体激光器的波长调谐和波长稳定技术

第１１卷第２期１００２年４月

量子电ｆ学报

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文童编号１００７－，４６１（２００，）０２００９７０７

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半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术渊建平，王沛，许立新，章江英，吴云霞，明海

（中国科学技术大学物珲系合日巴２；：１１）０２６）

摘要波长调谐和波长稳定的半导体激光器在光通信等实际旺用领域有着重要而广泛的应｝ｆ１．本文淖述了半导体激光器的波长谓谐和波长稳定技术的几种方案，分析了其波长调暗和波长稳定的机理．关键词半导体激光器．波长调谐；波长稳定

中圉分类号ｌ＼２１８ｌ文献标识码：（１

１引言目前，人类巳进入信息社会。光纤通信在信息社会中起着很重要的作用，在目前的光纤通信系统中．通过波分复用（ＷＤＭＪ或频分复用（ＦＤＭ）技术－．使用一条光纤传进不同波长（频率）的光信号，可以增加

光信号传输的容罱。要达到大数量地传输不同频率的光信号，必须使用目前广受瞩目的密集波分复用技犬ｍ、、ｆＤＭ）．１）、、Ｄ、ｌ技术简单来说：就足可以在同一条光纤上同时传输多种波长的光．由：Ｆ新的复台型渡分结构采用了多个波长来提高通讯容量，而这些波长又必须尽母落在光纤最低损耗，以及现有光纤放大器增益的波段范围内，例如１５２５ｒ１１）ｌ军１６００１１１１１附近，势必造成每个波长的间距变窄，使相对密度提高，即大大提高通讯容量。密集波分复用技术在现代高速与大容量通讯传输系统具有重要意义。为了使通讯的光波长统，国际ＩｌＬ组织（！ｎｌｆｒｕａｌｉｕｎａ［＿ＩｅｌｅｃｏｌｌｌｌｌｉＵｌｌｌｆａｌ¨１】｝ｈｉｏｎｌ将通讯的波长规范在１５ｔ１５…【ｌ争１５１１５…ｌｌ之间．波长间的间距为ｕＨ１０｛ＩＧＨｚ）和０１，，ｍ（５０ＧＨｚ）．在密集波分曼用系统中．要求传输信号的激光器波长具有可调谐特性，发射波长具有较窄的线宽，线宽越窄，系统可设ｉ卜的通路数就越高，并且波长具有稳定性【频率不漂移），这样不会由丁＝频率漂移而引起“串扰”（ｃ、ｒｔ）ｎｔａｌｋＪ和增加系统的误码率。由丁半导体激光器具有频率可调谐、能快速调制、体积小、易工作在单模、易改进、易变形、易规模生产等优点，在光通讯等实际应用领域中有着重要而广泛的应用．半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术是一个很有意义而且具有巨大市场的课题．影响半导体激光器发射波长的因素很多，如腔长、温度、能隙、增益、载流子浓度、折射率等。半导体激光器的波长调谐就是通过特殊的结构来改变上述因素中的一种或几种，从而改变半导体激光器的发射波长．半导体激光器的波长稳定可以通过拄制工作温度和注入电流的稳定性来实现一定程度的稳定，但要获得更高的稳定度，则要在此基础上进一步采用Ｉ，ｎ的锁定稳频技术．本文从光通讯的要求出发，给出丁半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术的几种方｜案，分析了荩波长调谐和波长稳定的机理。

！半导体激光器的波长调谐２．１腔内色散调谐［￣“腔内色散调谐是采用在激光腔内插入色散元件将不同波长的激光在空间分离，设法使所需频率的光在腔内形成振荡，其他波长的光束园不能反馈而被抑制掉，从而实现半导体激光器的波长调谐，这与传统激光器的波长调谐方法一致．几种比较典型的腔内色散波长调谐方法有：基金项目．国家高技术目；’州ｊ主题中‘９Ｒ０ＩＩｌｌｌ半导体泵漕擞光器的稳定研究１收穑日期：二ｏ¨１０５Ｉ性修改日期２００１０７『１｛

　万方数据量子电于学撤２．１．１棱镜调谐棱镜调谐是利用棱镜的角色散把不同波长的激光在空间分开，利用谐振腔的腔镜将垂直入射的光（某一特定波长）按原路返回，使该波长的光在腔内形成振荡．转动反射腔镜，即可实现波长的可调谐．棱镜调谐可能存在的问题是单棱镜对激光的角色散不够．从而造成输出激光的线宽较宽．解决的方法是利用两块或多块棱镜进行色散，进一步增加角色散，以压窄线宽，但会造成插入损耗的增大．２．１．２双折射滤光器调谐双折射滤光器（ＢＦ）一般由一片或多片石英晶体制成，每片１３Ｆ两表面互相平行光，轴与表面成一定角度，一束线偏振光入射到ＢＦ上，由１：石英晶体的双折射效应，折射后分解成Ｏ光和ｅ光，再经过一个偏振片则两光束将产生干涉，（实际光路中，ＢＦ以布氏角放置两个表面就能起到偏振器的作用１．由透过ＲＦ时的位相延迟条件。即可解出置入双折射滤光片ＢＦ后谐振腔的共振波长为：

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式中的ｄ为ＢＦ的厚度；０是入射角；ｎ是折射光的波矢量与晶体光轴之间的夹角；，，是Ｂ１－表面与晶体光轴之间的夹角．调谐角Ａ《初始面与入射面之间的夹角）与ｎ关系为：ＣＯＳｏ＝ＣＯＳ＾ｎｗｏＣＯＳＪ＋ｓｍ日ｗ·．｛．以ＢＦ的法线方向为轴转动ＢＦ，即改变调谐角．可实现激光波长的调谐．双折射滤光片（ＢＦ）具有抗破环阈值高、调谐范围大（在石英晶体透光范围内都能调谐）、操作打便等特点．改变ＢＦ的厚度，甚至可以实现单纵模激光输出．２．１．３光栅调谐光栅调谐也就是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜．光栅的自准直调谐，即利特罗光栅，如图ｌ所示．光栅将菜波长的一级衍射光重新反射同腔内形成振荡，零级衍射光则作为激光输出。由光栅方程：ｄ（ｓｉｎｏｌ＋ｓｉｎｍ｜－＝＝ｔｎ＾，其中ｄ为光栅常数，㈨为光线在光栅的入射角，∞为光线在光栅的衍射角，ｗ为衍射级数．对一级自准直光栅结构，有Ｆ１９ｌＳｃｈＰｍａ¨ｃ“１ａｇｒａｔｎｏｆｇｒａｔｉｔｌ＃，…１ｉ“ｇｄＩ：。２，ｍ：ｌ，光栅力‘程变为：Ａ：２ｄ㈨ｉⅢ．转动光栅改变

入射角ｎｔ，即可选择不同的波长值，实现波长调谐．光栅调谐由于采用的是反射光栅，不存在吸收损耗问题，波长的调谐也很方便，如果选择光栅常数足够小，可以实现很窄线宽的激光输出．２．１．４ｌａ＂一Ｐ标准具调谐法布里一珀罗（ＦＰ１标准具对于不同波长的光束具有不同的透过率，表示为：

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式中Ｒ为标准具对入射激光的反射率，ｄ为标准具的厚度（即两平行面的间隔），０为光束进入标准具后的折射角．Ｆ－Ｐ标准具满足干涉条件的最大透过波长为：

２ｒ＋ｄＣＯＮ０Ａｍａｘ２—ｉ

改变Ｆ－Ｐ的厚度或旋转角度，即可实现波长调谐．同时，Ｆ—Ｐ标准肄平行平面板间的厚度可以做得很薄，这样可以获得不同频率的单纵模激光输出．２．２泵光分布增益调谐忡１泵光分布增益调谐也就是应用多段电注入的。增益杠杆”效应，改变电流注入的大小实现波长调谐．增益杠杆效应，如图２所示，适用的对象是多段电注入量子阱激光器．

乍净　万方数据第２期谢建平等半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术∞

当控制段电流增大时，会把其它段的注入载流子密度往下拉．若控制段长度小于总长度的一半，虽然控制段电流在增加，但是由于增益饱和及增益杠杆效应，使总的平均载流子密度反而减小。这导致了波长往长波方向移动．由于量子阱激光器在阈值蹦上具有增益箝位的特电，增益箝位要求：

又由于量子阱激光器的９（ｎ）曲线有明显的非线性特性．所以，分别泵浦时如果１区的注入电流改变，则该区的载流子浓度ｇ（ｎ－ｊ发生改变，增益箝位要求ｇ（ｎ２Ｊ产生相反方向的变化．由于ｇ（ｎ）曲线的非线性特性，ｇ（ｎ）的变化可能引起平均载流子浓度发生很大变化．发射波长与平均载流子浓度有如下依赖关系：

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所以可以通过分别泵浦，利用增益杠杆效应，实现波长调谐．２．３注人锁定调谐注入锁定调谐是由一个激光器（主振荡器）产生性能优良的微弱光信号并注入到另一激光器｛从动激光器）获得光放大，注入镇定调谐从动激光器增益较低，而注入的光信号较强，这时，若注入信号频率：，很靠近从动激光器的自由振荡ｒ，则在激光振荡过程中，注入信号的强度远大于自发辐射噪声，它在与激此器自由振荡模式的竞争中具有优势，结果使振荡模式的频率跃变为∽．而频率为”的自由振荡模式被怖制，输出光束的频率由外注入信号决定．这样改变外注入光信号的频率就可实现注入锁定调谐．但是，在注入信号频宽比从动振荡器的纵模频率间隔小的情况下，要有效的实现注入锁定，主振荡器与从振荡器之间的腔模匹配是产生注入锁定的必要条件，因为只有在这种情况下，才能使注入场与它靠近的纵模场发生共振作用，迫使该模起振．注入足够的种子功率密度，保证小的失谐量和适当的开关时间是实现注入锁定调谐的重要条件。自注入锁定调谐（如图３所示）足利用腔内的一台激光器本身产生的种子信号自注入到腔内而实现再生放大，种子光源产生较为微弱的单纵模激光，该种子光源的频率与腔的谐振频率相同，当它自注入到腔内时将整个激光器的单纵模工作波长镇定在种子光源的波长处，输出的单纵模激光的线宽比种子光源的线宽窄而功率却大得多．自注入镇定技术已经用丁：半导体激光器的单纵模工作和自由嘲啾调制，带有窄带光纤光栅作为频率敏感反馈元件的自注入锁定装置由＝了：其结构简单、坚固而受到青徕，人们已利用它来稳定半导体激光器的波长．２．４沮度调谐［４６】

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ＬＤ激光器与其它传统激光器相比，ＬＤ的输出光功率和频率受温度和注入电流的影响显著．因此【ＩＤ的波长调谐可采用温度调谐和注入电流调谐．一般来说，ＬＤ的波长一韫度曲线有很好的线性，能够通过温度的改变精确地控制波长，但是温度调制速度较慢．温控调谐可以使Ｔ．ｎ的输出功率保持恒定，温度变化电路是温控系统的关键．在半导体中，温度和能隙之间存在着依赖关系，由以下经验公式ｆ４１：

　万方数据