專利名稱：一種基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，特別涉及調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸出 波長(zhǎng)的方法。
背景技術(shù)：
隨著光通信網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的.擴(kuò)展，對(duì)波長(zhǎng)數(shù)的需求越來(lái)越多，而目前光通信網(wǎng)絡(luò)用 的傳統(tǒng)光源是固定波長(zhǎng)激光器，因此需要為每個(gè)波長(zhǎng)信道匹配多個(gè)固定波長(zhǎng)的激光器， 這樣就導(dǎo)致成本上升、管理復(fù)雜化和設(shè)備數(shù)量增大?？烧{(diào)諧波長(zhǎng)激光器，不僅解決了系 統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的諸多問(wèn)題，極大提升了光網(wǎng)絡(luò)效率，還降低了生產(chǎn)管理成本。因此調(diào)諧 激光器輸出波長(zhǎng)是一個(gè)非常重要的課題。
半導(dǎo)體激光器一般采用各種Fabry-Perot諧振腔，腔長(zhǎng)、溫度、能隙、增益、載流 子濃度、折射率等均可影響其發(fā)射波長(zhǎng)?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)調(diào)諧方法可分為
(1)電流控制技術(shù)
改變半導(dǎo)體激光器注入電流可以改變其輸出波長(zhǎng)，其調(diào)諧機(jī)理可以解釋為注入電 流的變化引起載流子濃度改變，從而改變了折射率(或增益系數(shù))，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。但 是，波長(zhǎng)被調(diào)諧的同時(shí)，光強(qiáng)也被調(diào)制。對(duì)于一般的半導(dǎo)體激光器典型的波長(zhǎng)-電流調(diào) 制率為0.01nm/mA，而光功率-電流調(diào)制率為0. 3mW/mA (謝建平，王沛等；半導(dǎo)體激光 器的波長(zhǎng)調(diào)諧和波長(zhǎng)穩(wěn)定技術(shù)，《量子電子學(xué)報(bào)》2002， 19 (2) : 97)。在改變輸出 波長(zhǎng)的同時(shí)，輸出光強(qiáng)也隨之改變，這對(duì)一些應(yīng)用是非常不利的。在實(shí)際的應(yīng)用中還要 配有穩(wěn)光、穩(wěn)流電路等，使系統(tǒng)更加復(fù)雜化。
(2) 溫度控制技術(shù)
基于溫度控制技術(shù)的激光器波長(zhǎng)調(diào)諧是利用溫度控制增益介質(zhì)的折射率和能隙來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。模塊內(nèi)置有Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具和光功率探測(cè)器，兩個(gè)熱電制冷器和光放大器 (武成賓，古淵等；可調(diào)諧激光技術(shù)及在DWDM系統(tǒng)應(yīng)用[J]，《光通信技術(shù)》，2003， (6) : 1-2)。這種控制技術(shù)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜且調(diào)諧寬度不寬， 一般只有幾個(gè)nm;調(diào) 諧穩(wěn)定時(shí)間比較長(zhǎng)， 一般需要幾秒。隨著調(diào)節(jié)溫度的上升，有效輸出功率會(huì)有所下降。
(3) 機(jī)械調(diào)諧技術(shù)
采用在激光腔內(nèi)插入色散原件將不同波長(zhǎng)的激光在空間分離，設(shè)法使所需頻率的光 在腔內(nèi)形成振蕩，其他波長(zhǎng)的光束因不能起振而被抑制掉，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧。目前，采用在機(jī)械調(diào)諧中，MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))結(jié)構(gòu)是最有希望的一種技術(shù)(周 南權(quán)，陶純匡等；光柵光閥實(shí)現(xiàn)外腔半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)調(diào)諧研究，《激光與紅外》，2008， 38 (2) : 115)，可獲得大范圍調(diào)諧的激光器。目前調(diào)諧間隔在0.8nm，但調(diào)諧速度一 般需要幾秒的調(diào)諧時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題克服現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)的不足，提供一種 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉且光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便的半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)調(diào)諧方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特點(diǎn)在于-激光器輸出光入射到外部反射鏡后，被部分反饋回激光器，通過(guò)改變反饋光強(qiáng)度，使激 光器輸出光波長(zhǎng)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧，其中激光器輸出波長(zhǎng)變化量的
表達(dá)式為A2 = 2 — A=^sin(， + arCtana)，其中C表示反饋光強(qiáng)度；a為線寬因
2冗ct 義
子；r為光在外腔往返時(shí)間；義、人分別表示有、無(wú)光反饋時(shí)激光器輸出光波長(zhǎng)；C為真
空中光速。
具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1) 使激光器輸出光被一外部分光鏡分束；
(2) 分光鏡的反射光入射到反射鏡后，被部分反饋回激光器；
(3) 通過(guò)控制進(jìn)入激光腔的后向反饋光的強(qiáng)度調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)；
(4) 用光譜儀記錄不同反饋強(qiáng)度下的激光器輸出波長(zhǎng)，將光反饋強(qiáng)度與激光器輸出 波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。
所述激光器工作條件固定，即溫度、注入電流等因素都不需要改變。 所述步驟(1)中分光鏡入射角可在5-75°之間，透射比率為60-90%。 所述步驟(2)中反射鏡反射率大于95%。 所述步驟(3)中反饋光強(qiáng)度通過(guò)以下方式控制
a. 在激光器和反射鏡之間垂直于光路插入線偏振片，在垂直于光路的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn) 線偏振片的角度，改變反饋光強(qiáng)度；
b. 在激光器和反射鏡之間插入衰減強(qiáng)度漸變的中性密度濾光片或衰減片，并調(diào)節(jié) 衰減強(qiáng)度，改變反饋光強(qiáng)度；
c. 在激光器和反射鏡之間插入可變光闌，調(diào)節(jié)通光孔徑大小，改變反饋光強(qiáng)度；
d. 調(diào)節(jié)反射鏡的俯仰，使反饋光束發(fā)生傾斜，通過(guò)改變光束反饋回激光器的比率， 改變反饋光強(qiáng)度。本發(fā)明的原理是；激光器.的自混合效應(yīng)是指激光器輸'出光被外部物體反射后，又重 新回到激光器諧振腔，與腔內(nèi)光相混合后，調(diào)制激光器的輸出頻譜。這樣激光器諧振腔 就由內(nèi)腔和外腔共同組成，構(gòu)成了復(fù)合腔。Lang和Kobayashi利用復(fù)合腔模型，考慮反 饋光的影響，給出了帶外腔的半導(dǎo)體激光器速率方程，即L-K方程。通過(guò)求解該速率方 程的穩(wěn)態(tài)解，可以得到在反饋光作用下激光器的振蕩波長(zhǎng)。其波長(zhǎng)變化量表示為
M = ;i-人-^^sin(^ + arctana)，其中C表示光反饋水平(反饋光越強(qiáng)，C值越大)；
"為線寬因子；Z"為光在外腔往返時(shí)間；義、A分別表示有、無(wú)光反饋時(shí)激光器輸出光波 長(zhǎng)；c為真空中光速。由此可見(jiàn)，激光器輸出光波長(zhǎng)變化量是和外腔反饋強(qiáng)度緊密相關(guān) 的。故通改變反饋光強(qiáng)度，就實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的調(diào)諧。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)
(1) 與電流控制技術(shù)相比，本發(fā)明有效地抑制由于波長(zhǎng)調(diào)諧而伴隨產(chǎn)生的功率變 化，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧而輸出光功率相對(duì)穩(wěn)定的目的；
(2) 與溫度控制技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性好，重復(fù)性精
度高；
(3) 與其它機(jī)械調(diào)諧技術(shù)相比，本發(fā)明是在激光器外部進(jìn)行操作，簡(jiǎn)單易行，調(diào) 諧控制方便；
(4) 另外，根據(jù)本發(fā)明可以對(duì)固定波長(zhǎng)激光器進(jìn)行簡(jiǎn)單外部改裝，使其波長(zhǎng)可調(diào)， 大大降低了系統(tǒng)改裝成本，而且不會(huì)影響原有激光器的性能。


圖1為本發(fā)明的基于自混合效應(yīng)調(diào)節(jié)激光器輸出波長(zhǎng)的方法示意圖2a、圖2b、圖2c分別為3種不同反饋光強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的激光器輸出頻譜；縱坐標(biāo)
為歸一化的譜線強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的裝置由激光器l、分光鏡2、可變衰減片3、反射鏡4、光譜 儀5、探測(cè)器6、光功率計(jì)7組成。其中探測(cè)器6—般采用光電二極管或光電倍增管探 測(cè)器。
本發(fā)明方法的具體實(shí)施如下如圖1所示，激光器l采用連續(xù)半導(dǎo)體激光器，輸出 波長(zhǎng)為1060nm，由于其在不可見(jiàn)波段，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可引入一路可見(jiàn)光，作為輔助光路， 便于后續(xù)光路調(diào)節(jié)；分光鏡2為45°分光鏡，在保證反饋光強(qiáng)度可以滿足實(shí)驗(yàn)所需的情 況下，盡量增加分光鏡的透射比例，使輸出光功率盡可能大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，選取分光鏡的透射比例為60%;經(jīng)分光鏡.2的反射光入射到反射鏡4，調(diào)節(jié)反射鏡4使反饋 光為準(zhǔn)直光反饋，即反射鏡4的反射光線與入射光線完全重合，按原路反饋回激光器， 反之為非準(zhǔn)直光反饋，即反射鏡4的反射光線與入射光線完不完全重合，返回激光器的 反饋光和激光器輸出光存在一定的小夾角；在分光鏡2和反射鏡4之間插入可變衰減片 3，用來(lái)控制反饋光的強(qiáng)度。利用光譜儀5來(lái)監(jiān)測(cè)反射鏡4所透射光的波長(zhǎng)；反饋光經(jīng) 分光鏡2后，其透射光進(jìn)入探測(cè)器6，這樣就可以計(jì)算出反饋光的強(qiáng)度。在調(diào)節(jié)可變衰 減片3時(shí)，探測(cè)器6和光譜儀5就可以記錄下不同反饋光強(qiáng)度下激光器的輸出波長(zhǎng)。為 了判斷激光器輸出功率受反饋光的影響程度，利用光功率計(jì)7來(lái)檢測(cè)激光器的輸出功率， 實(shí)驗(yàn)表明激光器輸出功率受反饋光影響波動(dòng)十分微小。
實(shí)驗(yàn)中選用的激光器初始波長(zhǎng)^^1060nm，線寬因子a為6，光在外腔往返時(shí)間r為
10ns。反饋比率定義為101og (反饋回激光器功率/激光器輸出功率)，調(diào)節(jié)可變衰減片 10，在較強(qiáng)光反饋，反饋比率《-15dB時(shí)，C值約為5600，將上述參數(shù)帶入
;i-;i^^^sin(^ + arctaim)方程，可以求得;i=1064nm，實(shí)際測(cè)得激光器輸出頻譜如
圖2-l所示，與計(jì)算所得結(jié)果一致；逐漸降低反饋光強(qiáng)度，當(dāng)反饋比率^-20dB時(shí)，C值 約為1800，通過(guò)公式計(jì)算所得波長(zhǎng)1060.3nm，實(shí)測(cè)激光器輸出頻譜如圖2-2示；當(dāng)反 饋比率《-25B時(shí)，C值約為960，通過(guò)公式計(jì)算所得波長(zhǎng)1059.4nm，實(shí)測(cè)激光器輸出頻 譜如圖2-3所示。
可變衰減片調(diào)節(jié)到不同位置、對(duì)應(yīng)一定的激光器輸出波長(zhǎng)義 ，即反饋比率與激光 器輸出波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)(x —A")之后，圖1中所示的探測(cè)器6、光功率計(jì)7和光譜儀5 均可略去。只需調(diào)節(jié)反射鏡4使反饋光為準(zhǔn)直光反饋，轉(zhuǎn)動(dòng)可變衰減片3到不同位置&， 即可達(dá)到調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的目的?？梢钥闯黾す馄鞑ㄩL(zhǎng)調(diào)諧裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方 便。
上述方案中，采用的是可變衰減片來(lái)改變反饋光的強(qiáng)度。用可變光闌來(lái)替換可變衰
減片3，同樣可以達(dá)到改變反饋光強(qiáng)度的目的，可變光闌的通光孔徑越小，其光功率透
射率越低，反之光功率透射率越高，這樣就可實(shí)現(xiàn)不同大小的通光孔徑對(duì)應(yīng)不用的反饋
光強(qiáng)度，即對(duì)應(yīng)不同的輸出波長(zhǎng)。同樣，實(shí)驗(yàn)中所用激光器輸出光為線偏振光，將可變
衰減片3換成一線偏振片也可達(dá)到預(yù)期目的，若線偏振片的偏振方向和激光器輸出光偏
振方向平行，偏振片對(duì)激光的透射率最大(即反饋光強(qiáng)度最大)，若線偏振片的偏振方
向和激光器輸出光偏振方向垂直，偏振片對(duì)其透射率最小(即反饋光強(qiáng)度約為零)，因
此旋轉(zhuǎn)線偏振片，改變線偏振片的偏振方向和激光器輸出光偏振方向的夾角，就可實(shí)現(xiàn)改變反饋光強(qiáng)度的目的，從而調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)。以上方法都是在準(zhǔn)直光反饋情況下， 通過(guò)各類光學(xué)元件來(lái)改變反饋光強(qiáng)度的，若利用非準(zhǔn)直光反饋特性來(lái)調(diào)節(jié)反饋光的強(qiáng) 度，則光路中不需加入可變衰減片(可變光鬧/線偏振片)3，只需調(diào)節(jié)反射鏡4的傾角
即可實(shí)現(xiàn)反饋光強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，其原理是通過(guò)改變反饋光的傾角來(lái)控制進(jìn)入激光器的光 強(qiáng)比率，返回激光器的反饋光和激光器輸出光的夾角越小反饋強(qiáng)度越大，因此調(diào)節(jié)反射
鏡4的傾角即可實(shí)驗(yàn)控制反饋光強(qiáng)度的目的，實(shí)驗(yàn)激光器輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧。
總之，本發(fā)明提出了調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的新方法，可以有效地避免由于波長(zhǎng)調(diào)諧 而伴隨產(chǎn)生的功率較大的變化，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧而輸出光功率相對(duì)穩(wěn)定的目的。另外，本 發(fā)明可以應(yīng)用于對(duì)固定波長(zhǎng)激光器進(jìn)行外部改裝，使其波長(zhǎng)可調(diào)，簡(jiǎn)單易行，大大降低 了系統(tǒng)改裝成本。
權(quán)利要求
1、基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在于包括以下步驟(1)使激光器輸出光被一外部分光鏡分束；(2)分光鏡的反射光入射到反射鏡后，被部分反饋回激光器；(3)通過(guò)控制進(jìn)入激光腔的后向反饋光的強(qiáng)度調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)；(4)用光譜儀記錄不同反饋強(qiáng)度下的激光器輸出波長(zhǎng)，將光反饋強(qiáng)度與激光器輸出波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述激光器工作條件固定，即溫度、注入電流等因素都不需要改變。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述步驟(3)中反饋光強(qiáng)度通過(guò)以下方式控制在激光器和反射鏡之間垂直于光 路插入線偏振片，在垂直于光路的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)線偏振片的角度，改變反饋光強(qiáng)度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述步驟(3)中反饋光強(qiáng)度通過(guò)以下方式控制在激光器和反射鏡之間插入衰減 強(qiáng)度漸變的中性密度濾光片或衰減片，并調(diào)節(jié)衰減強(qiáng)度，改變反饋光強(qiáng)度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述步驟(3)中反饋光強(qiáng)度通過(guò)以下方式控制在激光器和反射鏡之間插入可變 光闌，調(diào)節(jié)通光孔徑大小，改變反饋光強(qiáng)度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述步驟(3)中反饋光強(qiáng)度通過(guò)以下方式控制調(diào)節(jié)反射鏡的俯仰，使反饋光束 發(fā)生傾斜，通過(guò)改變光束反饋回激光器的比率，改變反饋光強(qiáng)度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述步驟(1)中分光鏡入射角可在5-75°之間，透射比率為60-90%。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，其特征在 于所述步驟(2)中反射鏡反射率大于95%。
全文摘要
一種基于自混合效應(yīng)調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的方法，屬于光電工程技術(shù)領(lǐng)域。本調(diào)諧方法是通過(guò)外置反射鏡，將激光器輸出光反饋回激光器。利用半導(dǎo)體激光器的自混合效應(yīng)，通過(guò)改變反饋光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧。控制后向反饋光強(qiáng)度的方式包括在激光器和反射鏡之間插入線偏振片、衰減片、可變光闌，或者調(diào)節(jié)反射鏡的俯仰。本發(fā)明提出了調(diào)諧激光器輸出波長(zhǎng)的新方法，可以有效地避免由于波長(zhǎng)調(diào)諧而伴隨產(chǎn)生的功率較大的變化，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧而輸出光功率相對(duì)穩(wěn)定的目的。另外，本發(fā)明可以應(yīng)用于對(duì)固定波長(zhǎng)激光器進(jìn)行外部改裝，使其波長(zhǎng)可調(diào)，簡(jiǎn)單易行，大大降低了系統(tǒng)改裝成本。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101566776SQ200910082588
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者劉顯明, 曲哲超, 李斌成, 韓艷玲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所