单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波装置

摘要

一种单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器，有位于壳体内的半导体制冷器，设置在半导体制冷器内的热过渡承载台，设置在热过渡承载台上的半导体拉曼泵浦激光器管芯，分别设置在热过渡承载台上的耦合透镜组、热敏电阻和背光探测器，泵浦激光器管芯、背光探测器、热敏电阻以及半导体制冷器与激光器管壳外部的引脚为电气连接。泵浦合波装置，有依次连接的第一信号传输光纤、泵浦信号合波器以及第二信号传输光纤，泵浦信号合波器的输入端连接隔离偏振合束退偏器的输出端，隔离偏振合束退偏器的两个保偏光纤输入端分别对应连接一个单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器。本发明可节省泵浦个数，提高泵浦功率利用率，缩小放大器尺寸，降低放大器的制造以及运行成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体泵浦激光器。特别是涉及一种应用于拉曼光纤放大器的单泵多波 长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波装置。

背景技术

随着光纤通信技术的发展和应用的扩大，Raman(拉曼)光纤放大器在光纤通信系统中 的应用也越来越广泛。在Raman光纤放大器中，只要选定合适的泵浦波长以及功率配置就可 在多种类型的传输光纤上实现对所传输波长信号的放大。将多个泵浦波长组合在一起，就能 轻易的扩展放大波长窗口。

对于DWDM(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing密集型光波复用)系统 中应用的Raman放大器，目前都是通过采用多个波长的泵浦源通过合波来使其Raman增益带宽 扩大，通过对泵浦波长数目、间隔以及各波长功率的选择以达到增益谱平坦。目前用于光纤 通信系统中的Raman泵浦激光器都是采用成熟的InGaAsP多元材料体系的多量子阱结构的半 导体激光器。出于长期可靠性等方面的考虑，前后表面分别镀有不同反射率薄膜的激光器管 芯被置于一个标准的14管脚蝶形封装的气密封装壳体中，在壳体和激光器管芯之间还有用于 使激光器管芯保持温度恒定的半导体制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)以及用于承载激 光器管芯、耦合透镜、热敏电阻以及背光监控探测器等的热过渡承载台。由于Raman增益频 移相对于泵浦激光器的输出频率恒定，为了使传输信号获得稳定的增益，Raman泵浦激光器 的输出波长必须足够稳定，而考虑到泵浦激光器管芯本身输出波长会随温度以及工作电流等 发生漂移，所以用于稳定管芯温度的TEC以及处于激光器尾纤上用于波长锁定的光纤布拉格 光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)就不可或缺。FBG通常刻于激光器封装外的尾纤上，通 过反射回到激光二极管中的在波长范围很窄的反射光来实现波长锁定。

目前，应用于Raman放大的泵浦激光器，都是采用一个FBG来实现单个波长的锁定，即 实现单泵单波长的稳定输出。在应用于DWDM系统中的Raman放大器中，一般通过多个这样输 出不同波长泵浦激光器的合波来实现放大器的增益平坦。在不使用增益平坦滤波器的条件下 要达到系统对各通道增益的要求则至少需要3个不同的波长才能满足C波段内的平坦增益。 而在实际使用环境中，有很多用Raman放大器来改善系统信噪比的条件下并不需要很大的增 益/泵浦功率，但为了获得平坦的Raman增益，一般还是需要使用多个不同波长泵浦激光器或 通过使用GFF来获得平坦的增益。而无论是使用多个泵浦激光器还是使用GFF都会导致放大 器功耗以及成本增加：在使用多个泵浦时的泵浦采购成本增加以及对多个泵浦单独温度控制 等功耗的增加，在使用GFF时由于损失了被平抑部分的能量，所以需要使用更大功率的泵浦， 这也导致了系统功耗和成本的增加。

如图5所示为专利(Accelink的IPBCD以及Raman泵浦合波的专利)所描述的Raman泵 浦合波方法，其中3-1和3-2为处于光纤通信链路中的信号传输光纤，7-1，7-2，7-3和7-4 分别为4个发射不同波长的Raman泵浦激光器，4只激光器每两只为一组分别与偏振合束隔 离退偏器IPBCD 6-1和6-2的两根输入保偏尾纤以慢轴对准或快轴对准的方式连接，两只 IPBCD输出尾纤分别与泵浦合波WDM 5的透射和反射端连接，泵浦合波WDM 5的公共端再与 泵浦信号合波WDM 4的输入端连接，泵浦信号合波WDM 4的另外两个端口分别与输入端传输 光纤3-2以及输出端传输光纤3-1连接。该专利由于采用4个发射不同波长的Raman泵浦激 光器，从而导致了系统功耗和成本的增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过在泵浦激光器的输出尾纤上使用至少两个 或两个以上不同中心波长的FBG来实现可使Raman增益平坦对应多个波长激射的单泵多波长 激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波装置。

本发明所采用的技术方案是：一种单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波 装置。单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器，包括有半导体拉曼泵浦激光器封装模块、 半导体拉曼泵浦激光器封装模块的输出尾纤及设置在输出尾纤上的多个光纤布拉格光栅，其 中，所述的半导体拉曼泵浦激光器封装模块具有：壳体，位于壳体内的半导体制冷器，设置 在半导体制冷器内的热过渡承载台，设置在热过渡承载台上的半导体拉曼泵浦激光器管芯， 分别设置在热过渡承载台上并分别位于所述的半导体拉曼泵浦激光器管芯周边的耦合透镜 组、热敏电阻和背光探测器，所述的泵浦激光器管芯、背光探测器、热敏电阻以及半导体制 冷器与激光器管壳外部的引脚为电气连接。

所述的第一级光纤布拉格光栅与半导体拉曼泵浦激光器管芯的最短距离大于该激光器本 征输出的相干长度。

处于激光器输出尾纤上的多个光纤布拉格光栅的反射谱中心波长至少有两个，并且两个 相邻反射谱中心波长的间距大于5nm。

处于激光器输出尾纤上的多个光纤布拉格光栅的反射谱的反射系数相同或不同。

所述的每个光纤布拉格光栅的反射波长与激光器在全工作电流范围内全工作温度范围内 的本征输出波长的差值小于等于失锁极限。

一种采用单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器的泵浦合波装置，包括有依次连接的 第一信号传输光纤、泵浦信号合波器以及第二信号传输光纤，所述泵浦信号合波器的输入端 连接隔离偏振合束退偏器的输出端，所述隔离偏振合束退偏器的两个保偏光纤输入端分别对 应连接一个单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器。

所述隔离偏振合束退偏器的两个保偏光纤输入端是以慢轴对准或快轴对准的方式对应连 接一个单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器。

采用单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器的泵浦合波装置，包括有依次连接的第一 信号传输光纤、泵浦信号合波器以及第二信号传输光纤，所述泵浦信号合波器的输入端连接 隔离退偏器的输出端，所述隔离退偏器的保偏光纤输入端连接一个单泵多波长激射的半导体 拉曼泵浦激光器。

所述隔离退偏器的保偏光纤输入端是以慢轴对准或快轴对准的方式连接一个单泵多波 长激射的半导体拉曼泵浦激光器。

本发明的单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波装置，用于Raman放大领 域，在实现Raman增益谱平坦的同时，可节省泵浦个数，降低控制电路以及控制软件的复杂 程度，提高泵浦功率利用率，缩小放大器尺寸，降低放大器的制造以及运行成本。具有如下 优点：

1、采用本发明的Raman放大器与一般Raman放大器相比减少了泵浦激光器的数目，提高 了泵浦进入信号传输光纤的传输效率，在相同的增益条件下降低了泵浦功率，提高了能量转 换效率，同时也缩小了放大器体积；

2、本发明的光路结构简单，易于实现，在提高产品性能的同时，可以有效降低成本；

3、本发明在中小增益条件下的控制简单，可有效降低控制电路以及控制软件的复杂程度。

附图说明

图1是本发明实现的单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器的结构图；

图2是泵浦激光器本征增益谱与异侧双波长FBG的反射率示意图；

图3是泵浦激光器本征增益谱与同侧双波长FBG的反射率示意图；

图4是泵浦激光器本征增益谱与四波长FBG的反射率示意图；

图5是基于普通Raman泵浦激光器的泵浦合波结构；

图6是基于单泵多波长激射Raman泵浦激光器的泵浦合波第一实例结构示意图；

图7是基于单泵多波长激射Raman泵浦激光器的泵浦合波第二实例结构示意图。

图中：

1：半导体拉曼泵浦激光器封装模块       1-1：半导体Raman泵浦激光器管芯

1-2：耦合透镜组                       1-3：半导体制冷器(TEC)

1-4：热过渡承载台                     1-5：背光探测器

1-6：激光器封装壳体                   1-7：热敏电阻

2-1：输出尾纤                         2-2：光纤布拉格光栅

3-1：第二信号传输光纤                 3-2：第一信号传输光纤

4：泵浦信号合波器                     5：泵浦合波器

6-1：隔离偏振合束退偏器(IPBCD)        6-2：隔离偏振合束退偏器(IPBCD)

7-1、7-2、7-3、7-4：单波长输出Raman泵浦激光器

6：隔离偏振合束退偏器(IPBCD)          7-5：单泵多波长激射Raman泵浦激光器

7-6：单泵多波长激射Raman泵浦激光器

8：隔离退偏器(ID)                     7-7：单泵多波长激射Raman泵浦激光器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器及泵浦合波 装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器，包括有半导体拉曼泵 浦激光器封装模块1、半导体拉曼泵浦激光器封装模块1的输出尾纤2-1及设置在输出尾纤 2-1上的多个光纤布拉格光栅(FBG)2-2，其中，所述的半导体拉曼泵浦激光器封装模块1 具有：壳体1-6，位于壳体1-6内的半导体制冷器(TEC)1-3，设置在半导体制冷器1-3 内的热过渡承载台1-4，设置在热过渡承载台1-4中心的半导体拉曼(Raman)泵浦激光器 管芯1-1，分别设置在热过渡承载台1-4上并分别位于所述的半导体拉曼泵浦激光器管芯1 -1周边的耦合透镜组1-2、热敏电阻1-7和背光探测器1-5，所述的泵浦激光器管芯1-1， 耦合透镜1-2，背光探测器1-5，热敏电阻1-7是固定于热过渡承载台1-4上，而热过渡承载 台1-4则通过焊锡等方式固定于半导体制冷器1-3，半导体制冷器1-3与封装壳体1-6通过 焊锡连接固定；所述的泵浦激光器管芯1-1、背光探测器1-5、热敏电阻1-7以及半导体制冷 器1-3与激光器管壳1-6外部的引脚为电气连接。所述的泵浦激光器管芯1-1、背光探测器 1-5、热敏电阻1-7以及半导体制冷器1-3是以图形电极或金丝键合或引线连接的方式与激光 器管壳1-6外部的引脚实现电气连接。输出尾纤2-1以及制作于其上的多个反射中心波长不 同的光纤布拉格光栅(FBG)2-2在半导体拉曼泵浦激光器封装模块1的尾管内与从激光器 管芯输出的光束精密耦合并固定，多个FBG可以是在同一根输出尾纤2-1上制作，也可以是 多个制作于输出尾纤2-1上的FBG以慢轴对准或快轴对准的方式熔接，为了避免FBG反射引 起的干涉，与激光器管芯距离最近的FBG要求需大于激光器本征输出的相干长度。

即，位于半导体拉曼泵浦激光器输出尾纤上的反射多个不同特定波长的FBG，基于半导 体拉曼泵浦激光器的特性，需要对输出尾纤上的不同FBG的位置、反射波长、反射率以及反 射谱形状等进行设定以达到在不同工作条件下的期望激光输出；如输出尾纤2-1，为了避免 从FBG反射的光与激光器壳体1-6内的光发生干涉影响输出稳定，所述的第一级光纤布拉格 光栅2-2与半导体拉曼泵浦激光器管芯1-1的最短距离大于该激光器本征输出的相干长度； 光纤布拉格光栅(FBG)2-2，为了获得期望工作点下多个波长输出功率相近，需要使FBG的 反射波长对应的激光器本征增益谱的相近水平，或使本征增益较低位置对应的FBG的反射率 较高。

所以，处于激光器输出尾纤2-1上的多个光纤布拉格光栅2-2的反射谱中心波长至少有 两个，并且两个相邻反射谱中心波长的间距大于5nm；处于激光器输出尾纤2-1上的多个光 纤布拉格光栅2-2的反射谱的反射系数相同或不同；所有处于尾纤2-1上的光纤布拉格光栅 2-2与半导体拉曼泵浦激光器管芯1-1的距离在600mm以上。

所述的每个光纤布拉格光栅2-2的反射波长与激光器本征输出波长在全工作电流范围 内的差值小于等于失锁极限，若超过该极限则可能导致激光器最终输出光谱峰值不与FBG反 射峰值波长重合而引起输出不稳定。

由于所述的单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器在没有FBG作波长锁定的条件下的 输出光谱会随驱动电流以及管芯温度的变化而剧烈变化，一般而言输出波长随驱动电流的变 化可达到11.5nm/A，随温度的变化率可达到0.3nm/℃，由于TEC的作用，激光器管芯在工作 范围内的温度都可以保持在约5℃以内，所以一般条件下考虑FBG的反射率以及反射波长主 要考虑驱动电流变化对激光器本征输出光谱以及输出波长的影响。对于Raman泵浦激光器其 驱动电流最大可能会达到2A，这也意味着在全工作电流范围内激光器本征波长变化会达到 23nm左右，为了保证在全工作电流范围内FBG都可以实现激光输出波长的锁定，就要求每个 FBG的反射波长与激光器本征输出波长在全工作电流范围内的差值都不能大于失锁极限，(失 锁极限取决于激光器本征输出光谱的形状以及宽度以及FBG的反射率)同时为了避免出现跳 模或单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器单模运转，FBG的反射谱宽和激光器本征输出 谱的纵模间隔之间需要做仔细优化均衡，在任何时候激光器本征输出谱与FBG的反射谱叠加 的部分的必须包含有多个纵模，这可以通过设计更长的激光器管芯，激光腔长可以设计为大 于800um以上，或者可以适当加宽FBG反射谱的带宽来实现。而FBG的反射率以及激光器管 芯前后端面的镀膜反射率的选择也必须仔细均衡：FBG的反射率越高，则波长锁定能力越高， 但同时也会使激光器的扭折电流(Kink Current，Ikink)降低从而降低激光器的最大输出功 率，反之，较低的FBG反射率可以带来较大的最大输出功率，但同时也会使阈值电流 (Threshold Current，Ith)升高以及波长锁定能力的降低；而激光器管芯前端面镀膜反射 率越高会获得较高的单程腔内增益，但最终的输出功率会降低并使得输出的纵模间起伏过大 而最终使经过FBG锁定波长后的模式不稳定，降低激光器管芯前端面的镀膜反射率会提高输 出功率，但会导致有较高的阈值电流。通过对上述这些因素的综合考虑，最终的实用的Raman 泵浦激光器的部分参数如下：激光器管芯后端面镀膜反射率在97％以上，前端面反射率在1 ％左右，距管芯最近的FBG距离在600mm以上，各FBG的反射率根据其反射波长所对应的激 光器管芯本征增益谱的相对高低进行优化：在需要泵浦激光器最终输出各波长功率相等的条 件下，对本征增益谱较低的波长对应的FBG需要有相对较高的反射率，对本征增益谱较高的 波长对应的FBG可选择较低的反射率。在各项参数都确定了的实际产品在实际使用中，可以 通过改变激光器管芯温度来对最终输出的各波长功率进行微调。

基于由上所述的由半导体拉曼泵浦激光器封装模块1、半导体拉曼泵浦激光器封装模块 1的输出尾纤2-1及设置在输出尾纤2-1上的多个光纤布拉格光栅(FBG)2-2构成的Raman 泵浦激光器通过隔离、退偏以及合波等实现平坦Raman放大所需泵浦光输出；如对于输出3 个或4个波长等可以实现一个半导体拉曼泵浦激光器平坦放大所有信号的情况，需要将半导 体拉曼泵浦激光器与隔离退偏器(Isolated Depolarizer，ID)连接之后再与泵浦/信号合波 器(WDM)连接；如对于输出2个或多个波长但不能实现单个泵浦平坦放大所有信号的情况， 需要通过偏振合束隔离退偏器(Isolated Polarization Beam Combiner&Depolarizer， IPBCD)将两个载有多个泵浦波长的偏振泵浦光以互相垂直的方式进行合束并实现隔离和退 偏，之后再与合波器WDM连接；上述的退偏可以是使用两段长度比为1∶2的保偏光纤以45 度的角度熔接形成Lyot型退偏器，也可以是使用基于双折射晶体的退偏器件，偏振合束可以 是使用保偏光纤拉锥形成的保偏耦合器，也可以是使用镀膜或双折射晶体构成的偏振合束棱 镜。

本发明可以通过对泵浦激光器管芯温度进行控制可以实现不同波长上功率的调整，而泵 浦激光器工作电流的变化也可使不同波长上的功率对比发生变化。

在使用多个泵浦实现最大增益为10dB左右时，可通过在最大增益时调整泵浦达到增益平 坦，在其它增益时仅需将各个泵浦的工作电流等比例同步下降即可实现平坦增益。

如图6所示，本发明的采用单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器的泵浦合波装置， 包括有依次连接的第一信号传输光纤3-2、泵浦信号合波器4以及第二信号传输光纤3-1， 所述泵浦信号合波器4的输入端连接隔离偏振合束退偏器(IPBCD)6的输出端，所述隔离偏 振合束退偏器6的两个保偏光纤输入端分别对应连接一个单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦 激光器7-5、7-6，所述的半导体拉曼泵浦激光器7-5、7-6每个的出射波长至少有2个 或以上。

所述隔离偏振合束退偏器6的两个保偏光纤输入端是以慢轴对准或快轴对准的方式对应 连接一个单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器7-5、7-6。

图6所示的泵浦合波装置与图5所示的泵浦合波装置相比，节约了两只泵浦激光器7以 及一只IPBCD 6和一只泵浦合波器5，泵浦光功率从激光器到输入端信号传输光纤的损耗也 可以从1.4dB改善为1dB，在进入信号传输光纤泵浦功率相同的条件下，本发明的泵浦合波 装置可以节约泵浦功率达7％左右。

如图7所示，本发明的采用单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器的泵浦合波装置， 还可以是包括有依次连接的第一信号传输光纤3-2、泵浦信号合波器4以及第二信号传输光 纤3-1，所述泵浦信号合波器4的输入端连接隔离退偏器8的输出端，所述隔离退偏器8的 的保偏光纤输入端连接一个单泵多波长激射的半导体拉曼泵浦激光器7-7，单泵多波长激射 的半导体拉曼泵浦激光器7-7的出射波长至少有2个或以上。

所述隔离退偏器8的的保偏光纤输入端是以慢轴对准或快轴对准的方式连接一个单泵多 波长激射的半导体拉曼泵浦激光器7-7。

图7所示的泵浦合波装置与图5所示的泵浦合波装置相比，节约了3只泵浦激光器7以 及2只IPBCD 6和1只泵浦合波器5，泵浦光功率从激光器到输入端信号传输光纤的损耗也 可以从1.4dB改善为0.8dB，在进入信号传输光纤泵浦功率相同的条件下，本发明的泵浦合 波装置可以节约泵浦功率达10％左右。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人 员能够应该理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这 些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。