一种新型取样光栅多波长激光器阵列

摘要

作为波分复用技术中的核心器件，多波长光源已被广泛研究。在诸多的解决方案中，取样光栅结构，以其设计简单制作成本低而备受关注。
　　传统取样光栅的取样方式，一般都是将均匀Bragg光栅做周期性地刻蚀。在取样光栅的反射谱上，除了原Bragg光栅对应的波长（本文称为零阶模式）有反射峰外，还会出现波长与取样周期有关的高阶项（本文称为一阶模式，二阶模式等）。利用取样光栅做多波长激光器阵列的核心，在于如何抑制零阶模式，使得一阶模式激射，再通过调节取样周期，获得不同的激射波长，以设计多波长激光器阵列。
　　在分析计算取样光栅反射谱时，可以发现，无论如何调节取样周期的占空比，都是零阶模式对应的反射率最大，这意味着在激光器中零阶模式对应的阈值增益更低，更容易激射。可以通过对取样光栅折射率分布表达式做傅里叶级数展开从数学上验证，调节占空比，只能使零阶模式与一阶模式对应的展开项系数差距减小，但零阶模式对应项系数始终是大于一阶模式。在已报道的文献中，解决该问题的办法，或是采用两区域非对称采用，使两区域内的一阶模式波长相同，而零阶模式波长不同，以使整个光腔内一阶模式对应阈值增益较低；或是采用窄带宽的材料增益谱，使零阶模式获得的增益远小于一阶模式。
　　本文设想提出一种新型取样光栅结构，使取样光栅反射谱上零阶模式的反射率为零，仅一阶模式可以激射。实现方式如下：采用窄带隙InGaAsP材料作为均匀Bragg光栅中高折射率部分，在注入电流后，会使其折射率因Kramers-Kronig关系而降低。若参数选取合适，可使其降低到均匀Bragg光栅中低折射率值以下。若用N型掺杂的取样光栅周期性地置于均匀Bragg光栅上方，可周期性地格挡载流子经过均匀Bragg光栅，使得在注入电流后，均匀Bragg光栅中的高折射率周期性地降低，而非整体降低。通过调整激光器结构参数，可以通过该方法实现激光器腔内等效折射率差出现反转，形成新的光栅折射率分布。在新形成的光栅结构的反射谱上，可使包含零阶模式在内的所有偶阶模式对应的反射率为零，仅一阶模式可能激射。需指出的是，在本文所采用的办法中，不需将均匀Bragg光栅做周期性地刻蚀，故光栅的耦合强度不会因此而降低，激射波长的边模抑制比也不会因此而减弱。
　　本文所提结构中取样光栅结构的核心在于，折射率在激光器光腔内出现周期性的降低。为了在计算工具中突出这一点，本文采用时域传输矩阵法，而不是以往文献中常用的耦合波方程。在传统的传输矩阵方程表达式中，一般取空间步长为Bragg周期长度的整数倍，目的是为了矩阵表达式简便易写。然而，在取样光栅结构中，取样周期的长度不再恰好是Bragg周期长度的整数倍，不能再直接套用传统传输矩阵中的表达式取取样光栅做计算。这可能也是以往文献在计算取样光栅结构时大多是选择耦合波方程的一个原因。为解决该问题，本文提出将每节取样周期的传输矩阵分为三段来描述，即前段残留、整数倍Bragg周期、后段残留，给出这三段内传输矩阵的通用矩阵表达式，可以选取任意长度的取样周期。
　　本文采用时域传输矩阵法，计算分析了上述结构，通过对参数的优化，设计了工作于C-band的等波长间距为1.6nm的12支单管的多波长激光器阵列，波长范围为1542nm～1560nm，且每支激光器边模抑制比的理论模拟值都在60dB以上。本文给出了新型取样光栅结构的结构参数建议，包括横截面上脊波导中各层的材料组分和厚度，以及对12支激光器的不同取样周期长度。

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1 绪论

1.1 常见的多波长激光器阵列结构

1.2 采用取样光栅结构的多波长激光器阵列结构

1.3 本文创新点

1.4 各章节概要

2 一维激光器模型中的约束方程

2.1 光场约束方程

2.2 载流子速率方程

2.3 材料增益的经验公式

2.4 对自发辐射噪声源的处理方法

3 时域传输矩阵法

3.1 传统传输矩阵方程

3.2 时域下对传统传输矩阵的修正

3.3 对取样光栅中所用传输矩阵的修正

3.4 程序验证

4 取样光栅结构及等效相移

4.1 取样光栅的结构及反射谱

4.2 取样光栅的傅里叶级数展开

4.3 取样函数对反射谱的影响

4.4 光栅折射率差反转程度对反射谱的影响

4.5 等效相移在取样光栅中的应用

5 多波长激光器阵列的数值计算及优化

5.1 纵向一维模型中各参数的优化

5.2 脊波导结构的设计及优化

6 全文总结及对未来工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表论文目录