專利名稱：一種實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光通信器件技術領域，具體說是一種實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器。
背景技術：
從半導體激光器誕生之日起，隨著激光技術的應用，在光通信系統、生物醫學、相干探測、水質檢測等領域都需要用到單縱模半導體激光器，并且在大部分情況下對半導體激光器的線寬有著嚴格要求，窄線寬半導體激光器成為許多應用領域中的關鍵器件。例如，在光通信中，國際電工聯合會(ITU)提出了 32路WDM波長定位標準的建議f = 193. 1±0· I XN(THz)，N 為整數。中心頻率為 193. ITHz，對應于 1550nm波段，O. ITHz 的信道頻率間隔相應于O. 8nm的波長間隔。在長距離、高速傳輸系統中，如果激光器輸出的光 譜較寬，光纖色散會使脈沖展寬，容易弓I起碼間串擾。在WDM系統中，光源的線寬應滿足以下關系fB · L彡1/(4D · δ V)，其中fB為數據傳輸速率，L為傳輸距離，D為色散系數，δν為光源線寬。在1550nm波段，G.652單模光纖色散系數為D = 20ps/nm 因此在色散系數一定的情況下，要提高數據傳輸速率和傳輸距離，就必須壓窄激光器線寬。否則激光器在高速調制下就會出現啁啾現象，從而嚴重影響系統性能和激光器調制速率的提高。此外，當半導體激光器應用于干涉測量、相干探測時，由于半導體激光器本身光束發散、光束相干性較差，若不對其進行整形和線寬壓窄，半導體激光器將不能有效應用于干涉測量系統中。可以看出，窄線寬半導體激光器應用范圍廣泛，有很大市場需求；而如何對當前普通半導體激光器尤其是廣泛使用的分布反饋半導體激光器或是分布布拉格反射半導體激光器進行線寬壓窄則成為亟需解決的問題。研究人員已經探索出了一些壓窄激光器線寬的方法，如提高半導體激光器輸出功率、外腔反饋、提高微分增益等。通過提高激光器輸出功率來壓窄線寬的方法受飽和輸出功率的影響，線寬并不能被無限壓窄，在實際中并不實用；提高微分增益則常用在量子阱激光器中；而較成熟且實用的壓窄激光器線寬的方法是外腔反饋法。F-P標準具廣泛應用于計量學、光譜學、天文學等方面，常作為激光器諧振腔、梳狀濾波器、可調諧濾波器、波長鎖定器等應用，它是一種應用非常靈活的光學器件。F-P標準具的透射特性根據光束入射角和兩反射鏡的間距來確定，器件參數由自由光譜范圍(FSR)和精細度表征。F-P標準具作為濾波器或波長鎖定器來使用使，通過調節激光器輸出波長，使輸出波長與標準具的峰值透射譜重合，這樣就可以使激光器單模輸出，并且輸出波長或頻率更加穩定。這對于密集波分復用(DWDM)系統中減小波長間隔、增加信道頻率穩定性也具有重要作用。
發明內容
(一 )要解決的技術問題
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，以有效壓窄分布反饋半導體激光器線寬，同時通過使用F-P標準具實現該外腔半導體激光器的頻率自鎖定。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，包括在光路上依次設置的半導體激光器a、準直透鏡b、偏振棱鏡c、第一 1/4波片d、F-P標準具e、第二 1/4波片f、前腔面反射鏡g、隔離器h、聚焦透鏡i和光纖j。上述方案中，所述半導體激光器a選用分布反饋半導體激光器，或者選用分布布拉格反射(DBR)半導體激光器。所述半導體激光器a的左端面入光口鍍高反射膜，右端面出光口鍍增透膜。上述方案中，所述準直透鏡b的前后端面均鍍有增透膜，以避免反射。
上述方案中，為避免反射，所述偏振棱鏡c在前后端面均鍍有增透膜，或者略微傾斜一個角度。上述方案中，所述F-P標準具e兩端面均鍍有高反膜，以實現高Q值濾波器。所述F-P標準具e的腔長，使其自由光譜范圍達到50GHz或100GHz，且透射波長與ITU-T標準波長匹配。上述方案中，為避免反射，所述第一 1/4波片d和所述第二 1/4波片f均鍍有增透膜；當線偏振光經過第一 1/4波片d后，變成圓偏振光，如果光波中心波長與所述F-P標準具e的透射波長不匹配時，圓偏振光將被所述F-P標準具e的第一個端面反射，再次經過第
一1/4波片d后,變為線偏振光,偏振方向與原來垂直,從而經過所述偏振棱鏡c后,光路改變90度出射，不會注入到所述半導體激光器a，此時也沒有光輸出；如果光波中心波長與所述F-P標準具e透射波長對準時，圓偏振光透過所述F-P標準具e，經過第二 1/4波片f后，變成與原偏振方向垂直的線偏振光，再經過所述前腔面反射鏡g后反射，沿原光路返回，分別經過所述第二 1/4波片f、所述F-P標準具e和所述第一 1/4波片d后，變成線偏振光，且與原振動方向一致，經過所述偏振棱鏡c和所述準直透鏡b后，注入所述半導體激光器a。上述方案中，所述前腔面反射鏡g左側端面鍍有一定比例的反射膜，在右側鍍有增透膜。上述方案中，該分布反饋外腔窄線寬半導體激光器或者是將光在其左側輸出，在右側實現反饋鎖定，此時該分布反饋外腔窄線寬半導體激光器左側耦合輸出結構為一準直透鏡、一隔離器、一聚焦透鏡和一稱合輸出光纖。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，是基于F-P標準具和平面鏡的外腔反饋半導體激光器，能夠有效壓窄光源線寬，且通過使用F-P標準具實現該外腔半導體激光器的頻率自鎖定。2、本發明提供的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，適當調節激光器的工作電流或工作溫度，使得激光器的激射波長與F-P標準具的峰值增益譜重合，這樣既能實現單縱模激射提高邊模抑制比實現頻率自鎖定，也能使得反饋光增益大大增強，提高注入光的強度，使輸出光線寬顯著壓窄。
為了進一步說明本發明的具體技術內容和結構特征，以下結合實施例和附圖對本發明做詳細說明，其中圖I是本發明提供的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器的結構示意圖；圖2是本發明提供的F-P標準具峰值增益譜與半導體激光器的單縱模譜圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖I所示，圖I是本發明提供的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，包括—單端輸出半導體激光器a，其左端面鍍反射膜，右端出光口鍍增透膜；這樣一方面使激光器產生的激光盡可能多的輸出，另一方面使從右端反饋的光盡可能多的進入半導體激光器有源區；一準直透鏡b，使半導體激光器a激射出的光平行地通過后面各個光學元件，對光路進行準直，使用時需要在準直透鏡兩個端面上鍍增透膜以降低反射率；二 1/4波片，即第一 1/4波片d和第二 1/4波片f，使通過該波片的線偏振光變為橢圓偏振光或圓偏振光，這兩個1/4波片配合偏振棱鏡c和F-P標準具e使用，以避免不需要的反饋光反饋回激光器有源區；這兩個1/4波片的前后端面都需要鍍增透膜；—偏振棱鏡c,在正向光路(從激光器輸出端到I禹合光纖j)時經過準直透鏡b的各個方向的線偏振光再經過該偏振棱鏡c時，將只有特定方向(根據構成棱鏡的兩塊晶體的主軸方向或者根據棱鏡的具體參數而定)的線偏振光能夠通過，其它方向的偏振光將被反射到其它方向；在反向光路時，也將只有特定偏振方向的線偏振光能夠通過該偏振棱鏡c而反饋回半導體激光器a的有源區，使用時需注意在其兩端面處鍍增透膜。— F-P標準具e,當線偏振光經過第一 1/4波片d后,變成圓偏振光,如果光波中心波長與F-P標準具e的透射波長不匹配時，圓偏振光將被F-P標準具e的第一個端面反射，再次經過第一 1/4波片d后，變為線偏振光，偏振方向與原來垂直，從而經過偏振棱鏡c后，光路改變90度出射，不會注入到半導體激光器a。此時也沒有光輸出；如果光波中心波長與F-P標準具e透射波長對準時，圓偏振光透過F-P標準具e，經過第二 1/4波片f后，變成與原偏振方向垂直的線偏振光，再經過前腔面反射鏡g后反射，沿原光路返回，經過多次分別經過第二 1/4波片f，F-P標準具e和第一 1/4波片d后，變成線偏振光，且與原振動方向一致，經過偏振棱鏡c和準直透鏡b后，注入半導體激光器a。一前腔面反射鏡g，左端面鍍一定比例的反射膜，形成一外腔，提供反饋光，右側鍍增透膜；一隔離器h，防止光纖端面的反射光進入反向光路；一聚焦透鏡i，將光路中的平行光聚焦耦合進入光纖j ;一錐形頭光纖j，聚焦透鏡后的光纖頭為錐形的，以降低光纖端面的反射率，同時在該光纖頭端面鍍增透膜以提高輸出光的耦合效率。請再參閱圖I，在上述頻率自鎖定分布反饋外腔窄線寬半導體激光器中，光的行為分析如下I.將半導體激光器a激射的激光通過準直透鏡b進行準直后射向偏振棱鏡c ；2.偏振棱鏡c只能使特定偏振方向的線偏振光通過,它能夠在正向光路和反向光路上對不同偏振態的光進行選擇性通過，與兩個1/4的波片和F-P標準具e配合使用時，光的行為是當線偏振光經過第一 1/4波片d后，變成圓偏振光，如果光波中心波長與F-P標準具e的透射波長不匹配時，圓偏振光將被F-P標準具e的第一個端面反射，再次經過第一1/4波片d后,變為線偏振光,偏振方向與原來垂直,從而經過偏振棱鏡c后,光路改變90度 出射，不會注入到半導體激光器a。此時也沒有光輸出；如果光波中心波長與F-P標準具e透射波長對準時，圓偏振光透過F-P標準具e，經過第二 1/4波片f后，變成與原偏振方向垂直的線偏振光，再經過前腔面反射鏡g后反射，沿原光路返回，經過多次分別經過第二 1/4波片f，F-P標準具e和第一 1/4波片d后，變成線偏振光，且與原振動方向一致，經過偏振棱鏡c和準直透鏡b后,注入半導體激光器a。3.前腔面反射鏡g作為外腔鏡，從平面鏡處反射回F-P標準具e的某一波長的光與F-P標準具e的峰值增益譜一致時(這可以通過調節半導體激光器的激射波長來實現)，反饋光的增益將大大提高，且其它模式的光被大大抑制而達到單模頻率鎖定狀態，這樣又由于外腔對線寬的壓窄作用，即可實現本發明提出的頻率自鎖定分布反饋外腔窄線寬半導體激光器。4.隔離器h用來隔離聚焦透鏡及光纖端面處的反射光。如圖2所示，為F-P標準具的增益譜和半導體激光器的單縱模譜圖；適當調節激光器的工作電流或工作溫度，使得激光器的激射波長與F-P標準具的峰值增益譜重合，這樣既能實現單縱模激射提高邊模抑制比實現頻率自鎖定，也能使得反饋光增益大大增強，提高注入光的強度，使輸出光線寬顯著壓窄。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，包括在光路上依次設置的半導體激光器(a)、準直透鏡(b)、偏振棱鏡(C)、第一 1/4波片(d)、F_P標準具(e)、第1/4波片(f)、前腔面反射鏡(g)、隔離器(h)、聚焦透鏡(i)和光纖(j)。
2.根據權利要求I所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器(a)選用分布反饋半導體激光器，或者選用分布布拉格反射(DBR)半導體激光器。
3.根據權利要求2所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器(a)的左端面入光口鍍高反射膜，右端面出光口鍍增透膜。
4.根據權利要求I所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，所述準直透鏡(b)的前后端面均鍍有增透膜，以避免反射。
5.根據權利要求I所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，為避免反射，所述偏振棱鏡(C)在前后端面均鍍有增透膜，或者略微傾斜一個角度。
6.根據權利要求I所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，所述F-P標準具(e)兩端面均鍍有高反膜，以實現高Q值濾波器。
7.根據權利要求6所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，所述F-P標準具(e)的腔長，使其自由光譜范圍達到50GHz或100GHz，且透射波長與ITU-T標準波長匹配。
8.根據權利要求I所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，為避免反射，所述第一 1/4波片(d)和所述第二 1/4波片⑴均鍍有增透膜； 當線偏振光經過第一 1/4波片(d)后，變成圓偏振光，如果光波中心波長與所述F-P標準具(e)的透射波長不匹配時，圓偏振光將被所述F-P標準具(e)的第一個端面反射，再次經過第一 1/4波片(d)后，變為線偏振光，偏振方向與原來垂直，從而經過所述偏振棱鏡(c)后，光路改變90度出射，不會注入到所述半導體激光器(a)，此時也沒有光輸出； 如果光波中心波長與所述F-P標準具(e)透射波長對準時，圓偏振光透過所述F-P標準具(e)，經過第一 1/4波片(f)后，變成與原偏振方向垂直的線偏振光，再經過所述前腔面反射鏡(g)后反射，沿原光路返回，分別經過所述第二 1/4波片(f)、所述F-P標準具(e)和所述第一 1/4波片(d)后，變成線偏振光，且與原振動方向一致，經過所述偏振棱鏡(C)和所述準直透鏡(b)后，注入所述半導體激光器(a)。
9.根據權利要求I所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，所述前腔面反射鏡(g)左側端面鍍有一定比例的反射膜，在右側鍍有增透膜。
10.根據權利要求1、2或3所述的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，其特征在于，該分布反饋外腔窄線寬半導體激光器或者是將光在其左側輸出，在右側實現反饋鎖定，此時該分布反饋外腔窄線寬半導體激光器左側耦合輸出結構為一準直透鏡、一隔離器、一聚焦透鏡和一 I禹合輸出光纖。
全文摘要
本發明公開了一種實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，包括在光路上依次設置的半導體激光器(a)、準直透鏡(b)、偏振棱鏡(c)、第一1/4波片(d)、F-P標準具(e)、第二1/4波片(f)、前腔面反射鏡(g)、隔離器(h)、聚焦透鏡(i)和光纖(j)。本發明提供的實現頻率自鎖定的分布反饋外腔窄線寬半導體激光器，能夠有效壓窄光源線寬，且通過互注入實現該外腔半導體激光器的頻率自鎖定。
文檔編號H01S5/068GK102709811SQ20121020857
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者劉宇, 劉建國, 黃寧博 申請人:中國科學院半導體研究所