本發(fā)明涉及相干光通信、光傳感領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)信息化的發(fā)展，通信容量急劇擴增，單信道通信系統(tǒng)的傳輸速率開始向400gbps邁進。相干光通信結(jié)合新型調(diào)制方式是實現(xiàn)400gbps甚至更高傳輸速率的有效方式。400gbps相干光通信系統(tǒng)對于發(fā)射機和本振光源的線寬提出了嚴格的要求。理論研究表明，400gbps相干光通信系統(tǒng)中要求激光器的線寬控制在12khz，線寬越窄，相位噪聲引入的功率代價就越低。

窄線寬激光器已經(jīng)成為了國際光通信領(lǐng)域中的一個重要研究課題。從結(jié)構(gòu)上劃分，目前的窄線寬激光器可以分為dfb/dbr半導(dǎo)體激光器，光纖激光器與外腔式半導(dǎo)體激光器三大類。經(jīng)過特殊設(shè)計，dfb/dbr半導(dǎo)體激光器可以實現(xiàn)200khz以下的線寬輸出，同時具有體積小，功耗低，易于批量生產(chǎn)等特點，但是目前該技術(shù)還不成熟，主要停留在實驗室研究階段。光纖激光器可以實現(xiàn)較窄的線寬和較大的輸出功率，但是其不易集成，難以在相干光通信系統(tǒng)中應(yīng)用。外腔式半導(dǎo)體激光器利用外腔技術(shù)對半導(dǎo)體增益芯片進行反饋，一般可以實現(xiàn)30～100khz的線寬輸出，同時該技術(shù)兼具集成性好、成本低和功耗低等特點，成為相干光通信系統(tǒng)中發(fā)射光源和本振光源的最佳選擇。但是更高速率的相干光通信系統(tǒng)以及高靈敏度的光傳感系統(tǒng)中，對激光器線寬的要求將會小于10khz，甚至是亞khz量級，常規(guī)使用的管殼內(nèi)封裝光纖光柵式半導(dǎo)體激光器比較難以達到這一要求，往往需要大批篩選的方式才能挑選出適用的器件。同時，外腔式半導(dǎo)體激光器能夠穩(wěn)定工作的窄線寬區(qū)域受驅(qū)動電流和溫控影響，需要配備高精度電流驅(qū)動源和溫控，并對電流和溫度兩個參數(shù)做精確匹配，才能實現(xiàn)窄線寬穩(wěn)定工作。而不同批次的外腔式窄線寬激光器工作區(qū)域范圍可能存在較大差異，這給窄線寬激光器的挑選和控制帶來較大影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述問題，本發(fā)明提出了一種基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器，利用普通外腔式半導(dǎo)體激光器外加自反饋的方式可以實現(xiàn)小于10khz甚至是亞khz量級的穩(wěn)定的窄線寬激光輸出。窄線寬工作區(qū)域的調(diào)諧變量由驅(qū)動電流與溫度兩個參量，變?yōu)橹徽{(diào)節(jié)反饋強度，減小了調(diào)諧難度；同時反饋環(huán)路的引入也增大了工作區(qū)域，增加了激光器工作的穩(wěn)定性。

(二)技術(shù)方案

一種基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器，包括半導(dǎo)體增益芯片、布拉格光纖光柵和自反饋回路；

所述半導(dǎo)體增益芯片用于產(chǎn)生光增益；

所述布拉格光纖光柵與半導(dǎo)體增益芯片連接，用于對半導(dǎo)體增益芯片產(chǎn)生的光增益進行反饋；

所述自反饋回路與布拉格光纖光柵連接，用于對布拉格光纖光柵輸出的光進行自反饋。

優(yōu)選地，所述自反饋回路包括光分束器、光環(huán)形器和可調(diào)諧光衰減器；

所述分束器與布拉格光纖光柵連接，用于將布拉格光纖光柵輸出的光分為兩路，其中一路進入光環(huán)形器的第一輸入端口，另一路連接可調(diào)諧光衰減器后再耦合進入光環(huán)形器的第二輸入端口，光環(huán)形器的輸出端口輸出激光。

優(yōu)選地，所述自反饋回路包括光分束器、光環(huán)形器和可調(diào)諧光衰減器；

所述光環(huán)形器第一輸入端口連接布拉格光纖光柵，光環(huán)形器的輸出端口連接光分束器，所述光分束器將光分為兩路，其中一路通過可調(diào)諧光衰減器后再耦合進入光環(huán)形器的第二輸入端口，另一路作為輸出激光。

優(yōu)選地，所述可調(diào)諧光衰減器位于光環(huán)形器的反饋環(huán)路內(nèi)，用于對反饋強度的衰減進行連續(xù)調(diào)諧。

優(yōu)選地，所述環(huán)形器與光分束器之間通過光纖耦合的方式連接；

所述布拉格光纖光柵與半導(dǎo)體增益芯片之間通過直接耦合的方式連接。

優(yōu)選地，所述環(huán)形器與布拉格光纖光柵之間通過光纖耦合的方式連接。

優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體增益芯片采用法布里-珀羅腔半導(dǎo)體激光器、分布反饋半導(dǎo)體激光器或分布式布拉格反射半導(dǎo)體激光器。

優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體增益芯片與布拉格光纖光柵耦合的端面鍍有增透膜，另一端面鍍有增反膜。

優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體增益芯片采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、掩埋脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或掩埋異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述光分束器采用任意的分光比例。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器具有以下有益效果：

(1)可以使普通的外腔式半導(dǎo)體激光器的線寬進一步壓縮，獲得穩(wěn)定的窄線寬輸出，最窄線寬可以小于1khz。

(2)反饋強度變量的引入使得調(diào)諧難度降低，窄線寬工作區(qū)域增大，穩(wěn)定性增強。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的普通外腔式窄線寬半導(dǎo)體激光器；

圖2為本發(fā)明第一實施例的基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器示意圖；

圖3為本發(fā)明第二實施例的基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的不同脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光增益芯片；

圖5為本發(fā)明實施例的有無反饋時線寬測試結(jié)果，(a)為無反饋，(b)為有反饋；

圖6為本發(fā)明實施例的有無反饋時窄線寬工作區(qū)域統(tǒng)計，(a)為無反饋，(b)為有反饋。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

傳統(tǒng)的外腔式半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，半導(dǎo)體增益芯片產(chǎn)生光增益，經(jīng)過布拉格光纖光柵進行反饋后直接輸出。

本發(fā)明提出了一種外腔式自反饋窄線寬半導(dǎo)體激光器，制作難度小，成本低廉，整體系統(tǒng)工作穩(wěn)定。本發(fā)明實施例中，提出了兩種結(jié)構(gòu)的外腔式自反饋窄線寬半導(dǎo)體激光器。

圖2為本發(fā)明第一實施例的基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器示意圖，請參照圖2，本實施例第一實施例的中外腔式自反饋窄線寬半導(dǎo)體激光器包括：

半導(dǎo)體增益芯片，用于產(chǎn)生光增益；

布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵與增益芯片之間通過直接耦合的方式連接，用于對增益芯片產(chǎn)生的光進行反饋；半導(dǎo)體增益芯片與布拉格光纖光柵耦合的端面鍍有增透膜，另一端面鍍有增反膜。

光分束器，與布拉格光纖光柵連接，用于對光進行特定比例的分束，光分束器將布拉格光纖光柵輸出的光分為兩束，光分束器可以采用任意的分光比例；

光環(huán)形器，光環(huán)形器與光分束器通過光纖耦合的方式連接，用于對從布拉格光纖光柵輸出的光進行外部自反饋，光分束器輸出的第一束光輸入光環(huán)形器的輸入端口2，第二束光經(jīng)反饋環(huán)路輸入光環(huán)形器的輸入端口1，光環(huán)形器的輸出端口3即為激光器的出光端；

可調(diào)諧光衰減器，位于光環(huán)形器的反饋環(huán)路內(nèi)，用于對反饋強度的衰減進行連續(xù)調(diào)諧，本實施例中是設(shè)置在分束器與光環(huán)形器的輸入端口1之間。

本實施例中激光的傳輸路徑為：半導(dǎo)體增益芯片與布拉格光纖光柵直接耦合，輸出的單模激光首先通過分束器分為兩路，一路進入環(huán)形器的2端口，一路經(jīng)過可調(diào)諧光衰減器后再耦合進入環(huán)形器的1端口，最后激光從環(huán)形器的3端口輸出。

圖3為本發(fā)明第二實施例的基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器示意圖，請參照圖3，本實施例第二實施例的中外腔式自反饋窄線寬半導(dǎo)體激光器也包括：

半導(dǎo)體增益芯片，用于產(chǎn)生光增益；

布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵與增益芯片之間通過直接耦合的方式連接，用于對增益芯片產(chǎn)生的光進行反饋；半導(dǎo)體增益芯片與布拉格光纖光柵耦合的端面鍍有增透膜，另一端面鍍有增反膜。

光環(huán)形器，光環(huán)形器與布拉格光纖光柵通過光纖耦合的方式連接，布拉格光纖光柵輸出端連接環(huán)形器的輸入端口2，光環(huán)形器用于對從布拉格光纖光柵輸出的光進行外部自反饋。

光分束器，與光環(huán)形器連接，環(huán)形器輸出端口3連接光分束器的輸入端，光分束器輸入對光進行特定比例的分束，將環(huán)形器輸出端口3輸出的光分為兩束，第一束光經(jīng)反饋環(huán)路輸入環(huán)形器的端口1，第二束光作為最終輸出光。光分束器可以采用任意的分光比例。

可調(diào)諧光衰減器，位于光環(huán)形器的反饋環(huán)路內(nèi)，用于對反饋強度的衰減進行連續(xù)調(diào)諧，本實施例中是設(shè)置在分束器與光環(huán)形器的輸入端口1之間。

本實施例中激光的傳輸路徑為：半導(dǎo)體增益芯片與布拉格光纖光柵直接耦合，輸出的單模激光首先進入環(huán)形器的端口2，從端口3輸出后進入分束器，將激光分為兩路，一路通過可調(diào)諧光衰減器后再耦合進入環(huán)形器的1端口，一路作為激光的最終輸出端口。

其中，上述實施例的半導(dǎo)體增益芯片可以在inp或者gaas襯底制作。半導(dǎo)體增益芯片采用以下半導(dǎo)體激光器類型之一實現(xiàn)：法布里-珀羅腔(fp)半導(dǎo)體激光器、分布反饋(dfb)半導(dǎo)體激光器或者分布式布拉格反射(dbr)半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體增益芯片波導(dǎo)類型上可以為脊型波導(dǎo)機構(gòu)、掩埋脊波導(dǎo)機構(gòu)或者掩埋異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。反饋強度可以通過可調(diào)諧光衰減器進行調(diào)節(jié)。由于外腔式激光器本身的線寬比較窄，在30～100khz之間，再加上布拉格光纖光柵的濾波作用，通過調(diào)節(jié)反饋強度，可以使外腔環(huán)路的邊模得到很好的抑制。此結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的外腔式半導(dǎo)體激光器相比，線寬可以壓縮了十幾甚至幾十倍。傳統(tǒng)的外腔式半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。驅(qū)動電流為100ma，溫度為15℃時，有無反饋的線寬對比如圖5(a)和(b)所示，可以看出無反饋時線寬為66.5khz，有反饋時線寬為5khz，線寬壓縮了13.3倍。環(huán)形器和可調(diào)諧光衰減器的引入可以對反饋回激光器的光強進行連續(xù)調(diào)諧，降低了驅(qū)動電流和溫度對激光器性能的影響，使得窄線寬工作區(qū)域增大，調(diào)諧難度降低。有無反饋時窄線寬工作區(qū)域的對比如圖6(a)和(b)所示，可以看出有反饋時窄線寬工作區(qū)域明顯增大。

本發(fā)明提供的基于外腔式自反饋的窄線寬半導(dǎo)體激光器，利用傳統(tǒng)外腔式窄線寬半導(dǎo)體激光器與光分束器、環(huán)形器、可調(diào)諧衰減器搭建自反饋回路的方式，可以實現(xiàn)小于10khz甚至是亞khz量級的穩(wěn)定的窄線寬激光輸出，最窄線寬可以小于1khz。通過可調(diào)諧光衰減器調(diào)節(jié)反饋強度，通過合適的外部自反饋，外腔的品質(zhì)因子(q值)進一步增大，激光器的線寬進一步壓縮，窄線寬工作區(qū)域增大，穩(wěn)定性增強。反饋強度變量的引入使得調(diào)諧難度降低，窄線寬工作區(qū)域的調(diào)諧變量由驅(qū)動電流與溫度兩個參量，變?yōu)橹徽{(diào)節(jié)反饋強度，減小了調(diào)諧難度；同時反饋環(huán)路的引入也增大了工作區(qū)域，增加了激光器工作的穩(wěn)定性。至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進行了詳細的描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明外腔式自反饋窄線寬半導(dǎo)體激光器有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或者說明正文中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或者方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更換或替換。

綜上所述，本發(fā)明提出了外腔式自反饋窄線寬半導(dǎo)體激光器，工藝難度低，易于實現(xiàn)，成本較低，工作性能穩(wěn)定。有望應(yīng)用于相干光通信系統(tǒng)中，具有較大的應(yīng)用前景。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。