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，提供了一种外腔可调谐激光器，包括：

取样波导光栅、依次按顺序放置于取样波导光栅一侧的半导体增益芯片、第一准直透镜、第二准直透镜；所述半导体增益芯片、第一准直透镜、第二准直透镜以及取样波导光栅位于同一光轴上；其中，所述半导体增益芯片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，所述增益区与所述第一准直透镜相邻，所述取样波导光栅上方覆盖有第四电极。

在一些实施例中，所述外腔可调谐激光器的谐振腔包括半导体增益芯片、取样波导光栅、第一准直透镜以及第二准直透镜。。

在一些实施例中，所述谐振腔的左端面为所述半导体增益芯片取样光栅区的左端面，所述谐振腔的右端面为所述取样波导光栅的右端面。

在一些实施例中，所述外腔可调谐激光器还包括：

第三准直透镜、第四准直透镜、光纤、热沉以及半导体制冷器；所述第三准直透镜、第四准直透镜以及光纤与所述半导体增益芯片、第一准直透镜、第二准直透镜、取样波导光栅位于同一光轴上；所述第三准直透镜、第四准直透镜以及光纤依次放置于所述取样波导光栅的另一侧，所述第三准直透镜与所述取样波导光栅相邻；所述半导体增益芯片、第一准直透镜、第二准直透镜、取样波导光栅、第三准直透镜以及第四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，所述第三准直透镜、第四准直透镜、光纤用于将所述取样波导光栅右侧射出的光输出。

在一些实施例中，所述半导体增益芯片取样光栅区得到的第一反射梳状谱的波长间距与所述取样波导光栅得到的第二反射梳状谱的波长间距不同；所述半导体增益芯片取样光栅区得到的第一反射梳状谱的中心波长与所述取样波导光栅得到的第二反射梳状谱的中心波长不同。

在一些实施例中，在同一时间内，所述半导体增益芯片取样光栅区得到的第一反射梳状谱与所述取样波导光栅得到的第二反射梳状谱中仅有一个波长相重合。

在一些实施例中，所述取样波导光栅的材料为铌酸锂、磷酸二氢钾或者inp基和gaas基化合物。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述所提供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的注入电流，使所述增益区发生激光激射；

从所述增益区相邻于半导体增益芯片的调相区的一侧射出的激光，经所述调相区射入半导体增益芯片的取样光栅区，被所述取样光栅区的取样光栅反射，得到第一反射梳状谱；

从所述增益区的另一侧射出的激光经第一准直透镜和第二准直透镜耦合，进入取样波导光栅中被取样波导光栅反射，得到第二反射梳状谱；

所述增益区将所述第一反射梳状谱与第二反射梳状谱中重合的波长的光进行放大后，从所述取样波导光栅相邻于第三准直透镜的一侧射出，经所述第三准直透镜和第四准直透镜耦合输出到光纤中；

调节所述取样光栅区上方第一电极的注入电流以及所述取样波导光栅上方第四电极的注入电流，以改变所述第一反射梳状谱与第二反射梳状谱中重合的波长，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。

在一些实施例中，调节所述取样光栅区上方第一电极的注入电流以及所述取样波导光栅上方第四电极的注入电流，以改变所述第一反射梳状谱与第二反射梳状谱中重合的波长，对波长进行初步调谐，包括：

调节所述取样光栅区上方第一电极的注入电流以及所述取样波导光栅上方第四电极的注入电流，以改变所述取样光栅区和取样波导光栅的折射率，使所述取样光栅区的第一反射梳状谱和取样波导光栅的第二反射梳状谱的中心波长移动，改变所述重合的波长，对波长进行初步调谐。

(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，可以通过改变取样光栅区和取样波导光栅上方电极的注入电流来进行波长的调谐，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，引入了取样光栅区和取样波导光栅，而取样光栅和取样波导光栅的反射梳状谱的波长范围很大，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，通过取样光栅区和取样波导光栅的共同选模作用，可以实现线宽的压窄，并由于外腔的存在增加了谐振腔的长度，从而进一步压窄线宽；

(4)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、取样波导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外腔可调谐激光器的侧视图；

图2为本发明实施例提供的外腔可调谐激光器的俯视图；

图3为本发明实施例提供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-取样光栅区；2-调相区；3-增益区；4-第一准直透镜；5-第二准直透镜；6-取样波导光栅；7-第三准直透镜；8-第四准直透镜；9-热沉；10-半导体制冷器；11-光纤；12-第一电极；13-第二电极；14-第三电极；15-第四电极。

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，提供了一种外腔可调谐激光器，如图1和图2所示，包括：

取样波导光栅6、依次按顺序放置于取样波导光栅6一侧的的半导体增益芯片、第一准直透镜4、第二准直透镜5；半导体增益芯片、第一准直透镜4、第二准直透镜5以及取样波导光栅6位于同一光轴上；其中，半导体增益芯片依次包括取样光栅区1、调相区2、增益区3以及分别覆盖于所述取样光栅区1、调相区2、增益区3上方的第一电极12、第二电极13以及第三电极14，取样波导光栅上方覆盖有第四电极15，其中，增益区3与第一准直透镜4相邻。

在本实施例中，所述半导体增益芯片和取样波导光栅6的两个端面均镀有增透膜，以增加其透光性。

本发明提供的外腔可调谐激光器，可以通过改变取样光栅区和取样波导光栅上方电极的注入电流来进行波长的调谐，因此可以实现波长的快速调谐。

在本实施例中，外腔可调谐激光器的谐振腔包括半导体增益芯片、取样波导光栅6、第一准直透镜4以及第二准直透镜5。该谐振腔的左端面为半导体增益芯片取样光栅区1的左端面，谐振腔的右端面为取样波导光栅6的右端面。

本发明提供的外腔可调谐激光器，通过取样光栅区和取样波导光栅的共同选模作用，可以实现对线宽的压窄，并由于外腔的存在增加了谐振腔的长度，从而进一步压窄线宽。

在本实施例中，该外腔可调谐激光器还包括第三准直透镜7、第四准直透镜8、光纤11、热沉9以及半导体制冷器10；其中，第三准直透镜7、第四准直透镜8以及光纤11与半导体增益芯片、第一准直透镜4、第二准直透镜5、取样波导光栅6位于同一光轴上，第三准直透镜7、第四准直透镜8以及光纤11依次放置于所述取样波导光6的另一侧，并且第三准直透镜7与取样波导光栅6相邻，半导体增益芯片、第一准直透镜4、第二准直透镜5、取样波导光栅6、第三准直透镜7以及第四准直透镜8均位于热沉9上方，热沉9位于半导体制冷器10上方。

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、取样波导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，第三准直透镜7、第四准直透镜8、光纤11用于将取样波导光栅6相邻于第三准直透镜7一侧射出的光输出，供用户使用。

在本实施例中，半导体增益芯片的取样光栅区1得到的第一反射梳状谱的波长间距和中心波长不同于取样波导光栅6得到的第二反射梳状谱的波长间距和中心波长，并且在同一时间内，半导体增益芯片的取样光栅区1得到的第一反射梳状谱与取样波导光栅6得到的第二反射梳状谱中仅有一个波长相重合。

本发明提供的外腔可调谐激光器，引入了取样光栅区和取样波导光栅，而取样光栅和取样波导光栅的反射梳状谱的波长范围很大，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，取样波导光栅6的材料可以为铌酸锂、磷酸二氢钾或者inp基和gaas基化合物。

根据上述所提供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的注入电流，使增益区发生激光激射；

步骤s2，从增益区相邻于半导体增益芯片的调相区的一侧射出的激光，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，被取样光栅区的取样光栅反射，得到第一反射梳状谱；

步骤s3，从增益区另一侧出射的激光第一准直透镜和第二准直透镜耦合，进入取样波导光栅中被取样波导光栅反射，得到第二反射梳状谱；

步骤s4，增益区将第一反射梳状谱与第二反射梳状谱中重合的波长的光进行放大后，从取样波导光栅相邻于第三准直透镜的一侧射出，经第三准直透镜和第四准直透镜耦合输出到光纤中；

步骤s5，调节取样光栅区上方第一电极的注入电流以及取样波导光栅上方第四电极的注入电流，以改变第一反射梳状谱与第二反射梳状谱中重合的波长，对波长进行初步调谐；

步骤s6，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。

其中，步骤s5具体为：调节取样光栅区上方第一电极的注入电流以及取样波导光栅上方第四电极的注入电流，以改变取样光栅区和取样波导光栅的折射率，使取样光栅区的第一反射梳状谱和取样波导光栅第二反射梳状谱的中心波长移动，改变两个反射梳状谱中重合的波长，对波长进行初步调谐。

本发明提供的外腔可调谐激光器的波长调谐方法，可以通过改变取样光栅区和取样波导光栅上方电极的注入电流来进行波长的调谐，因此可以实现波长的快速调谐；取样光栅和取样波导光栅的反射梳状谱的波长范围很大，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；通过取样光栅区和取样波导光栅的共同选模作用，可以实现线宽的压窄，并由于外腔的存在增加了谐振腔的长度，从而进一步压窄线宽。

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。