输出波长可控的激光器的制作方法

本发明涉及一种能够输出不同波长的激光器。

背景技术：

激光器是通过放大受激发射产生的电磁辐射来发出光的设备。基础的激光器可以由增益区段和反射镜形成，增益区段用于通过受激发射产生光，反射镜形成用于反射和放大产生的光的谐振腔。一些激光器是波长可调谐的，这种激光器可能具备两种电输入。第一输入用于提供确定光功率的控制电流或电压，第二输入用于提供确定光波长的控制电流或电压。

目前有多种不同方法用于实现具有较宽调谐范围(例如，大约40nm波长范围)的可调谐激光器，包括超结构光栅分布式布拉格反射器(distributedbraggreflector，dbr)激光器等设备。这些激光器需要一对具有多个反射波峰的复合光栅，以通过游标机制实现调谐，从而克服简单光栅dbr激光器(通常波长范围为大约10nm)有限的范围。这需要复合设备表征和控制。另一可能性是结合波导合路器以及输出半导体光放大器(semiconductoropticalamplifier，soa)使用一批独立驱动的dbr激光器。所述soa用来解决合路器损耗。所产生的设备具有大量电触点，因此控制和制造过程复杂。有本(arimoto)等人的“具有有源分布式布拉格反射器的波长可调的短腔dbr激光器阵列(wavelength-tunableshort-cavitydbrlaserarraywithactivedistributedbraggreflector)”(见《光波技术杂志(journaloflightwavetechnology)》24卷，11期，第4366-4371页)描述了此类设备的实例。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种改进的激光器。

前述和其它目标通过独立权利要求的特征实现。另外的实施形式通过从属权利要求、说明书以及图式显而易见。

根据第一方面，提供一种激光器，其包含增益区段和多个光栅。每个光栅耦合到所述增益区段，以形成能够产生特定波长光的对应光谐振腔。所述激光器还包含开关，所述开关用于选择所述多个光栅的其中一个，从而由所述增益区段和所述选择的光栅形成的光谐振腔产生所述激光器的光输出。这提供能在不同波长之间调谐且具有简单程度的调谐控制的激光器。

每个光栅可以形成能够产生在对应波长范围内波长可调节的光的光谐振腔。由此提供在波长范围内可调谐而不受限于离散波长的激光器。

每个光谐振腔对应的波长范围可以不同于其他光谐振腔的波长范围。这使所述激光器能产生相比于只有单个光栅可获得的更宽波长范围内的光。

所述激光器可以包含单个输入，所述单个输入用于控制在由所述多个光栅形成的所有光谐振腔产生其对应波长范围内的光时所处的波长。这能降低电子控制装置所需的电平，也可降低所需的调谐功率。

所述激光器可以配置为：当所述开关处于第一开关状态时，在由所述增益区段和所述第一开关状态选择的光栅形成的光谐振腔内行进的光相长干涉，由此所述选择的光栅促使产生所述激光器的光输出。在所述增益区段和未被选择的光栅之间形成的对应光谐振腔中行进的光可以相消干涉，由此所述未被选择的光栅不促使产生所述激光器的光输出。这提供用于选择一个特定光栅来提供所述激光器的光输出的有效技术，同时控制所述激光器的输出波长。

所述激光器可以配置为：当所述开关从所述第一开关状态改变为第二开关状态时，所述多个光栅中不同的一个光栅被选择，在由所述增益区段和所述新选择的光栅形成的光谐振腔内行进的光相长干涉，由此所述新选择的光栅促使产生所述激光器的光输出。在由所述增益区段和所述第一开关状态选择的光栅形成的光谐振腔内行进的光可以相消干涉，由此所述第一开关状态选择的光栅不再促使产生所述激光器的光输出。这提供用于从一个光栅改变为另一个光栅的有效技术。还使所述激光器的输出波长能从一个波长改变为另一波长。

所述激光器可以包含第一分光器，其连接到两个所述光栅。所述激光器可以包含第一路径和第二路径，其均连接到所述第一分光器，用于承载所述增益区段和所述两个光栅之间的光。所述激光器还可以包含第二分光器，其连接到所述第一、第二路径和所述增益区段。所述第一路径和第二路径中的至少一条路径可以用于相对于所述路径中的另一条路径承载的光改变其自身承载的光的相位，使得在所述增益区段和其中一个光栅之间行进的光退出所述第一和第二路径时，来自所述第一路径的光和来自所述第二路径的光之间的相位差不同于所述光进入所述第一和第二路径时的相位差。这种结构提供用于实现已在不同路径上行进的光之间的相长干涉和相消干涉的机制。

第一路径和第二路径的其中一条路径可以长于另一条路径，因而所述路径能够相对于另一条路径承载的光改变其自身承载的光的相位。这提供用于引入已行进通过两条路径的光之间的相位差的简单机制。

第一路径和第二路径的其中一条路径可以包含由所述开关控制的电光调制器，因而所述路径能够相对于另一条路径承载的光改变其自身承载的光的相位。这提供用于控制已行进通过两条路径的光之间的相位差的机制。

所述电光调制器可以配置为：当第一电压施加至所述开关时，(i)所述增益区段和所述两个光栅的其中一个之间的第一路径承载的光和(ii)所述增益区段和所述两个光栅的所述其中一个之间的第二路径承载的光之间的相位差使得光在退出第一和第二路径时相消干涉，从而所述光栅不促使产生所述激光器的光输出。这提供用于取消选择光栅的其中一个从而使所述光栅的光谐振腔能够产生的光的波长不出现在激光器输出中的机制。

所述电光调制器可以配置为：当第二电压施加至所述开关时，(i)所述增益区段和所述两个光栅的其中一个之间的第一路径承载的光和(ii)所述增益区段和所述两个光栅的所述其中一个之间的第二路径承载的光之间的相位差使得光在退出第一和第二路径时相长干涉，由此所述光栅促使产生所述激光器的光输出。这提供用于选择光栅的其中一个从而使所述光栅的光谐振腔能够产生的光的波长形成所述激光器输出的机制。

第一和第二路径的其中一条路径可以长于另一条路径，且第一和第二路径中的另一条路径可以包含电光调制器。因此，当零电压施加至所述开关时，所述第一和第二路径之间的长度差可以使得在所述增益区段和所述两个光栅中的第一个光栅之间行进的光在退出所述第一和第二路径时相消干涉，在所述增益区段和所述两个光栅中的第二个光栅之间行进的光在退出所述第一和第二路径时相长干涉。当非零电压施加至所述开关时，所述电光调制器可以用于使在所述增益区段和所述两个光栅中的所述第一个光栅之间行进的光在退出所述第一和第二路径时相长干涉，在所述增益区段和所述两个光栅中的所述第二个光栅之间行进的光在退出所述第一和第二路径时相消干涉。由此在零电压施加至所述开关时，所述激光器能够选择两个光栅的其中一个促使所述激光器的光输出。这能降低所需的调谐功率，因为开关仅针对一半所需的波长调谐范围需要供电。

所述激光器可以包含超过两个光栅。其可以配置为嵌套式布置，其中每个光栅通过对应的路线穿过所述嵌套式布置连接至所述增益区段。所述嵌套式布置可以具有多个层级，每个层级包含：第一分光器，其用于接收来自一对对应的光栅的光输入；第一路径和第二路径，其各自连接至所述第一分光器；以及第二分光器，其连接至所述第一、第二路径和一个输出路径。每个层级可以包含开关，其用于选择所述一对对应的光栅中的一个，从而只有所述选择的光栅促使通过所述输出路径的光输出。可以重复所述嵌套式布置直到阵列的层级包含单个第二分离器和单个输出路径，所述单个输出路径连接至所述增益区段。这种布置提供具有更宽波长范围的激光器。

所述激光器可以包含由所述开关控制的马赫-森德干涉仪。这能提供激光器的简单实施方式。

所述分光器可以是以下各项中的一个或多个：多模干涉(multi-modeinterference，mmi)结构、定向耦合器、y型分光器以及星形耦合器。任意一种都能提供用于指引光在所述激光结构中沿不同路径向下的合适结构。

附图说明

现将参考附图通过示例的方式对本发明进行描述。附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的激光器实例；

图2示出了根据本发明的实施例的具有两个光栅的激光器实例；

图3绘示了两个实例光栅的波长相对于调谐电流的变化；

图4示出了根据本发明的实施例的具有四个光栅的激光器实例。

具体实施方式

图1示出激光器的实例。所述激光器概括地用100表示。所述激光器包括增益区段101和多个光栅102。图1中绘示出两个光栅，但激光器可包括任意数目的光栅(会随以下所描述的一些具体实施例变得显而易见)。光栅耦合到增益区段。增益区段与每个对应的光栅的耦合形成光谐振腔。在图1所示的实例中，由增益区段101和光栅103的组合形成一个光谐振腔，由增益区段101和光栅104的组合形成另一个光谐振腔。每个光栅具有确定的波长或频宽，因而每个光谐振腔能够产生波长与其对应的光栅的确定波长或频宽相对应的光。因此，由增益区段101和光栅103组合形成的光谐振腔能够产生波长与由增益区段101和光栅104组合形成的光谐振腔产生的光的波长不相同的光。

激光器100还包括开关105，用于选择所述多个光栅的其中一个。由增益区段和选择的光栅形成的光谐振腔产生激光器的光输出，使得激光器输出的光的波长通过开关控制。具体而言，开关使得激光器输出的光的波长由与一个光谐振腔相关的波长改变至与另一个光谐振腔相关的波长。

开关105可以有两个开关状态。一个开关状态选择光栅103，另一个开关状态选择光栅104。所述开关可以有两个或更多开关状态。在一个开关状态下，行进穿过其中一个光谐振腔的光相长干涉，而另一光谐振腔内行进的光相消干涉。在另一个开关状态下情况与之相反。光在其中相长干涉的光谐振腔促使产生激光器的光输出。光在其中相消干涉的光谐振腔不促使产生激光器的光输出。所以，将开关从一个开关状态切换至另一个开关状态具有改变促使激光器的光输出的光栅的效果，继而控制光输出的波长。

在一个实施例中，每个光栅可以与特定的波长相关，从而导致可选择波长的激光器，亦即能够在多个离散波长之间进行选择的激光器。在另一个实施例中，光栅可在确定的波长范围或频宽内可调谐，从而形成波长可调谐激光器。

图2中示出波长可调谐激光器的实例。概括地用200表示的所述波长可调谐激光器具有两个光栅207、206。每个光栅207、206具有确定的波长范围。所述激光器包含往返腔相位控制器202，用于在光栅206/207被调谐时帮助稳定激光器呈所需的激光模式。在优选的实施方式中，不同光栅的波长范围彼此一致或重叠，从而使得激光器能够在持续、延伸的波长范围内输出光。如图3所绘示，图3示出了光栅1(207)和光栅2(208)的波长相对于调谐电流曲线的实例。曲线图表明每个光栅具有确定的波长范围，如线条301、302所示。这两个波长范围略微重叠，使得包含两个光栅的激光器200能够产生持续频率范围大约在1570nm至1541nm的光。如果需要某一输出波长，只需选择合适的光栅，并提供合适的电流输入。

在一个实施方式中，可通过单个输入调谐多个光栅。如图2中控制输入205表示。输入用于控制多个光栅中每个光栅输出的波长。输入可以是例如单个控制加热器或电流源。使用加热器可能优于使用电流源，因为使用加热器可以同步控制多个密集排布的光栅，不需要增加加热器功率。

激光器200还具有增益区段201。所述光栅和增益区段通过第一分光器204，第二分光器203以及第一、第二路径209、210物理耦合到一起。分光器可以用于指引光沿两条路径向下。换言之，光可以在增益区段201和光栅1(207)之间通过第一路径210和第二路径209行进。类似地，光可以在增益区段201和光栅2(208)之间通过第一路径210和第二路径209行进。因此，由增益区段和光栅1组合形成的光谐振腔包含两条路径和两个分光器，由增益区段和光栅2组合形成的光谐振腔与之一样。其中一条路径可以用于相对于在另一路径行进的光影响在其中行进的光的部分属性。一个可以更改的属性是相位。

任一路径都可以实现相位-更改属性。在图2的实例中，直接通过数字相位控制装置206更改相位。所述数字相位控制装置可以由图1的激光器中的开关105控制或实现所述开关105。在一个实施方式中，数字相位控制装置可以是用于更改相位的电光调制器(如加热器)，但也可以使用任何合适的组件。所述数字相位控制装置可以用于相对于第二路径209承载的光而改变第一路径210承载的光的相位，其效果在于使得在增益区段和对应的光栅(207、208)之间行进的光退出第一和第二路径时的相位差不同于所述光在进入这两条路径时的相位差。换言之，在一条路径上行进的并且与在另一条路径上行进的光不匹配的光发生相位更改。这种相位差影响退出两条路径的光，使其相长干涉或相消干涉，具有以下效果：选择光栅207、206其中一个来促使激光器的光输出，而由于两条路径之间的相位差使得在另一光栅对应的光谐振腔内行进的光相消干涉，所以另一光栅不促使激光器的光输出。

通常，如果路径长度相同，则50％的光耦合到每个光栅。如果相位控制器在两条路径中的上部路径210中，则调节数字相位控制装置将所述路径的相位/路径长度增加90°会选择上部光栅207。将相位增加至180°则再次为每个光栅分到50％的光。再次将相位增加至270°则会选择下部光栅206。

实现两个路径的相位-更改属性的另一方法是使一条路径永远比另一条路径长。光在一条路径上行进的较长距离使得与在较短路径行进的光不匹配的相位发生更改。这种不对称的路径布置可以与直接相位控制器共同实现，如数字相位控制装置206。两条路径长度永久性略有偏差能使得在直接相位控制器没有供电时也可以选择一个光栅。即使施加零电压至相位控制器，两条路径之间的物理长度差也可以使在一个光谐振腔内行进的光相消干涉，在另一光谐振腔内行进的光相长干涉。如果选择另一光谐振腔，可以通过施加非零电压至相位控制器来倒转这种情况。这种方法有省电的优点，因为这意味着直接相位控制器只针对一半所需的波长调谐范围需要供电。

在一个简单的实施方式中，图2所示激光器可以由马赫-森德干涉仪(mach-zehnderinterferometer，mzi)实现，所述mzi在一个臂上具有开关(例如，加热器)，以选择一对光栅的其中一个提供光输出，这些光栅由单个控制加热器或电流源调谐。这使得激光器波长由单个模拟波长控制装置和数字开关共同确定。分光器可以由多模干涉(multi-modeinterference，mmi)结构、定向耦合器、y型分光器、星形耦合器等实现。

如果需要更宽的调谐范围，激光器可具备超过两个光栅。这些光栅可以构造成嵌套式阵列。这种激光器的实例如图4所示。概括地用400表示的这种激光器包含4个光栅(401至404)。这些光栅布置成对405、406，每对相邻光栅连接至对应的共享第一分光器407、408。所述共享第一分光器又连接至对应的第一和第二路径(409至412)。每对第一和第二路径连接至对应的第二分光器(414、415)。每个第二分光器随后连接至一个输出路径(416、417)。

第一、第二路径和第一、二分光器的每个对应的布置还并入有开关。图4中，所述开关共同由共享开关413(例如，共享加热器)实现。这有益地减少了所需开关的个数。每个开关用于选择连接到其特定组第一和第二路径(411和412、409和410)的对应对光栅(401和402、403和404)中的一对，用于促使通过输出路径(417、416)的光输出。

用功能类似于第一分光器的第三分光器(423)重复分光器和第一、第二路径的这种布置。第三分光器接收两条输入路径，每条输入路径表示来自特定光栅的光(已由前述开关413实现所述选择)，并将所述光分开进入两条输出路径418、419。开关420并入所述输出路径，从而可以进行进一步选择。由此产生连接至增益区段422的单个输出421。

图4所示的嵌套式布置可以扩展为包含任意数目的光栅。虽然光栅的数目可以更多，但原理相同。激光器配置成嵌套式阵列，其中每个光栅通过对应的路线穿过所述阵列连接至增益区段。所述阵列具有多个层级。在图4的实例中，所述阵列具有两个层级。每个层级包含第一分光器；第一路径和第二路径，其各自连接至所述第一分光器；以及第二分光器，其连接至第一、第二路径和输出路径。每个层级中的第一分光器用于接收来自一对对应的光栅的光输入。这可能是因为第一分光器连接至光栅本身，或因为第一分光器连接至一对来自所述阵列的前一个层级的输出路径。每个层级的第二分光器用于通过输出路径输出光。每个层级还包含开关，用于选择一对对应的光栅中的一个，促使通过输出路径输出的光。重复这种嵌套式布置直至阵列的层级包含单个第二分光器和连接至增益区段的单个输出路径。因此，通过在阵列的每个层级处适当地配置开关，可根据上述相长和相消干涉原理选择单个光栅促使激光器的光输出。

呈上述布置的路径优选地保持尽可能短，从而使得自由光谱范围尽可能大。这有助于确保任何一次仅激发来自选择的光谐振腔往返的可能激光模式中的一个，并有助于随着设备老化保持设备稳定性。

图1、2和4所示的设备可以通过由相同材料，例如单片电源，制成所述设备的全部来实现。合适的材料实例可包括iii-v族材料，例如磷化铟。所述设备也可以藉由同一种材料，例如iii-v族材料，制成增益区段，由不同的材料制成其他大部分区段来实现，以制成混合型激光器。那些区段可以由例如硅制成。这在图2中由虚线208呈现，其中虚线框内部的调谐区段可以和增益区段单块集成，或者可以是独立的混合部件。

上述概念提供了一种可广泛调谐的激光器，所述激光器提供相比于目前可商购的可调谐激光器的电流范围更简单水平的调谐控制(以及可能更低的调谐功率)。所述激光器除了有潜力降低模块层级所需的电子控制装置的电平之外，还可以降低设备表征引发的成本。

申请方在此单独公开本文描述的每一个体特征及两个或超过两个此类特征的任意组合。以本领域技术人员的普通知识，能够基于本说明书将此类特征或组合作为整体实现，而不考虑此类特征或特征的组合是否能解决本文所公开的任何问题；且不对权利要求书的范围造成。本申请表明本发明的各方面可由任何这类单独特征或特征的组合构成。鉴于前文描述可在本发明的范围内进行各种修改对本领域技术人员来说是显而易见的。