專利名稱：閃耀光柵外腔半導體激光器及其準直方法
技術領域：
本發(fā)明涉及閃耀光柵外腔半導體激光器的調諧領域，尤其涉及調諧速度快、調諧
范圍大的閃耀光柵外腔半導體激光器及其準直方法。
背景技術：
光通信領域傳統(tǒng)的光源均是基于固定波長的激光器模塊，固定波長的激光器分配 給每個波長通道，不但需要封裝多個激光器，而且將大大增加光通信網(wǎng)絡的成本，并限制了 光網(wǎng)絡的擴展，以及網(wǎng)絡靈活性。可調諧激光器的引入，不但可以有效降低光通信網(wǎng)絡成 本，節(jié)省波分復用(W匿)系統(tǒng)轉換器，同時減小激光器與模塊的數(shù)量，從而該井光網(wǎng)絡的功 能，擴展網(wǎng)絡靈活性，控制網(wǎng)絡流量，并具有提供動態(tài)波長，自動恢復波長等功能。大多數(shù)可 調諧激光器具有覆蓋波長范圍寬、較高的邊模抑制比、帶有波長鎖定功能和適于實用化的 封裝技術，同時可調諧激光器內部均帶有控制電路，便于控制使用。因此從技術角度看可調 諧激光器的發(fā)展日益成熟，已達到可以替代傳統(tǒng)激光器。 可調諧閃耀光柵外腔半導體激光器利用閃耀光柵將部分輸出光反饋回有源區(qū)，通 過旋轉閃耀光柵來實現(xiàn)對波長的調諧。通過反饋光與有源區(qū)內光場之間的有效相互作用， 可以降低激光器噪音、壓窄激光器線寬、增大波長調諧范圍、輸出純凈、連續(xù)的光束。外腔半 導體激光器克服了普通半導體激光器譜線寬、頻率穩(wěn)定性差的缺點，且它效率高，壽命長、 頻率穩(wěn)定、波長調諧范圍寬。 可調諧外腔半導體激光器可廣泛應用于光通信、光外差傳感、高分辨率光譜測量、 光波器件測量、計量檢測、光電檢測、大氣環(huán)境、水質檢測等領域。對于實驗室，可以利用可 調諧激光器模擬整個波段的單波光源進行相關的實驗等。 但是，由于要加入外部移動部件，所以其制造比較復雜，體積相對較大，機械穩(wěn)定 性不高，波長的調節(jié)精度不高、調節(jié)速度也比較慢、調諧范圍有限等問題。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種閃耀光柵外腔半導體激光器及其準直 方法，本發(fā)明可以通過改變PZT的調制電壓來改變有效腔長，從而實現(xiàn)了外腔半導體激光 器的快速、大范圍、高精度的調諧。
本發(fā)明提供一種閃耀光柵外腔半導體激光器，包括
—激光器； —自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡位于激光器的光路上； —壓電陶瓷，該壓電陶瓷位于自聚焦透鏡之后的激光器的光路上，在壓電陶瓷的 表面纏繞有光纖； —準直透鏡，該準直透鏡位于壓電陶瓷之后的激光器的光路上； —閃耀光柵，該閃耀光柵呈一預定角度位于準直透鏡之后的激光器的光路上； —控制模塊，該控制模塊與壓電陶瓷上的光纖連接。
其中激光器為單端輸出的半導體激光器。 其中光纖的芯徑為大于50微米，長度大于30毫米。 其中準直透鏡為非球面準直透鏡，所述光纖的輸出端在非球面準直透鏡的物方焦 點處。 本發(fā)明提供一種閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，該方法是使用前述的閃 耀光柵外腔半導體激光器，包括如下步驟 步驟1 :將一激光器發(fā)出的光，通過自聚焦透鏡耦合進入光纖中； 步驟2 :通過光波在光纖內進行傳輸，經過光纖內壁的無規(guī)律的全反射前進，經過
光纖的傳輸后，輸出為均勻的圓形光斑； 步驟3 :將輸出的圓形光斑，經過準直透鏡變?yōu)閺姸染鶆虻钠叫泄猓? 步驟4 :閃耀光柵接收經過準直透鏡發(fā)出的均勻平行光，將1級衍射光沿入射光路
反饋至準直系統(tǒng)，將0級光輸出； 步驟5 :通過調節(jié)壓電陶瓷的控制模塊來改變壓電陶瓷兩端的電壓，從而使外腔 激光器的有效腔長改變，從而實現(xiàn)對外腔激光器的波長調諧。
其中激光器為單端輸出的半導體激光器。
其中所述使用自聚焦透鏡將半導體激光器發(fā)射的光束會聚到光纖。
其中光纖的芯徑為大于50微米，長度大于30毫米。 其中準直透鏡為非球面透鏡，所述光纖輸出端在非球面準直透鏡的后方焦點處。
其中光纖有規(guī)律的纏繞在空心的圓柱形壓電陶瓷上。
本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明提供的閃耀光柵外腔半導體激光器及其準直方法，其可通過改變PZT的調 制電壓來改變有效腔長，實現(xiàn)了外腔半導體激光器的快速、大范圍、高精度的調諧。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其 中 圖1是本發(fā)明的閃耀光柵外腔半導體激光器的結構示意圖。 圖2是本發(fā)明的閃耀光柵外腔半導體激光器的調諧方法的簡化外腔結構示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種閃耀光柵外腔半導體激光器，包括
—激光器l，該激光器1為單端輸出的半導體激光器；
—自聚焦透鏡2，該自聚焦透鏡2位于激光器1的光路上； —壓電陶瓷4，該壓電陶瓷4位于自聚焦透鏡2之后的激光器1的光路上，在壓電 陶瓷4的表面纏繞有光纖3，該光纖3的芯徑為大于50微米，長度大于30毫米；
—準直透鏡5，該準直透鏡5位于壓電陶瓷4之后的激光器1的光路上；
所述光纖3的輸出端在非球面準直透鏡的物方焦點處； —閃耀光柵6，該閃耀光柵6呈一預定角度位于準直透鏡5之后的激光器1的光路 上；
—控制模塊7，該控制模塊7與壓電陶瓷4上的光纖3連接。 請再參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，該 方法是使用前述的閃耀光柵外腔半導體激光器，包括如下步驟 步驟1 :將一激光器1發(fā)出的光，通過自聚焦透鏡2耦合進入光纖3中，該激光器1 為半導體激光器，所述光纖3的芯徑為大于50微米，長度大于30毫米，所述光纖3有規(guī)律 的纏繞在空心的圓柱形壓電陶瓷4上； 步驟2 :通過光波在光纖3內進行傳輸，經過光纖3內壁的無規(guī)律的全反射前進， 經過光纖3的傳輸后，輸出為均勻的圓形光斑； 所述使用自聚焦透鏡2將半導體激光器發(fā)射的光束會聚到光纖； 步驟3 :將輸出的圓形光斑，經過準直透鏡5變?yōu)閺姸染鶆虻钠叫泄?，該準直透鏡5
為非球面透鏡，所述光纖輸出端在非球面準直透鏡的后方焦點處； 步驟4 :閃耀光柵6接收經過準直透鏡發(fā)出的均勻平行光，將1級衍射光沿入射光 路反饋至準直系統(tǒng)2，將0級光輸出； 步驟5 :通過調節(jié)壓電陶瓷4的控制模塊7來改變壓電陶瓷4兩端的電壓，從而使 外腔激光器的有效腔長改變，從而實現(xiàn)對外腔激光器的波長調諧。
其中，激光器1為單端輸出的半導體激光器。 如圖2所示，圖2是本發(fā)明方法提供的閃耀光柵外腔半導體激光器的調諧方法的 簡化外腔結構示意圖。在半導體激光器之外附加了外腔反饋之后，將加大各個模式之間的 損耗差別。對于光柵外腔，光柵色散反饋僅允許較窄的波長范圍S A內的光束按原光路 返回到激光器的有源區(qū)，因此在這個范圍內，損耗曲線將急劇下降。半導體激光器本征腔 的縱模間隔A A。 = A2/2ridLd，外腔與本征腔構成的復合腔的模譜，其縱模間隔A A。= 入72 (ridLd+n^+rifLf+n2L2)。容易看出，復合腔的縱模間隔比本征腔的縱模間隔要小的多。 由于外腔反饋的選擇作用，通過增益飽和模式競爭，將只有S A范圍內的模式存在，其他 波長的縱模被抑制掉了。 通過PZT的伸縮來改變閃耀光柵外腔半導體激光器的有效腔長。從而使外腔與本 征腔構成的復合腔的縱模間隔發(fā)生改變。在本征腔的縱模間隔不改變的情況下，復合腔的 縱模間隔的改變，可是使腔內有不同波長的光存在。故可以實現(xiàn)對外腔半導體激光器的波 長調諧。在一定條件下，復合腔模式可通過模式競爭而形成某一種單一模式的激光輸出。
自聚焦透鏡2將激光器1發(fā)出的光耦合進入光纖3中。 光纖3有規(guī)律的纏繞在空心的圓柱形壓電陶瓷4上，其輸出端在準直透鏡5的非 球面的物方焦點處。該光纖3為芯徑為大于50微米，長度大于30毫米的多模光纖。纖芯 的直徑由入射光波波長和光纖的數(shù)值孔徑決定。光纖3的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的 能力。數(shù)值孔徑越大，則光纖接收光的能力也越強。但是數(shù)值孔徑太大時，光纖的模畸變加 大，會影響光纖的帶寬。通常為了最有效地把半導體激光器發(fā)射的光入射到光纖中去，應采 用其數(shù)值孔徑與光纖數(shù)值孔徑相同的自聚焦透鏡進行集光。光纖3的長度不能太短，否則 起不到均勻光斑的作用。本系統(tǒng)中，光纖的主要起傳輸和均勻化光束的作用，不起選模的作 用。所以，不需要選擇只能傳輸一種模式的光的單模光纖。 壓電陶瓷4選擇空心或實心圓柱形的。圓柱形壓電陶瓷的外徑為3-10mm，高度為 5-20mm?？筛鶕?jù)需要選擇合適尺寸的壓電陶瓷規(guī)格。
準直透鏡5為非球面透鏡。由正透鏡與雙膠合彎月透鏡等組成的組合透鏡，對于 光束的損耗過大，耦合效率低。采用單個非球面透鏡可以減少損耗，提高耦合效率。在非球 面透鏡的鏡面鍍上與半導體激光器波長相應的膜系，這樣就能增加我們需要波長光的透過 率。這樣就可以大大提高耦合效率。準直透鏡5的焦距可根據(jù)從光纖輸出光束的發(fā)散角和 需要準直后的光斑直徑來確定。 一般準直透鏡的焦距選擇從4. 5到7mm。
閃耀光柵6可以為平面刻劃光柵或平面全息光柵。該閃耀光柵6呈一預定角度位 于準直透鏡5之后的激光器1的光路上。閃耀波長與半導體激光器的輸出波長相對應。光 柵線數(shù)可以為600U200或者更大。光柵刻線數(shù)越大，光柵的色分辨本領越強，輸出激光的 單色性越好，同時輸出激光的能量卻相對下降。可以根據(jù)實際情況，選擇合適的光柵。
控制模塊7的兩端分別與壓電陶瓷4上的光纖3的兩端相連接，通過改變PZT的 調制電壓來改變外腔半導體激光器的有效腔長 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效益進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在發(fā)明的保護 范圍之內。
權利要求
一種閃耀光柵外腔半導體激光器，包括一激光器；一自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡位于激光器的光路上；一壓電陶瓷，該壓電陶瓷位于自聚焦透鏡之后的激光器的光路上，在壓電陶瓷的表面纏繞有光纖；一準直透鏡，該準直透鏡位于壓電陶瓷之后的激光器的光路上；一閃耀光柵，該閃耀光柵呈一預定角度位于準直透鏡之后的激光器的光路上；一控制模塊，該控制模塊與壓電陶瓷上的光纖連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的閃耀光柵外腔半導體激光器，其中激光器為單端輸出的半導 體激光器。
3. 根據(jù)權利要求1所述的閃耀光柵外腔半導體激光器，其中光纖的芯徑為大于50微 米，長度大于30毫米。
4. 根據(jù)權利要求1所述的閃耀光柵外腔半導體激光器，其中準直透鏡為非球面準直透 鏡，所述光纖的輸出端在非球面準直透鏡的物方焦點處。
5. —種閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，該方法是使用權利要求1所述的閃耀 光柵外腔半導體激光器，包括如下步驟步驟1 :將一激光器發(fā)出的光，通過自聚焦透鏡耦合進入光纖中；步驟2 :通過光波在光纖內進行傳輸，經過光纖內壁的無規(guī)律的全反射前進，經過光纖的傳輸后，輸出為均勻的圓形光斑；步驟3 :將輸出的圓形光斑，經過準直透鏡變?yōu)閺姸染鶆虻钠叫泄?；步驟4 :閃耀光柵接收經過準直透鏡發(fā)出的均勻平行光，將1級衍射光沿入射光路反饋 至準直系統(tǒng)，將O級光輸出；步驟5:通過調節(jié)壓電陶瓷的控制模塊來改變壓電陶瓷兩端的電壓，從而使外腔激光 器的有效腔長改變，從而實現(xiàn)對外腔激光器的波長調諧。
6. 根據(jù)權利要求5所述的閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，其中激光器為單端輸出的半導體激光器。
7. 根據(jù)權利要求5所述的閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，其中所述使用自聚焦透鏡將半導體激光器發(fā)射的光束會聚到光纖。
8. 根據(jù)權利要求5所述的閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，其中光纖的芯徑為 大于50微米，長度大于30毫米。
9. 根據(jù)權利要求5所述的閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，其中準直透鏡為非 球面透鏡，所述光纖輸出端在非球面準直透鏡的后方焦點處。
10. 根據(jù)權利要求5所述的閃耀光柵外腔半導體激光器的準直方法，其中光纖有規(guī)律 的纏繞在空心的圓柱形壓電陶瓷上。
全文摘要
一種閃耀光柵外腔半導體激光器，包括一激光器；一自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡位于激光器的光路上；一壓電陶瓷，該壓電陶瓷位于自聚焦透鏡之后的激光器的光路上，在壓電陶瓷的表面纏繞有光纖；一準直透鏡，該準直透鏡位于壓電陶瓷之后的激光器的光路上；一閃耀光柵，該閃耀光柵呈一預定角度位于準直透鏡之后的激光器的光路上；一控制模塊，該控制模塊與壓電陶瓷上的光纖連接。
文檔編號H01S5/06GK101719629SQ200910242348
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權日2009年12月9日
發(fā)明者何軍, 何春九, 周燕, 曾華林 申請人:中國科學院半導體研究所