外腔半導體激光器的波長熱調(diào)諧裝置及同步熱調(diào)諧方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及外腔半導體激光器，特別是一種外腔半導體激光器的波長熱調(diào)諧裝置及同步熱調(diào)諧方法。主要應用于光通信，光傳感等領域。
【背景技術(shù)】
[0002]半導體激光器因其獨特的其芯片化結(jié)構(gòu)，具有光電直接轉(zhuǎn)換，體積小，壽命長，集成度高等優(yōu)勢，在光通信，光存儲，光傳感等領域有廣泛應用。但半導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。大大限制了其在相干光通信，光纖傳感等領域的應用。
[0003]實現(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到芯片外部的無源器件中(如光柵，F(xiàn)P標準具等)。普通外腔激光器能做到幾十到幾百k赫茲線寬。通過機械結(jié)構(gòu)改變光柵的入射角可以實現(xiàn)大范圍波長調(diào)諧。但外腔元件數(shù)目較多(通常包含體光柵，透鏡，反射鏡及機械運動裝置等)，外腔光路較長(大于Icm)，激光器的尺寸大幅增加。Thorlabs銷售的可調(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體激光器，是美國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布拉格光柵和激光器芯片直接對接(butt-joint)的方式，利用短外腔和光柵斜邊負反饋原理，在14pin蝶形封裝里實現(xiàn)了 2-10kHz的窄線寬輸出。機械尺寸僅26x15mm。但其波長調(diào)諧是通過加熱整個外腔激光器實現(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自Emcore公司(原K2Photonics，后被Emcore收購)。他采用光纖布拉格光柵斜邊負反饋，實現(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，沒有波長調(diào)諧功能。
[0006]前兩種技術(shù)都是小型化的14PIN蝶形封裝外腔半導體技術(shù)，但其波長調(diào)諧能力非常弱，都在幾十GHz量級。要在小型化的封裝內(nèi)同時實現(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)諧激光器可以實現(xiàn)這一目標。這也是目前在相干光通信中應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)，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級聯(lián)的、由硅材料制作的法布里-泊羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)標準具，利用游標效應，使得只有兩個標準具透過峰峰值波長重合的縱?？梢云鹫?，而其它的縱模被抑制。通過溫度精確控制標準具透過峰的峰值波長，從而能夠?qū)崿F(xiàn)波長的可調(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)可對任意波長進行調(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的產(chǎn)品。在此設計中沒有活動部件，穩(wěn)定性好，但是為了實現(xiàn)波長的精密調(diào)諧，需要對這兩個硅標準具進行精確的溫度控制，具有一定的難度。且在光通信中的應用一般是波長從一個通道切換到另一個通道。若需要對波長進行大范圍連續(xù)調(diào)諧，則需要復雜的電路控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種外腔半導體激光器的波長熱調(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體激光器同時滿足窄線寬和大波長調(diào)諧性能。且調(diào)諧機制簡單，可以連續(xù)調(diào)諧。
[0008]本發(fā)明的核心思想是:通過對外腔光路的溫度敏感性的設計，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]一種外腔半導體激光器的波長熱調(diào)諧裝置，其特點在于:包括半導體增益芯片、布拉格光柵和溫度控制器，沿所述的半導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體增益芯片相對設置，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反射面由半導體增益芯片的外端面，即遠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光柵，所述的娃波導光柵的輸出端輸出的激光經(jīng)一聚焦透鏡耦合進入輸出光纖，所述的所述的半導體增益芯片、硅波導光柵、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]上述的外腔半導體激光器的同步熱調(diào)諧方法，其特點在于:通過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]半導體增益芯片和光纖光柵之間的耦合通過在光纖頭上研磨錐形透鏡實現(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光纖里。
[0015]由于硅波導布拉格光柵和半導體增益芯片波導的模場大小相似(或者通過tap漸變硅波導設計使兩者模場匹配)，硅波導布拉格光柵和半導體增益芯片之間的耦合可以通過芯片直接對接實現(xiàn)。硅波導布拉格光柵到外部光纖的耦合可以通過分立的透鏡或者在光纖上研磨錐形透鏡實現(xiàn)。
[0016]本發(fā)明的特點和優(yōu)點是:
[0017]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)小型化封裝，如14PIN蝶形封裝。同時使用斜邊反射譜反饋方法實現(xiàn)窄線寬。通過對外腔光路的溫度敏感性的特殊設計，實現(xiàn)大范圍同步熱調(diào)諧。調(diào)諧機理簡單，無需復雜電路控制。可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例1采用熱增敏光纖布拉格光柵的外腔半導體激光器裝置圖
[0019]圖2是波長同步熱調(diào)諧原理說明圖
[0020]圖3是本發(fā)明實施例2采用硅波導布拉格光柵的外腔半導體激光器裝置圖
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0022]先請參閱圖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體激光器裝置圖，由圖可見，本發(fā)明外腔半導體激光器的波長熱調(diào)諧裝置包括半導體增益芯片I的出光通過光纖端面研磨的錐形透鏡6