外腔半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)熱調(diào)諧裝置及同步熱調(diào)諧方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及外腔半導(dǎo)體激光器，特別是一種外腔半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)熱調(diào)諧裝置及同步熱調(diào)諧方法。主要應(yīng)用于光通信，光傳感等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器因其獨(dú)特的其芯片化結(jié)構(gòu)，具有光電直接轉(zhuǎn)換，體積小，壽命長(zhǎng)，集成度高等優(yōu)勢(shì)，在光通信，光存儲(chǔ)，光傳感等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。但半導(dǎo)體激光器的線寬通常比較寬，例如普通DFB激光器的線寬在兆赫茲量級(jí)。大大限制了其在相干光通信，光纖傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出最成熟的方法之一是用外腔激光器，即將激光器的諧振腔延長(zhǎng)到芯片外部的無(wú)源器件中(如光柵，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具等)。普通外腔激光器能做到幾十到幾百k赫茲線寬。通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)改變光柵的入射角可以實(shí)現(xiàn)大范圍波長(zhǎng)調(diào)諧。但外腔元件數(shù)目較多(通常包含體光柵，透鏡，反射鏡及機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置等)，外腔光路較長(zhǎng)(大于Icm)，激光器的尺寸大幅增加。Thorlabs銷(xiāo)售的可調(diào)外腔激光器尺寸為250x200mm。
[0004]目前業(yè)界線寬最小最緊湊的外腔窄線寬半導(dǎo)體激光器，是美國(guó)R1公司的PLANEX系列【ACHIEVING LOW PHASE NOISE IN EXTERNAL CAVITY LASER IMPLEMENTED USINGPLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT TECHNOLOGY, US 20100303121A1] [DEVICE FABRICAT1N WITHPLANAR BRAGG GRATINGS SUPPRESSING PARASTITIC EFFECT, US8358889】。他們采用二氧化硅平面波導(dǎo)布拉格光柵和激光器芯片直接對(duì)接(butt-joint)的方式，利用短外腔和光柵斜邊負(fù)反饋原理，在14pin蝶形封裝里實(shí)現(xiàn)了 2-10kHz的窄線寬輸出。機(jī)械尺寸僅26x15mm。但其波長(zhǎng)調(diào)諧是通過(guò)加熱整個(gè)外腔激光器實(shí)現(xiàn)，調(diào)諧范圍小，約20G。
[0005]另一種14PIN蝶形封裝的小型化外腔激光器來(lái)自Emcore公司(原K2Photonics，后被Emcore收購(gòu))。他采用光纖布拉格光柵斜邊負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)了 30KHz線寬，低Ι/f噪聲，RIN〈-155db/Hz【Achieving narrow linewidth, low phase noise external cavitysemiconductor lasers through the reduct1n of I/f noise, K20ptronics, Proc.0fSPIE Vol.6133，613301 (2006)】。但也屬于定頻激光器，沒(méi)有波長(zhǎng)調(diào)諧功能。
[0006]前兩種技術(shù)都是小型化的14PIN蝶形封裝外腔半導(dǎo)體技術(shù)，但其波長(zhǎng)調(diào)諧能力非常弱，都在幾十GHz量級(jí)。要在小型化的封裝內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)窄線寬和大范圍調(diào)諧，是具有挑戰(zhàn)的。Emcore公司的窄線寬可調(diào)諧激光器可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這也是目前在相干光通信中應(yīng)用最為廣泛甚至是唯一的一款產(chǎn)品(2014年該款產(chǎn)品線被Neophotonics收購(gòu))，它基于原Intel公司外腔可調(diào)諧激光器技術(shù)【Thermally tuned external cavity laser withmicromahined silicon etalons:design, process and reliability.1n Proceedingsof ECTC, 2004.818-823】。該器件的模式選擇濾波器為兩個(gè)級(jí)聯(lián)的、由硅材料制作的法布里-泊羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)標(biāo)準(zhǔn)具，利用游標(biāo)效應(yīng)，使得只有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)峰峰值波長(zhǎng)重合的縱?？梢云鹫?，而其它的縱模被抑制。通過(guò)溫度精確控制標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)峰的峰值波長(zhǎng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)的可調(diào)諧性。該產(chǎn)品調(diào)諧范圍可覆蓋C波段或L波段，在可調(diào)諧范圍內(nèi)可對(duì)任意波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，線寬20kHz，邊模抑制比(Side mode suppress1n rat1，SMSR)55dB，Emcore公司已經(jīng)成功地將該激光器與調(diào)制器集成并推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。在此設(shè)計(jì)中沒(méi)有活動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，但是為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的精密調(diào)諧，需要對(duì)這兩個(gè)硅標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行精確的溫度控制，具有一定的難度。且在光通信中的應(yīng)用一般是波長(zhǎng)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道。若需要對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行大范圍連續(xù)調(diào)諧，則需要復(fù)雜的電路控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種外腔半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)熱調(diào)諧裝置及同步熱調(diào)諧方法。該裝置及方法可以使小型化外腔半導(dǎo)體激光器同時(shí)滿足窄線寬和大波長(zhǎng)調(diào)諧性能。且調(diào)諧機(jī)制簡(jiǎn)單，可以連續(xù)調(diào)諧。
[0008]本發(fā)明的核心思想是:通過(guò)對(duì)外腔光路的溫度敏感性的設(shè)計(jì)，使激光器的腔縱模的熱漂移與光柵反射譜的熱漂移一致。從而實(shí)現(xiàn)大范圍同步熱調(diào)諧。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0010]一種外腔半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)熱調(diào)諧裝置，其特點(diǎn)在于:包括半導(dǎo)體增益芯片、布拉格光柵和溫度控制器，沿所述的半導(dǎo)體增益芯片的激光輸出方向是所述的布拉格光柵，所述的半導(dǎo)體增益芯片和所述的布拉格光柵置于所述的溫度控制器上。
[0011]所述的布拉格光柵是光纖布拉格光柵，該光纖布拉格光柵的光纖頭上研磨錐形透鏡與所述的半導(dǎo)體增益芯片相對(duì)設(shè)置，所述的增益芯片靠近光纖布拉格光柵一端鍍減反膜，該外腔激光器諧振腔的兩個(gè)反射面由半導(dǎo)體增益芯片的外端面，即遠(yuǎn)離光柵的端面和布拉格光柵構(gòu)成，所述的布拉格光柵置于所述的熱增敏裝置上，所述的半導(dǎo)體增益芯片和所述的熱增敏裝置置于所述的溫度控制器上，所述的半導(dǎo)體增益芯片、光纖布拉格光柵、溫度控制器和熱增敏裝置封裝在在一盒體內(nèi)。
[0012]所述的布拉格光柵是娃波導(dǎo)光柵，所述的娃波導(dǎo)光柵的輸出端輸出的激光經(jīng)一聚焦透鏡耦合進(jìn)入輸出光纖，所述的所述的半導(dǎo)體增益芯片、硅波導(dǎo)光柵、溫度控制器、聚焦透鏡和輸出光纖的一端封裝在一盒體5內(nèi)。
[0013]上述的外腔半導(dǎo)體激光器的同步熱調(diào)諧方法，其特點(diǎn)在于:通過(guò)所述的溫度控制器的加溫，使激光器腔縱模的熱漂移與光柵反射譜的熱漂移速率匹配或者接近。
[0014]半導(dǎo)體增益芯片和光纖光柵之間的耦合通過(guò)在光纖頭上研磨錐形透鏡實(shí)現(xiàn)。錐形透鏡可以在很短的距離內(nèi)(小于50um)將增益芯片的出光耦合進(jìn)光纖里。
[0015]由于硅波導(dǎo)布拉格光柵和半導(dǎo)體增益芯片波導(dǎo)的模場(chǎng)大小相似(或者通過(guò)tap漸變硅波導(dǎo)設(shè)計(jì)使兩者模場(chǎng)匹配)，硅波導(dǎo)布拉格光柵和半導(dǎo)體增益芯片之間的耦合可以通過(guò)芯片直接對(duì)接實(shí)現(xiàn)。硅波導(dǎo)布拉格光柵到外部光纖的耦合可以通過(guò)分立的透鏡或者在光纖上研磨錐形透鏡實(shí)現(xiàn)。
[0016]本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是:
[0017]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)小型化封裝，如14PIN蝶形封裝。同時(shí)使用斜邊反射譜反饋方法實(shí)現(xiàn)窄線寬。通過(guò)對(duì)外腔光路的溫度敏感性的特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大范圍同步熱調(diào)諧。調(diào)諧機(jī)理簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜電路控制。可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1采用熱增敏光纖布拉格光柵的外腔半導(dǎo)體激光器裝置圖
[0019]圖2是波長(zhǎng)同步熱調(diào)諧原理說(shuō)明圖
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2采用硅波導(dǎo)布拉格光柵的外腔半導(dǎo)體激光器裝置圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明采用熱增敏光纖布拉格光柵的外腔半導(dǎo)體激光器裝置圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明外腔半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)熱調(diào)諧裝置包括半導(dǎo)體增益芯片I的出光通過(guò)光纖端面研磨的錐形透鏡6