基于分布布拉格反射激光器的波长可调谐窄线宽光源

摘要

本发明公开了一种基于分布布拉格反射激光器的波长可调谐窄线宽光源。该光源中，将单片集成的分布布拉格反射半导体激光器(Distributed Bragg Reflector semiconductor laser)激射的光作为种子光，通过外部的两个并列的、不同长度的光纤环，对DBR激光器进行自注入反馈实现线宽的压缩。最后充分利用DBR激光器的波长可调谐特性实现一种输出波长可调谐的窄线宽光源。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，特别是涉及一种基于分布布拉格 反射激光器的波长可调谐窄线宽光源。

背景技术

密集波分复用(Dense wavelength division multiplexing，DWDM)光 纤通信系统的大规模应用，使得业界对可调谐激光器的需求逐渐增加，这 里的“可调”是指激光器能够单模工作，且激射波长可以通过外部的控制 在一定范围内进行调节。而近几年，光纤通信网络正朝着容量快速增长、 业务日益丰富、应用愈加灵活的方向快速发展：在光网络组网层面，发展 具有动态、可重构功能的光网络逐渐成为主流；在光传输层面，相干检测 (Coherent detection)技术的兴起更是使得光通信网络在传输速率、传输 容量和传输距离等方面一次次刷新记录。伴随着这个趋势，窄线宽可调谐 激光器的作用在光纤通信领域日益显现。而在光纤传感领域，波长可调谐 的窄线宽激光器同样有着广泛的应用。首先很多传感器需要激光器光源具 备大范围连续调谐的能力；另外，激光器的线宽越窄，相干长度越长，借 助相干检测技术能够实现超高精度、超远距离的微弱信号检测。因此，随 着相干检测技术在光纤通信以及光纤传感领域内的大规模应用，市场对可 调谐窄线宽激光器的需求急剧增长，对不同的可调谐窄线宽的方案研究也 如火如荼地进行着。

实现窄线宽输出的典型方案是采用外腔结构延长等效腔长，提高谐振 腔Q值，从而实现高质量窄线宽激光输出。基于光纤光栅型的外腔激光器 是一种常见的窄线宽结构，它具有结构简单、稳定度高和线宽极窄(几十 kHz量级)的优点。但是这种激光器的波长由于光栅周期固定，波长一般 不可调，这在一定程度上限制了它的应用领域。另外一种常见的外腔激光 器是基于MEMS+体光栅技术的窄线宽激光器，在这种激光器中，反射镜 面一般为MEMS反射镜，通过转动不同的角度可以将经光栅分光后不同 波长的光束反射至增益芯片中，从而实现了波长的可调谐性。然而这种类 型的窄线宽激光器其驱动结构比较复杂，产品价格也相对较高。

作为一种重要的可调谐激光器，分布布拉格反射(Distributed Bragg  reflector，DBR)激光器的制作工艺和应用在近二十年得到了成熟的发展。 最简单的DBR型可调谐激光器由三部分组成：有源区，相位区和光栅区， 在各区都有电注入电极。通过向有源区注入电流控制输出功率，而在相位 区和光栅区利用等离子体效应改变材料的折射率从而实现光功率和激射 波长的分开控制。DBR激光器由于采用电致折射率变化的方式进行波长调 谐，切换速度非常快，非常适合于可重构光网络这样的动态应用。但是 DBR激光器的线宽大多在MHz量级，还不能完全满足相干光通信的应用。

因此，在可调谐光源领域，存在一种非常有潜力的方案，那就是提出 一种基于DBR激光器的窄线宽激光器，将DBR激光器的线宽进行压缩， 最后结合DBR激光器的波长调谐能力实现一种结构简单、性能稳定的波 长可调谐的窄线宽光源。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分布布拉格反射激光器 的窄线宽光发源，从而充分利用DBR激光器的波长调谐特性，同时进行 线宽压缩，实现一种结构简单的波长可调谐窄线宽光源。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于分布布拉格反射激光器的 波长可调谐窄线宽光源，该波长可调谐窄线宽光源包括：

DBR激光器101，用于为该波长可调谐窄线宽光源提供种子光源，其 波长调谐范围决定了该波长可调谐窄线宽光源的波长调谐范围；

第一光耦合器102，用于将DBR激光器101激射的部分光信号输出耦 合进入后继的光隔离器103；

光隔离器103，用于保证光路的单向传输，将接收自第一光耦合器102 的光信号传输给光衰减器104；

光衰减器104，用于调节光纤环中的光功率，从而控制自反馈注入的 强度，并将接收自光隔离器103的光信号传输给第二光耦合器105；

第二光耦合器105，将接收自光衰减器104的光信号分成两束，然后 分别传输到第一单模光纤106和第二单模光纤108中；

第一单模光纤106，用于调节光纤环路的Q值(Quality factor)，通过 延长反馈环路的长度提高腔内Q值，实现线宽的压缩，并将接收自第二光 耦合器105的一束光信号传输给第一偏振控制器107；

第一偏振控制器107，用于调节接收自第一单模光纤106的光信号的 偏振状态，并传输给第三光耦合器110；

第二单模光纤108，用于形成另一振荡环路，实现与前一光纤环路不 同的自由光谱范围，并将接收自第二光耦合器105的一束光信号传输给第 二偏振控制器109；

第二偏振控制器109，用于调节接收自第二单模光纤108的光信号的 偏振状态，并传输给第三光耦合器110；

第三光耦合器110，用于将两个光纤环中的光耦合在一起，最后注入 DBR激光器101，实现线宽的压缩；以及

光输出111，为该波长可调谐窄线宽光源最后的输出端，用于输出光。

上述方案中，所述DBR激光器101为整个环路和光源输出提供种子 光，是两段式或三段式的调谐范围为10nm的DBR激光器，或者是调谐 范围为40nm的取样光栅分布式布拉格反射激光器。

上述方案中，所述DBR激光器101、第一光耦合器102、光隔离器103、 光衰减器104、第二光耦合器105、第一单模光纤106、第一偏振控制器 107和第三光耦合器110构成第一光纤环路，所述DBR激光器101、第一 光耦合器102、光隔离器103、光衰减器104、第二光耦合器105、第二单 模光纤108、第二偏振控制器109和第三光耦合器110构成第二光纤环路， 这两个光纤环路具有不同的光纤长度，以利用游标卡尺效应滤去环形腔中 的激发模式。

上述方案中，所述光衰减器104用于调节这两个光纤环路中的总功率， 从而控制自反馈注入的强度。

(三)有益效果

本发明提供的基于分布布拉格反射激光器的波长可调谐窄线宽光源， 将单片集成的分布布拉格反射激光器(Distributed Bragg Reflector Laser， 简称DBR激光器)激射的光作为种子光，通过外部的两个并列的、不同 长度的光纤环，对DBR激光器进行自注入式反馈实现线宽的压缩；最后 充分利用DBR激光器的波长可调谐特性实现一种输出波长可调谐的窄线 宽光源。

附图说明

图1是依照本发明实施例的基于分布布拉格反射激光器的波长可调谐 窄线宽光源的结构示意图；

图2是依照本发明实施例的使用环形器对分布布拉格反射激光器进行 自注入锁定的可调谐窄线宽光源的示意图；

图3是依照本发明实施例的可调谐窄线宽光源在线宽压缩前后的典型 实验结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明自，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参照图1，图1示出了依照本发明实施例的基于分布布拉格反射激光 器的波长可调谐窄线宽光源的结构示意图，该波长可调谐窄线宽光源包括： DBR激光器(DBR Laser)101、第一光耦合器(OC1)102、光隔离器103， 光衰减器(VOA)104，第二光耦合器(OC2)105，第一单模光纤(SMF) 106，第一偏振控制器(PC)107，第二单模光纤(SFM)108，第二偏振 控制器(PC)109，第三光耦合器(OC3)110以及光输出(Output)111， 其中：

DBR激光器101，用于为该波长可调谐窄线宽光源提供种子光源，其 波长调谐范围决定了该波长可调谐窄线宽光源的波长调谐范围；

第一光耦合器102，用于将DBR激光器101激射的部分光信号输出耦 合进入后继的光隔离器103；

光隔离器103，用于保证光路的单向传输，将接收自第一光耦合器102 的光信号传输给光衰减器104；

光衰减器104，用于调节光纤环中的光功率，从而控制自反馈注入的 强度，并将接收自光隔离器103的光信号传输给第二光耦合器105；

第二光耦合器105，将接收自光衰减器104的光信号分成两束，然后 分别传输到第一单模光纤106和第二单模光纤108中；

第一单模光纤106，用于调节光纤环路的Q值(Quality factor)，通过 延长反馈环路的长度提高腔内Q值，实现线宽的压缩，并将接收自第二光 耦合器105的一束光信号传输给第一偏振控制器107；

第一偏振控制器107，用于调节接收自第一单模光纤106的光信号的 偏振状态，并传输给第三光耦合器110；

第二单模光纤108，用于形成另一振荡环路，实现与前一光纤环路不 同的自由光谱范围，并将接收自第二光耦合器105的一束光信号传输给第 二偏振控制器109；

第二偏振控制器109，用于调节接收自第二单模光纤108的光信号的 偏振状态，并传输给第三光耦合器110；

第三光耦合器110，用于将两个光纤环中的光耦合在一起，最后注入 DBR激光器101，实现线宽的压缩；

光输出111，为该波长可调谐窄线宽光源最后的输出端，用于输出光。

其中，DBR激光器101为整个环路和光源输出提供种子光，它可以是 两段式、三段式DBR激光器，其调谐范围在10nm左右；也可以是调谐 范围为40nm左右的取样光栅分布式布拉格反射(Sampled Grating  Distributed Bragg Reflector，简称SGDBR)激光器。

DBR激光器(DBR Laser)101、第一光耦合器(OC1)102、光隔离 器103，光衰减器(VOA)104，第二光耦合器(OC2)105，第一单模光 纤(SMF)106，第一偏振控制器(PC)107和第三光耦合器(OC3)110 构成第一光纤环路，DBR激光器(DBR Laser)101、第一光耦合器(OC1) 102、光隔离器103，光衰减器(VOA)104，第二光耦合器(OC2)105， 第二单模光纤(SFM)108，第二偏振控制器(PC)109和第三光耦合器 (OC3)110构成第二光纤环路，这两个光纤环路具有不同的光纤长度， 其目的是利用游标卡尺效应滤去环形腔中的激发模式。

光衰减器104用于调节这两个光纤环路中的总功率，从而控制自反馈 注入的强度。

参见图2，图2是依照本发明实施例的使用环形器对分布布拉格反射 激光器进行自注入锁定的可调谐窄线宽光源的示意图，其中，

DBR Laser用于给波长可调谐窄线宽光源提供种子光，其波长调谐范 围决定了该波长可调谐窄线宽光源的波长调谐范围。本发明的目的就是对 DBR Laser的线宽进行压缩。

SMF1为单模光纤，其长度可以调节(3m～100m)，其位置也可以调 节，比如把它放置在光纤环中的PC1和OC3的中间。

Cir为光环形器，它保证了信号的单向传输，起到了隔离器的作用。 来至反馈环的入射光经Cir的1端口入射后由2端口注入到DBR激光器中， DBR激光器被注入锁定后，由3端口输出，进入耦合器OC1。

OC1为光耦合器，它将DBR输出光的90％注入到反馈环中，另外的 10％经输出端口输出。为了增大耦合功率，此环形器可以换为5∶5，这样 可以将DBR激光器50％的光作为输出。

VOA为光衰减器，它用于调节反馈环中的光功率，从而控制自注入 反馈的强度。

OC2为光耦合器，它将从衰减器出来的光分成两束，然后分别输入到 两个光纤环中。两个反馈环中，其中一个是通过自注入压缩线宽，另外一 个是为了去除环形腔中的激发模式，其原理可理解为通过两个不同长度的 反馈腔，实现一种光的滤波器功能。

PC1为偏振控制器，用于调节这一光路的偏振状态。

PC2也为偏振控制器，用于调节另一光路的偏振状态。

SMF2为30m的单模光纤，其长度可以调节(8m～100m)，其目的 是为了实现一种和前一光路不同的环形长度。

OC3为5∶5的光耦合器，它将两个光纤环中的光耦合在一起，通过Cir 的1端口注入到DBR激光器，实现线宽的压缩。

Output为窄线宽光源的输出端。

经过以上流程，DBR激光器经由外接的环形腔形成正反馈，最后成为 一种线宽压缩的光源。

参见图3，为实施例中的典型实验结果。DBR激光器在线宽压缩前， 洛伦兹线宽为12.5MHz，如左图所示；经过自注入反馈后，洛伦兹线宽压 缩至3.2kHz，如右图所示。

以上对本发明所提供的一种基于分布布拉格反射激光器的波长可调 谐窄线宽光源进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理、实 施方法及实验结果进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发 明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明 的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。