外腔可调谐激光器及波长调谐方法与流程

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种外腔可调谐激光器及波长调谐方法。

背景技术：

可调谐窄线宽激光器在相干光通信、激光雷达、精密干涉测量、密集波分复用、气体浓度检测等领域有着广泛的应用。尤其随着通信容量的增加，相干光通信需要提供更大的带宽和传输速度，这就对激光器的线宽和调谐速度的要求越来越高。因此，对具有高调谐速度、大的波长调谐范围和窄线宽的半导体激光器的需求越来越高。

目前可调谐激光器可分为单片集成式与外腔式两大类。单片集成主要包括分布布拉格反射(dbr)、取样光栅dbr、超光栅dbr和阵列dbr等。这一类激光器的集成度高，尺寸小，调谐速度快，但是结构复杂，制作工艺难度较大，且线宽不能满足相干光通信的要求，从而限制在100gbit/s及高速相干光通信系统中的应用。外腔式激光器从结构上主要包括littman、littrow和双边式结构，由于增加外腔的缘故，这三种结构都可以在实现大范围波长调谐的同时压窄输出线宽，这种外腔激光器可以实现线宽低于100khz的波长输出。但由于使用机械结构进行调谐，因此会受到振动的影响同时调谐速度慢。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种外腔可调谐激光器及波长调谐方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于littman结构的外腔可调谐激光器，包括：

依次按顺序放置的半导体增益芯片、第一准直透镜、闪耀光栅以及与所述闪耀光栅相对的反光镜；所述半导体增益芯片、第一准直透镜以及闪耀光栅位于同一光轴上，且所述闪耀光栅的光栅平面与所述光轴存在一个大于0的夹角；其中，所述半导体增益芯片从左到右依次包括取样光栅区、调相区、增益区以及分别覆盖于所述取样光栅区、调相区、增益区上方的第一电极、第二电极以及第三电极；所述闪耀光栅和反射镜均固定于电动或者手动控制的机械结构上。

在一些实施例中，所述第一准直透镜、闪耀光栅以及反光镜组成所述基于littman结构的外腔可调谐激光器的外腔。

在一些实施例中，所述基于littman结构的外腔可调谐激光器还包括：

第二准直透镜、第三准直透镜、光纤、热沉以及半导体制冷器；所述第二准直透镜与第三准直透镜位于所述闪耀光栅衍射光的零级主极大的光路上；所述光纤位于所述第三准直透镜的耦合点位置；所述半导体增益芯片、第一准直透镜、闪耀光栅、第二准直透镜以及第三准直透镜均位于所述热沉上方，所述热沉位于所述半导体制冷器上方。

在一些实施例中，所述第二准直透镜、第三准直透镜、光纤用于将所述闪耀光栅的衍射光的零级主极大输出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述所提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，所述方法包括：

将半导体增益芯片的增益区上方的第三电极注入电流，使所述增益区发生激光激射；

所述增益区左侧射出的激光经半导体增益芯片的调相区射入半导体增益芯片的取样光栅区中被取样光栅反射，得到的反射谱为梳状谱；

所述增益区右侧出射的激光经第一准直透镜得到的平行光入射到闪耀光栅的光栅平面发生衍射，产生衍射光；

所述衍射光中的一级主极大射入反光镜的表面，通过调节所述反光镜与闪耀光栅平面的夹角，将所述衍射光的一级主极大中的预设波长反射回所述闪耀光栅，并通过所述闪耀光栅反射回所述半导体增益芯片中；

所述增益区将所述闪耀光栅反射回来的光与所述取样光栅区反射回的光的重合部分进行放大，所述重合部分的光在所述半导体增益芯片和外腔中多次振荡被放大后经第二准直透镜和第三准直透镜耦合输出到光纤中；

调整所述反光镜的反射角度或者闪耀光栅的倾斜角度，以及所述取样光栅区第一电极的注入电流，以改变所述重合部分的光的波长，对波长进行初步调谐；

调节所述调相区上方第二电极的注入电流，对波长进行进一步的调谐。

根据本发明的又一个方面，提供了一种基于littrow结构的外腔可调谐激光器，包括：

依次按顺序放置的半导体增益芯片、第一准直透镜以及闪耀光栅；所述半导体增益芯片、第一准直透镜以及闪耀光栅位于同一光轴上，且所述闪耀光栅的光栅平面与所述光轴存在一个大于0的夹角；其中，所述半导体增益芯片从左到右依次包括取样光栅区、调相区、增益区以及分别覆盖于所述取样光栅区、调相区、增益区上方的第一电极、第二电极以及第三电极；所述闪耀光栅固定于电动或者手动控制的机械结构上。

在一些实施例中，所述第一准直透镜和闪耀光栅组成所述基于littrow结构的外腔可调谐激光器的外腔。

在一些实施例中，所述基于littrow结构的外腔可调谐激光器还包括：

第二准直透镜、第三准直透镜、光纤、热沉以及半导体制冷器；所述第二准直透镜与第三准直透镜位于所述闪耀光栅衍射光的零级主极大的光路上；所述光纤位于所述第三准直透镜的耦合点位置；所述半导体增益芯片、第一准直透镜、闪耀光栅、第二准直透镜以及第三准直透镜均位于所述热沉上方，所述热沉位于所述半导体制冷器上方。

在一些实施例中，所述第二准直透镜、第三准直透镜、光纤用于将所述闪耀光栅衍射光的零级主极大输出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于littrow结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，所述方法包括：

将半导体增益芯片的增益区上方的第三电极注入电流，使所述增益区发生激光激射；

所述增益区左侧射出的激光的经半导体增益芯片的调相区进入半导体增益芯片的取样光栅区中被取样光栅被反射，得到的反射光谱为梳状谱；

所述增益区右侧出射的激光经第一准直透镜得到的平行光入射到闪耀光栅的光栅平面发生衍射，产生衍射光；

调节所述闪耀光栅光栅平面的倾斜角，将所述衍射光的一级主极大中的预设波长反射回半导体增益芯片中；

所述增益区将所述闪耀光栅反射回来的光与所述取样光栅区反射回的光的重合部分进行放大，所述重合部分的光在半导体增益芯片和外腔中多次振荡被放大后通过第二准直透镜和第三准直透镜耦合输出到光纤中；

调整所述闪耀光栅的倾斜角度，以及所述取样光栅区上方第一电极的注入电流，以改变所述重合部分的光的波长，对波长进行初步调谐；

调节所述调相区上方第二电极的注入电流，对波长进行进一步的调谐。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明外腔可调谐激光器及波长调谐方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明提供的外腔可调谐激光器及波长调谐方法，可以通过改变控制反光镜和闪耀光栅的机械结构的电压来改变反光镜的反射角度或闪耀光栅的倾斜角以及取样光栅区上方注入的电流来调谐波长，因此可以实现波长的快速调谐；

(2)本发明提供的外腔可调谐激光器及波长调谐方法，引入了取样光栅和闪耀光栅，而取样光栅的反射谱与闪耀光栅的衍射谱覆盖的波长范围很大，因此可以实现大范围的波长调谐，再结合调节调相区上方的注入电流，可以实现波长进一步的精细调谐；

(3)本发明提供的外腔可调谐激光器及波长调谐方法，通过取样光栅区和闪耀光栅的共同选模作用，根据游标效应，可以实现线宽的压窄，并且外腔的引入增加了整个谐振腔的腔长从而实现了线宽的进一步压窄；

(4)本发明提供的外腔可调谐激光器及波长调谐方法，可以通过只改变取样光栅区注入电流和闪耀光栅倾斜角中的一个条件，实现波长较小范围的调谐，避免了对控制闪耀光栅的机械结构的频繁使用，从而减少震动对激光器性能的影响；

(5)本发明提供的外腔可调谐激光器，通过将增益芯片、准直透镜、闪耀光栅放置在同一热沉上，又将热沉则放置在同一半导体制冷器上，可以实现对激光器温度的整体控制，避免温度波动对谐振腔腔长的影响，进而影响输出波长的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器的俯视图；

图2为本发明实施例提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器的主视图；

图3为本发明实施例提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法的流程图；

图4为本发明实施例提供基于littrow结构的外腔可调谐激光器的俯视图；

图5为本发明实施例提供的基于littrow结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法的流程图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-半导体增益芯片；2-第一准直透镜；3-闪耀光栅；4-反光镜；5-第二准直透镜；6-第三准直透镜；7-光纤；8-热沉；9-半导体制冷器；10-取样光栅区；11-调相区；12-增益区；13-第一电极；14-第二电极；15-第三电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于littman结构的外腔可调谐激光器，如图1和图2所示，包括：

依次按顺序放置的半导体增益芯片1、第一准直透镜2、闪耀光栅3以及与闪耀光栅3相对的反光镜4；半导体增益芯片1、第一准直透镜2以及闪耀光栅3位于同一光轴上，且闪耀光栅3的光栅平面与光轴存在一个大于0的夹角；其中，半导体增益芯片1从左到右依次包括取样光栅区10、调相区11、增益区12以及分别覆盖于所述取样光栅区10、调相区11、增益区12上方的第一电极13、第二电极14以及第三电极15；闪耀光栅3和反射镜4均固定于电动或者手动控制的机械结构上。

本发明提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器，可以通过改变控制反光镜和闪耀光栅的机械结构的电压来改变反光镜的反射角度或闪耀光栅的倾斜角以及取样光栅区上方注入的电流来调谐波长，因此可以实现波长的快速调谐，并且引入了取样光栅和闪耀光栅，而取样光栅的反射谱与闪耀光栅的衍射谱覆盖的波长范围很大，因此可以实现大范围的波长调谐，再结合调节调相区上方的注入电流，可以实现波长进一步的精细调谐。

在本实施例中，第一准直透镜2、闪耀光栅3以及反光镜4组成该可调谐激光器的外腔。

通过取样光栅区和闪耀光栅的共同选模作用，根据游标效应，可以实现线宽的压窄，再加上外腔的引入，增加了整体谐振腔的腔长，实现了对线宽的进一步压窄。

在本实施例中，该基于littman结构的外腔可调谐激光器还包括第二准直透镜5、第三准直透镜6、光纤7、热沉8以及半导体制冷器9；其中，第二准直透镜5与第三准直透镜6位于闪耀光栅3衍射光的零级主极大的光路上；光纤7位于第三准直透镜6的耦合点位置；半导体增益芯片1、第一准直透镜2、闪耀光栅3、第二准直透镜5以及第三准直透镜6均位于热沉8上方，热沉8位于半导体制冷器9上方。其中，第二准直透镜5、第三准直透6镜、光纤7用于将闪耀光栅3衍射光的零级主极大输出供用户使用。

通过将增益芯片、准直透镜、闪耀光栅放置在同一热沉上，又将热沉则放置在同一半导体制冷器上，可以实现对激光器温度的整体控制，避免温度波动对谐振腔腔长的影响，进而影响输出波长的稳定性。

在本实施例中，半导体增益芯片1的前后两端均涂有增透膜，闪耀光栅3是固定在可旋转的机械结构上，该机械结构可以是电动的也可以是手动的；反光镜4可以是固定在电动或手动机械平台上的反光镜，也可以是mems镜，其可以围绕着一个轴做一定角度的旋转。

在本实施例中，可以只改变取样光栅区注入的电流大小或者闪耀光栅的倾斜角，就可以实现波长调谐，但是相对于两者都改便而言，此种调谐只能实现相对较小范围的波长调谐，因此本发明提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器，可以通过只改变取样光栅区注入电流和闪耀光栅倾斜角中的一个条件，实现较小范围的波长调谐，避免了对控制闪耀光栅的机械结构的频繁使用，从而减少震动对激光器性能的影响。

根据上述所提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器，本发明提供了一种该外腔可调谐激光器的波长调谐方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤s1，将半导体增益芯片的增益区上方的第三电极注入电流，使增益区发生激光激射；

步骤s2，增益区左侧射出的激光的经半导体增益芯片的调相区进入半导体增益芯片的取样光栅区中被取样光栅反射，得到的反射光谱为梳状谱；

步骤s3，增益区右侧出射的激光经第一准直透镜得到的平行光入射到闪耀光栅的光栅平面发生衍射，产生衍射光；

步骤s4，衍射光中的一级主极大射入反光镜的表面，通过调节反射镜与闪耀光栅平面的夹角，将衍射光的一级主极大中的预设波长反射回闪耀光栅，并通过闪耀光栅反射回半导体增益芯片中；

步骤s5，增益区将闪耀光栅反射回来的光与取样光栅区反射回的光的重合部分进行放大，重合部分的光在半导体增益芯片和外腔中多次振荡被放大后经第二准直透镜和第三准直透镜耦合输出到光纤中；

步骤s6，调整反光镜的反射角度，以及取样光栅区上方第一电极的注入电流，以改变重合部分的光的波长，对波长进行初步调谐；

步骤s7，调节调相区上方第二电极的注入电流，对波长进行进一步的调谐。

本发明提供的基于littman结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，可以通过改变控制反光镜和闪耀光栅的机械结构的电压来改变反光镜的反射角度和闪耀光栅的倾斜角以及取样光栅区上方注入的电流来调谐波长，因此可以实现波长的快速调谐；取样光栅的反射谱与闪耀光栅的衍射谱覆盖的波长范围很大，因此可以实现大范围的波长调谐，再结合调节调相区上方的注入电流，可以实现波长进一步的精细调谐；通过取样光栅区和闪耀光栅的共同选模作用，根据游标效应，可以实现线宽的压窄，并且外腔的引入增加了整体谐振腔的腔长，实现了线宽的进一步压窄。

在本实施例中，该基于littman结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法在步骤s4之前，还包括：

衍射光中的零级主极大通过第二准直透镜和第三准直透镜的作用耦合输出到光纤中，输出供用户使用。

在步骤s4中，具体通过改变反射镜驱动电压来改变反射镜与闪耀光栅平面的夹角，选择衍射光中的一级主极大中期望的波长，反射回半导体增益芯片中。

在本实施例中，也可以只改变取样光栅区注入的电流大小或者闪耀光栅的倾斜角，就可以实现波长调谐，但是相对于两者都改便而言，此种调谐只能实现相对较小范围的波长调谐，因此本发明提供的基于littoman结构的外腔可调谐激光器波长调谐方法，可以通过只改变取样光栅区注入电流和闪耀光栅倾斜角中的一个条件，实现较小范围的波长调谐，避免了对控制闪耀光栅的机械结构的频繁使用，从而减少震动对激光器性能的影响

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于littrow结构的外腔可调谐激光器，如图4所示，包括：

依次按顺序放置的半导体增益芯片1、第一准直透镜2、闪耀光栅3；半导体增益芯片1、第一准直透镜2以及闪耀光栅3位于同一光轴上，且闪耀光栅3的光栅平面与光轴存在一个大于0的夹角；其中，半导体增益芯片1从左到右依次包括取样光栅区10、调相区11、增益区12以及分别覆盖于所述取样光栅区10、调相区1、增益区12上方的第一电极13、第二电极14以及第三电极15；闪耀光栅3固定于电动或者手动控制的机械结构上。

本发明提供的基于littrow结构的外腔可调谐激光器，可以通过改变控制反光镜和闪耀光栅的机械结构的电压来改变闪耀光栅的倾斜角以及取样光栅区上方注入的电流来调谐波长，因此可以实现波长的快速调谐，并且引入了取样光栅和闪耀光栅，而取样光栅的反射谱与闪耀光栅的衍射谱覆盖的波长范围很大，因此可以实现大范围的波长调谐，再结合调节调相区上方的注入电流，可以实现波长进一步的精细调谐。

在本实施例中，第一准直透镜2和闪耀光栅3组成该可调谐激光器的外腔。

通过取样光栅区和闪耀光栅的共同选模作用，根据游标效应，可以实现线宽的压窄，再加上外腔的引入，增加了整体谐振腔的腔长，，实现了对线宽的进一步压窄。

在本实施例中，该基于littman结构的外腔可调谐激光器还包括第二准直透镜5、第三准直透镜6、光纤7、热沉8以及半导体制冷器9；其中，第二准直透镜5与第三准直透镜6位于闪耀光栅3衍射光的零级主极大的光路上；光纤7位于第三准直透镜6的耦合点位置；半导体增益芯片1、第一准直透镜2、闪耀光栅3、第二准直透镜5以及第三准直透镜6均位于热沉8上方，热沉8位于半导体制冷器9上方；其中，第二准直透镜5、第三准直透6镜、光纤7用于将闪耀光栅3衍射光的零级主极大输出供用户使用。

通过将增益芯片、准直透镜、闪耀光栅放置在同一热沉上，又将热沉则放置在同一半导体制冷器上，可以实现对激光器温度的整体控制，避免温度波动对谐振腔腔长的影响，进而影响输出波长的稳定性。

在本实施例中，半导体增益芯片1的前后两端均涂有增透膜，闪耀光栅3是固定在可旋转的机械结构上，该机械结构可以是电动的也可以是手动的。

在本实施例中，可以只改变取样光栅区注入的电流大小或者闪耀光栅的倾斜角，就可以实现波长调谐，但是相对于两者都改便而言，此种调谐只能实现相对较小范围的波长调谐，因此本发明提供的littrow结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，可以通过只改变取样光栅区注入电流和闪耀光栅倾斜角中的一个条件，实现较小范围的波长调谐，避免了对控制闪耀光栅的机械结构的频繁使用，从而减少震动对激光器性能的影响。

根据上述所提供的基于littrow结构的外腔可调谐激光器，本发明提供了一种该外腔可调谐激光器的波长调谐方法，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤s1，将半导体增益芯片的增益区上方的第三电极注入电流，使增益区发生激光激射；

步骤s2，增益区左侧射出的激光的经半导体增益芯片的调相区进入半导体增益芯片的取样光栅区中被取样光栅反射，得到的反射光谱为梳状谱；

步骤s3，增益区右侧出射的激光经第一准直透镜得到的平行光射入闪耀光栅的表面发生衍射，产生衍射光；

步骤s4，调节闪耀光栅光栅平面的倾斜角，将衍射光的一级主极大中的预设波长反射回半导体增益芯片中；

步骤s5，增益区将闪耀光栅反射回来的光与取样光栅区反射回的光的重合部分进行放大，重合部分的光在半导体增益芯片和外腔中多次振荡被放大后通过第二准直透镜和第三准直透镜耦合输出到光纤中；

步骤s6，调整闪耀光栅的倾斜角度，以及取样光栅区上方第一电极的注入电流，以改变重合部分的光的波长，对波长进行初步调谐；

步骤s7，调节调相区上方第二电极的注入电流，对波长进行进一步的调谐。

本发明提供的基于littrow结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，可以通过改变控制闪耀光栅的机械结构的电压来改变反光镜的反射角度和闪耀光栅的倾斜角以及取样光栅区上方注入的电流来调谐波长，因此可以实现波长的快速调谐；取样光栅的反射谱与闪耀光栅的衍射谱覆盖的波长范围很大，因此可以实现大范围的波长调谐，再结合调节调相区上方的注入电流，可以实现波长进一步的精细调谐；通过取样光栅区和闪耀光栅的共同选模作用，根据游标效应，可以实现线宽的压窄，并且外腔的引入增加了整体谐振腔的腔长，实现了线宽的进一步压窄。

在本实施例中，该基于littrow结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法中步骤s3，还包括：

衍射光中的零级主极大通过第二准直透镜和第三准直透镜的作用耦合输出到光纤中，输出供用户使用。

在步骤s3中，具体通过改变闪耀光栅的光栅平面的倾斜角度，选择衍射光中的一级主极大中期望的波长，反射回半导体增益芯片中。

在本实施例中，可以只改变取样光栅区注入的电流大小或者闪耀光栅的倾斜角，就可以实现波长调谐，但是相对于两者都改便而言，此种调谐只能实现相对较小范围的波长调谐，因此本发明提供的基于littrow结构的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，可以通过只改变取样光栅区注入电流和闪耀光栅倾斜角中的一个条件，实现较小范围的波长调谐，避免了对控制闪耀光栅的机械结构的频繁使用，从而减少震动对激光器性能的影响。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。