調(diào)節(jié)時(shí)光學(xué)腔長(zhǎng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)從而達(dá)到無(wú)跳模輸出；由一組有源波導(dǎo)(1)陣列中的任意一個(gè)波導(dǎo)發(fā)出并入射到 波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)上兩個(gè)不同位置的任意兩條光路將沿著各自的直線橫穿 波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)的形狀和尺寸使這任意兩條直線在波長(zhǎng)調(diào)諧 區(qū)內(nèi)的光程差與總光程差的比值是一個(gè)常數(shù)，其中的常數(shù)與光路通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)諧 區(qū)部分的往返光程與在光學(xué)腔內(nèi)往返總光程的比值相等。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一個(gè)單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器， 其特征在于作為公共波導(dǎo)的一個(gè)有源波導(dǎo)(1)和一組有源波導(dǎo)(1)陣列被 設(shè)定在特定位置，以使波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)在這些位置上的后向衍射效率最 小化，同時(shí)使由作為公共波導(dǎo)的一個(gè)有源波導(dǎo)(1)和一組有源波導(dǎo)(1)陣列 所共同組成的諧振腔中的波長(zhǎng)衍射效率最大化。
9. 一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其特征在于包括由波 導(dǎo)端面(M)和波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)組成的光學(xué)腔、置于光學(xué)腔一側(cè)提供增益 的一組有源波導(dǎo)(l)陣列、置于光學(xué)腔另一側(cè)作為濾波器選擇發(fā)射激光波長(zhǎng)的波 長(zhǎng)色散衍射光柵(4)有源波導(dǎo)和波長(zhǎng)色散衍射光柵之間由平板波導(dǎo)區(qū)(3)和波長(zhǎng) 調(diào)諧區(qū)(2)組成，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)被夾在一對(duì)電極之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一個(gè)單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器， 其特征在于波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的形狀使激射波長(zhǎng)被調(diào)節(jié)時(shí)光學(xué)腔長(zhǎng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)從 而達(dá)到無(wú)跳模輸出；由一組有源波導(dǎo)(1)陣列中的任意一個(gè)波導(dǎo)發(fā)出并入射到 波長(zhǎng)色散衍射光柵(4)上兩個(gè)不同位置的任意兩條光路將沿著各自的直線橫穿 波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)(2)的形狀和尺寸使這任意兩條直線在波長(zhǎng)調(diào)諧 區(qū)內(nèi)的光程差與總光程差的比值是一個(gè)常數(shù)，其中的常數(shù)與光路通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)諧 區(qū)部分的往返光程與在光學(xué)腔內(nèi)往返總光程的比值相等。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種單片集成無(wú)跳模波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。包括由波導(dǎo)端面和波長(zhǎng)色散衍射光柵組成的光學(xué)腔、置于光學(xué)腔一側(cè)提供增益的一個(gè)有源波導(dǎo)、置于光學(xué)腔另一側(cè)作為濾波器選擇發(fā)射激光波長(zhǎng)的波長(zhǎng)色散衍射光柵，有源波導(dǎo)和波長(zhǎng)色散衍射光柵之間由平板波導(dǎo)區(qū)和波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)組成，波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)被夾在一對(duì)電極之間。通過(guò)一種電效應(yīng)改變波長(zhǎng)調(diào)諧區(qū)的有效折射率從而調(diào)節(jié)光柵濾波器的波長(zhǎng)，同時(shí)調(diào)節(jié)光學(xué)腔的長(zhǎng)度，使得激光模式波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)與光柵濾波器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)同步，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模連續(xù)調(diào)諧。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可用于多波段集成可調(diào)激光器以及多波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器陣列。
文檔編號(hào)H01S5/026GK201298660SQ20082016810
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者何建軍, 亮 韓 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)