一种大范围调谐激光器及其调谐方法

摘要

本发明涉及大范围波长可调谐激光器技术领域，提出了一种大范围调谐激光器方案及其调谐方法。该调谐激光器包含光增益区、公共相位区、多通道分支区、以及多通道反射区。多通道分支区将输入通道分成多个输出通道。多通道反射区包含若干个长度不同的臂，每个臂上有一个独立的臂相位控制区；相邻臂的长度差不相等，以使得多通道反射区干涉产生单个反射峰占主导的反射谱，该反射谱保证了激光器的单模工作。通过结合调节公共相位区的相位以及多通道反射区每个臂上的相位，能够实现激光器的波长大范围精细调谐。基于以上方案，本发明具有制作难度小，成本低，调谐范围广，调谐效果佳，调谐控制方便的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及大范围波长可调谐激光器技术领域，涉及的是一种大范围 波长可调谐激光器及其调谐方法。

背景技术

随着长距离、大容量、超高速光纤通信技术的发展，半导体调谐激光器 成长为光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。在密集波分复用 (DWDM)系统中，调谐激光器能够代替多个波长固定的激光器，这样不仅能 够极大地降低备用光源的成本，还能够提供及时有效的库存管理和信道快速 建立功能。在下一代可重构光网络中，调谐激光器还能够提供自动波长配置、 波长转换以及波长路由功能，从而增加网络的灵活性和宽带利用率。近几十 年，调谐激光器受到国内外的广泛关注和研究。

调谐激光器的基本结构和工作原理如图1所示。调谐激光器可以由最基 本的Fabry-Pérot(F-P)腔激光器，相位控制器以及模式选择滤波器构成。 F-P腔激光器仅由增益介质和谐振腔(由两端面反射镜构成)组成，满足激光 器工作条件的波长(激光器的纵模)有很多个。由于半导体增益介质的增益 谱通常都比较平坦，如图1中的增益谱所示，所以普通的F-P腔激光器不具 有选模机制，一般是多模激射的。为了实现单纵模激射，需要模式选择滤波 器将单个纵模选出来。通常滤波器的中心波长要靠近所要选择的模式，这样 该模式由滤波器所引起的额外损耗要小于其他模式，从而在激光器的激射谱 中占主导地位。该模式输出功率与其他模式输出功率的比通常称为边摸抑制 比(Side Mode Suppression Ratio,SMSR)。通过调节滤波器的中心波长就 可以选择不同的纵模来激射，这种调节通常称为调谐激光器的粗调。为了使 得激光器的调谐范围能够覆盖纵模之间的间隔(通常称为调谐激光器的细 调)，图1中的相位控制器还必须被利用起来调节纵模的位置。实际设计中， 相位调节器和模式选择滤波器可以通过不同的形式来实现，但单片集成的调 谐激光器通常都依赖热光或电光效应来改变模式的有效折射率。

目前调谐激光器正向着大调谐范围、高边模抑制比、高输出功率、高波 长切换速度、窄线宽，以及单片集成等方向发展。许多研究机构和商业公司 提出了多种调谐激光器方案。目前商业可用的单片集成的大范围波长调谐激 光器方案主要有两种：一种是通过温度调谐(热光效应)的分布反馈 (Distributed Feedback,DFB)激光器阵列(Zah C E,Favire F J,Pathak  B,et al.Monolithic integration of multiwavelength  compressive-strained multiquantum-well distributed-feedback laser  array with star coupler and optical amplifiers[J].Electronics Letters, 1992,28(25):2361-2362.)；另一种是利用注入电流产生的电光效应进行 调谐的分布反射(Distributed Bragg Reflector，DBR)型调谐激光器。DFB 激光器阵列是在单个DFB激光器的基础上发展起来的。通过温度进行调谐， 单个DFB激光器的调谐范围一般只有3到5nm。因此将多个具有不同中心波 长的DFB激光器以并联的方式集成起来，就可以实现大范围的波长调谐。

最简单的DBR型调谐激光器由三部分组成：增益区，相位区和光栅区。 通过控制光栅区和相位区的电流实现波长调谐，其基本调谐原理如图1所示。 但是普通的DBR型调谐激光器的波长调谐范围最大只能达到22nm(Oberg M, Nilsson S,Klinga T,et al.A three-electrode distributed Bragg  reflector laser with 22nm wavelength tuning range[J].Photonics  Technology Letters,IEEE,1991,3(4):299-301.)，不足以覆盖整个C 波段。为了增大DBR型可调激光器的波长调谐范围，近二十年提出了许多改 进的波长调谐方案，如取样光栅分布反射(Sample grating distributed Bragg  reflector，SGDBR)调谐激光器(Jayaraman V,Chuang Z M,Coldren L A. Theory,design,and performance of extended tuning range semiconductor  lasers with sampled gratings[J].Quantum Electronics,IEEE Journal of, 1993,29(6):1824-1834.)，超结构光栅分布反射(Super-structure grating  distributed Bragg reflector，SSGDBR)调谐激光器(Ishi i H,Tanobe H, Kano F,et al.Quasicontinuous wavelength tuning in  super-structure-grating(SSG)DBR lasers[J].Quantum Electronics, IEEE Journal of,1996,32(3):433-441.)，数字超模分布反射 (Digitalsupermode distributed Bragg reflector,DSDBR)调谐激光器 (Ward A J,Robbins D J,Busico G,et al.Widely tunable DS-DBR laser  with monolithically integrated SOA:design and performance[J]. Selected Topics in Quantum Electronics,IEEE Journal of,2005,11(1): 149-156.)，以及调制光栅Y臂(Modulated grating Y-branch，MGY)调谐 激光器(J O,Sarlet G,Hammerfeldt S,et al.State-of-the-art  performance of widely tunable modulated grating Y-branch  lasers[C]//Optical Fiber Communication Conference.Optical Society of  America,2004:TuE2.)，它们都能够实现超过40nm的波长调谐范围，超 过35dB的边模抑制比以及超过10dBm的输出功率。除了DS-DBR激光器以 外，其它几种调谐激光器都是利用的游标卡尺效应(如图2所示)来实现波 长调谐的。通过使用两个不同结构的反射光栅产生两个具有不同波长间隔的 梳状反射谱，然后利用游标效应，通过对两个光栅区注入电流的方式来实现 大范围的波长调谐。游标效应使得只需要很小的有效折射率变化就可以获得 很大的波长变化。如图2所示，两个光栅对准的反射峰决定了激光器的激射 波长。以上两类单片集成调谐激光器都是利用光栅提供反馈，然而制作光栅 的精度要求比较高，通常需要电子束曝光等制作工艺，同时需要二次外延， 因此增加了激光器的制作难度和成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种新的大范围调谐激光器及其调谐 方法，克服现有常见的商业可用的调谐激光器利用光栅进行选模所存在的 制作精度要求高和成本高的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种新的大范围调谐激光器，包括 光增益区、多通道分支区以及多通道反射区；所述光增益区、多通道分支 区以及多通道反射区从左到右顺序连接；

所述光增益区，用于提供激光器激射所需的增益；增益区前端面为激 光器的输出端面；

所述多通道分支区，用于将输入光场分成若干个输出光场；

所述多通道反射区，用于产生光反馈和模式选择；它包括若干个不同 长度的臂；将这些臂按长度递增顺序排列则相邻臂与臂之间的长度差不相 等；每个臂的末端分别镀有增反膜；所述若干个不同长度的臂上分别设有 独立的臂相位区，这些臂相位区用于独立调节每个臂的相位；所述若干个 不同长度臂的数量大于等于3个。

所述大范围调谐激光器，还包括公共相位区，所述公共相位区连接在 所述光增益区与所述多通道分支区之间，用于调节激光器纵模的波长。

所述多通道分支区选择采用多模干涉器，Y分支，或者星形耦合器结 构实现。

所述大范围调谐激光器，通过所述若干个不同长度臂的干涉增强产生 一个具有窄的主反射峰的反射谱，从而实现激光器的单模激射。

所述大范围调谐激光器设定所述若干个不同长度臂的相邻臂的长度 差，包括以下步骤：

尝试调整各相邻臂之间的长度差；

的平均值趋于变大时，主反射峰半宽较小因而有利于抑制激光器相 邻的纵模，但是对其它杂乱的反射峰抑制效果会变弱；的平均值趋于变 小时，对其它杂乱的反射峰抑制效果会变强，但是主反射峰半宽增大因而 不利于相邻纵模的抑制；

通过优化得到的理想的相邻臂的长度差，采用该长度差确定各臂 的长度，对激光器相邻的纵模以及其他杂乱的反射峰同时具有合适的抑制。

确定所述若干个不同长度臂的长度，包括以下步骤：

先设定各个臂中某一臂的长度；

根据所述的相邻臂长度差，分别设定所述多通道反射区的各个臂的 长度。

一种所述大范围调谐激光器的调谐方法，包括以下步骤：选择某一臂为 参考臂，调节其他臂上的臂相位区的相位，使其他各个臂的相位与参考臂在 某一波长处相位相同或相位差为2π的整数倍，这样就调节了主反射峰的 峰值波长，实现了所述激光器激射波长的粗调谐。

优选的，一种优选的精细调谐方式是，调节所述参考臂的臂相位区的相 位，并再次调节其他臂上的臂相位区的相位，使其他各个臂的相位与相位调 整后的所述参考臂的相位在某一波长处相同或相位差为2π的整数倍，这样 同时调节主反射峰的峰值波长以及激光器的纵模波长，实现激光器激射波长 的精细调谐。

另一种优选的精细调谐方式是，进一步调节公共相位区的相位以调节激 光器的纵模波长，实现激光器激射波长的精细调谐。

所述调节每个臂上的臂相位区的相位以及公共相位区的相位，是通过 调节相应相位区的注入电流实现的。

相较于其它商业可用的大范围调谐激光器，本发明提出的调谐激光器 具有以下优点：

1、与DFB阵列激光器和DBR型调谐激光器相比，本发明不涉及光栅 结构，不需要制作光栅，同时每个臂上的相位可调，因此对每个臂上的初 始相位不敏感，降低了对臂长度的制作精度的要求，所以只需要普通光刻， 降低了器件制作成本。

2、反射谱是由各臂的反射叠加而成的，而不是利用光栅实现，因此每 个臂受到相位区注入电流引入的损耗的影响是相互独立的，另外每个臂上 的注入电流并不是同时最大的，因此能够有效地降低由注入电流引起的损 耗对反射谱的影响。

3、本发明的可调谐激光器在进行波长调谐时每个臂上最大只需要产生 π的相移，同时每个臂上的臂相位区的长度可以很长，因此降低了对臂上 的臂相位区产生相移能力的要求；另外使用相对较长的臂相位区能够降低 注入电流的密度，减小注入电流引起的热效应，从而有利于提高波长调谐 的速度。

4、与调制光栅Y分支分布式布拉格反射(MGY-DBR)激光器类似， 本发明的反射结构都在光增益区的右侧，光从光增益区的左侧输出，因此 输出不会受注入电流引起的吸收的影响，使得输出光功率随波长调谐能够 在较大波长变化范围内保持稳定，从而降低了控制的难度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说 明。

图1为调谐激光器的基本结构和工作原理。

图2为游标卡尺效应说明示意图。

图3为基于多通道干涉的调谐激光器的结构示意图。

图4为相邻臂的长度差相等时候的反射谱。

图5为不相等时候8个臂的情况，(a)的的平均值比(b)的大。

图6为基于八通道干涉的调谐激光器结构示意图。

图7为基于八通道干涉的调谐激光器的纵截面图。

图8为不同激射波长对应的反射谱。

图9(a)为模拟得到的基于八通道干涉的调谐激光器在不同波长的激 射谱，(b)为不同激射波长对应的边摸抑制比曲线图，(c)为阈值电流 随波长变化的曲线图。

图10为1550nm波长对应的L-I曲线图，其中插图是阈值附近的放大 图。

具体实施方式

本发明的基于多通道干涉的调谐激光器方案如图3所示。它包括4个 部分：光增益区1、公共相位区2、多通道分支区3以及多通道反射区4。 公共相位区2在光增益区1和多通道分支区3之间；多通道分支区3在公 共相位区2和多通道反射区4之间。光增益区1用于提供激光激射所需的 增益；公共相位区2用于调节激光器纵模的波长；多通道分支区3可由多 模干涉器(Multimode Interferometer,MMI)，Y分支(Y-branch)，或者 星形耦合器(Star Coupler)等结构组成，用于将输入光场分成多个输出光 场。多通道反射区4由多个不同长度的臂组成，每个臂上设计有一个独立 的臂相位区5，且每个臂的末端通常镀有增反膜6；臂相位区5用于调节每 个臂上的相位。光增益区1前端面为激光器的输出端面7。

本发明的多通道干涉调谐激光器的原理如下：

光增益区右端总的复反射系数为

$r_2\left(\lambda \right)=\frac{1}{N}{\Sigma }_{i=1}^N{r}_3{e}^{-2\mathrm{j\beta }{L}_p}{e}^{-2j{\mathrm{\beta L}}_m}{e}^{-2}---\left(1\right)$

其中，N为通道数目，为波长，为虚数单位，是每个臂末端的反 射系数(设每个臂末端的反射系数是相同的)，是公共相位区的长度，

是多通道分支区的传播长度，(i＝1,2,3…N)是第i个臂的长度，是传播 模式的复传播常数，

$\tilde{\beta }=\beta ----\left(2\right)$

其中是无源波导的本征损耗，β是波导模式的传播常数。为简单分 析起见，在(1)式中假设了多通道分支区将输入光分成了功率相等的N 份光场，但实际中这个并不是必须的，比如如果采用星形耦合器来实现这 个多通道分支区的话，输出光的功率在多个通道中将是按照高斯函数来分 布的。为了使反射谱在指定的波长处干涉增强产生一个非常强的反射峰， 那么从光增益区右端到每个臂末端的来回相位在波长处应该相同，这样 每个臂的反射在波长处是干涉增强的。每个臂上同相位意味着臂与臂之 间的相位差为2π的整数倍。

虽然使每个臂在波长处同相位就能够在波长处干涉增强产生一个 强反射峰，但是整个反射谱的形状尤其是对其他相对较弱的反射峰的抑制 是由相邻臂的长度差决定的。假设臂的长度按递增顺序排列，为第个 臂和第i个臂的长度差，则有：

ΔL_i＝L_i+1-L_i，i＝1，2，3，-1  (3)

这样(1)式可由表达出来：

$r_2\left(\lambda \right)=\frac{1}{N}{r}_3{e}^{-2\mathrm{j\beta }(L_p+L_m+L_1)}(1+{\Sigma }_{i=1}^{N-1}{e}^{-2\mathrm{j\beta }{\Sigma }_{k=1}^i}---\left(4\right)$

从(4)式可以看出，公共相位区、多通道分支区以及第一个臂的长度 反应出来只是腔长的一部分，这个体现在因子中；相邻臂的 长度差决定了整个反射谱的形状，所以可以通过优化来优化整个反 射谱。最简单的，如果相等，就会干涉叠加得到一个梳状反射谱，且梳 状反射谱的反射峰的半宽以及自由频谱范围(Free Spectral Range，FSR) 和的大小相关。图4(a)和4(b)展示了8个具有等长度差的臂的反 射谱，从图中可以看出越大，梳状反射谱的反射峰就越窄，同时梳状反 射谱的FSR越小。但是对于本激光器而言，不需要具有多个反射峰的梳状 反射谱，而是需要只包含一个主反射峰的反射谱以保证激光器实现单模激 射。如果不相等，反射谱的周期性就会被破坏，从而得到一个具有许多 杂乱反射峰的反射谱。如前面所述的，通过每个臂上的臂相位区5来控制 相位，使每个臂上的相位在波长处都同相位，那么就会在波长处干涉 增强产生一个主反射峰。图5(a)和图5(b)展示了两组不相等时八 个臂的反射谱，从图中可以看出除了在λ0＝1530处产生了一个非常强 的主反射峰，还有很多杂乱的反射峰。要使激光器具有良好的单模特性， 反射谱的主反射峰的半宽应该比较小因而能够抑制相邻的纵模，同时其它 杂乱的反射峰也能够被很好的抑制。在优化时，发现如果平均比较 大，主反射峰半宽会比较小因而有利于抑制相邻的纵模，但是对其它杂乱 的反射峰抑制效果会变弱，如图5(a)所示。相反，如果平均比较小， 对其它杂乱的反射峰抑制效果会变强，但是主反射峰半宽会增大因而不利 于相邻纵模的抑制，如图5(b)所示。

通过优化确定了的长度得到了理想的反射谱之后，那么所有臂的臂 长就确定了。其它N-1个臂与第一个臂的长度差为

L_i+1 L₁-ΔL₁|ΔL₂|…｜ΔＬ_i，i＝1，2，3...N  (5)

对应的初始往返相位差为

由于制作精度的问题，激光器不大可能在初始状态下就满足Δφ_i(在波长 处等于2π的整数倍，实际中总会有初始相位误差，在式(6)中我们用 表示。由于每个臂上都有一个独立的臂相位区5，通过向每个臂上 独立的臂相位区5独立注入电流来改变相位，将第2到第N个臂上的初始 相位都抵消掉，这样就可以使第2到第N个臂和第一个臂同相位， 从而在波长处干涉增强产生一个窄的主反射峰，实现波长附近的纵模 激射。如果我们要使波长附近的纵模激射，就必须重新调整每个臂上的 相位，使其在波长处同相位，这样窄的主反射峰就会从波长处移到波 长处，从而实现激射波长从附近的纵模向附近的纵模的调谐。因此 对于本激光器而言，窄的主反射峰的产生和波长的粗调谐都是通过控制第 2到N个臂上的相位来实现。

经过上述，可知本发明的多通道干涉调谐激光器是利用多个不同长度 臂的干涉增强产生一个具有窄的主反射峰的反射谱，从而实现单模激射。 通过调节N-1个臂上的臂相位区的相位可以调节主反射峰的峰值波长，从 而实现激光器的粗调。

粗调之后的细调，则是需要通过改变主反射峰所覆盖的激光器纵模的 位置，从而实现激射波长的精细调谐。

细调有两种方法可以实现，第一种是通过调整公共相位区2的相位来 调节纵模的位置实现细调，这和传统的DBR类调谐激光器相同。第二种是 通过调节第一臂上的相位。如公式(4)所示，第一臂的长度实际是整个腔 长的一部分，调整它的相位具有和调整公共相位区2的相位相同的效果。 但有一点不同的是，当第一个臂的相位被调整以后，其他N-1个臂也要做 相应的调整以保持相位一致。可以预见这种调谐方式将会使得整个激光器 的控制变得更复杂一些。综上所述，虽然在图3中，我们一共设计了N+1 个相位区(N个臂相位区5加一个公共相位区2)，但实际中只需要控制N 个相位区就可以实现激光器激射波长的粗调和细调。

为进一步说明本发明的可行性，本发明设计了一个基于八通道干涉的 调谐激光器的具体实施例子，并对其进行了模拟仿真。

该八通道干涉的调谐激光器的示意图如图6所示，它由四个部分组成： 光增益区1，公共相位区2，1x8分支区3以及八通道反射区4；1x8分支 区3由1x2MMI 8级联组成，1x2MMI 8输出波导和输入波导间由S型波 导9连接；八通道反射区4由8个具有不同长度的臂组成，不相同，每 个臂上设计有一个独立的臂相位区5。在无源区域激光器采用的是2μm宽 的深刻蚀脊波导结构。光增益区1长400μm，包含5层峰值在1550nm的 压应变InGaAsP量子阱。光增益区1从上而下包括电极接触层10、盖帽层 11、上限制层12、有源层13和下限制层14；公共相位区2和每个臂上的 相位区5长度为100μm，从上而下含电极接触层10、盖帽层11、上限制 层12、光波导层15和下限制层14；1x8的MMI分支区由1x2MMI级联 组成，1x2MMI的宽为8μm，长为69μm，各级间的1x2MMI由S波导 连接，S波导的半径为100μm；8个通道臂与臂之间的间距是20μm。每 个臂的长度分别为

L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 100.00 109.94 253.91 299.13 318.08 350.99 376.56 512.71

单位为μm；1x8分支区3和每个臂上非相位区域从上而下包含盖帽层 11、上限制层12、光波导层15和下限值层14；激光器的前端面的自然解 理面7反射率为0.32，后八个镀了金属增反膜6的反射率为0.81；光增益 区1、公共相位区2和八个臂上的相位区5上均制作有电极16；激光从前 端面输出。

调谐方式采用的是同时调节八个臂上的臂相位区5。通过求解多模速 率方程得到该激光器的激射谱、边模抑制比、阈值电流以及L-I曲线等结 果。

表一、八通道干涉调谐激光器模拟所用参数

有源区体积V(μm³) 26 有源区长度L_a(μm) 400 波导宽度(μm) 2 MMI长度L_MMI(μm) 69 MMI宽度d_MMI(μm) 8 MMI分支区传播长度(μm) 474.59 S波导半径(μm) 100 S波导分离距离(μm) 80,40,20 相位控制区长度(μm) 100 前反射面发射率R₁0.32 后反射面反射率R₂0.81 光限制因子(％) 5 群折射率n_g3.6 有源区损耗(cn) 20 无源区损耗(cn) 5

线性复合系数A(10⁸) 1 辐射复合系数B(10^-10cm³) 1 俄歇复合系数C(10^-29cm⁶) 3.5 自发辐射因子(1) 2.5 注入电流I(mA) 150 真空中的光速(10⁸m) 3 纵模间距(nm) 0.24

图9(a)显示了不同激射波长对应的激射谱。输出功率大于13dBm。从 结果中可以看出输出功率在40nm的调谐范围变化非常小，在0.3dB范围 内。图9(b)显示了不同激射波长对应的边模抑制比，在40nm的调谐范围 内，边模抑制比高达51.4dB。图9(c)显示了不同激射波长对应的阈值电流， 可以看出激光器的阈值在10mA左右。

激射波长在1550nm时对应的L-I曲线如图10所示。阈值电流在9.2 mA，斜率效率是0.24mW/mA。

综上，本发明第一次提出了基于多通道干涉的大范围调谐激光器。激 光器是基于多个具有不同长度的臂的干涉实现波长选择的。通过调节每个 臂上的相位，使每个臂上的相位满足指定波长干涉增强的相位条件，可 以在波长处得到一个非常窄的主反射峰；同样只需调节每个臂上的相位 使其满足波长干涉增强的相位条件，就可以将主反射峰从波长处移到 波长。通过基于八通道的调谐激光器的模拟结果，该基于八通道干涉的 调谐激光器具有超过40nm的调谐范围，高达51dB的边模抑制比，低至 10mA左右的阈值电流，同时在调谐范围内输出功率超过13dBm，且具有 很好的均匀性，证明了本发明提出的基于多通道干涉的大范围调谐激光器 是可行的，并且通过合理的设计能够获得很好的调谐性能。

基于上述本发明的设计原理，本领域技术人员完全能够理解，本具体 实施例所提供的8通道干涉的大范围调谐激光器仅仅只是举例，并非构成 对通道数量或通道数是否构成奇偶数的具体限定。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。