一种基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法

摘要

一种基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，属于光电工程技术领域。本调谐方法是：通过外置反射镜，将激光器输出光反馈回激光器。利用半导体激光器的自混合效应，通过改变反馈光强度实现激光器输出波长的调谐。控制后向反馈光强度的方式包括：在激光器和反射镜之间插入线偏振片、衰减片、可变光阑，或者调节反射镜的俯仰。本发明提出了调谐激光器输出波长的新方法，可以有效地避免由于波长调谐而伴随产生的功率较大的变化，实现波长调谐而输出光功率相对稳定的目的。另外，本发明可以应用于对固定波长激光器进行外部改装，使其波长可调，简单易行，大大降低了系统改装成本。

权利要求

1.基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)使激光器输出光被一外部分光镜分束；所述分光镜入射角在5-75°之间，透射比率为60-90％；

(2)分光镜的反射光入射到反射镜后，被部分反馈回激光器；

(3)通过控制进入激光腔的后向反馈光的强度调谐激光器输出波长；

(4)用光谱仪记录不同反馈强度下的激光器输出波长，将光反馈强度与激光器输出波长对应。

2.根据权利要求1所述的基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特征在于：所述步骤(3)中反馈光强度通过以下方式控制：在激光器和反射镜之间垂直于光路插入线偏振片，在垂直于光路的平面内旋转线偏振片的角度，改变反馈光强度。

3.根据权利要求1所述的基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特征在于：所述步骤(3)中反馈光强度通过以下方式控制：在激光器和反射镜之间插入衰减强度渐变的中性密度滤光片或衰减片，并调节衰减强度，改变反馈光强度。

4.根据权利要求1所述的基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特征在于：所述步骤(3)中反馈光强度通过以下方式控制：在激光器和反射镜之间插入可变光阑，调节通光孔径大小，改变反馈光强度。

5.根据权利要求1所述的基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特征在于：所述步骤(3)中反馈光强度通过以下方式控制：调节反射镜的俯仰，使反馈光束发生倾斜，通过改变光束反馈回激光器的比率，改变反馈光强度。

6.根据权利要求1所述的基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特征在于：所述步骤(2)中反射镜反射率大于95％。

说明书

一种基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于调谐激光器输出波长的方法，特别涉及调谐半导体激光器输出波长的方法。技术背景

[0002] 随着光通信网络传输容量的扩展，对波长数的需求越来越多，而目前光通信网络用的传统光源是固定波长激光器，因此需要为每个波长信道匹配多个固定波长的激光器，这样就导致成本上升、管理复杂化和设备数量增大。可调谐波长激光器，不仅解决了系统设计所面临的诸多问题，极大提升了光网络效率，还降低了生产管理成本。因此调谐激光器输出波长是一个非常重要的课题。

[0003] 半导体激光器一般采用各种Fabry-Perot谐振腔，腔长、温度、能隙、增益、载流子浓度、折射率等均可影响其发射波长。现有的半导体激光器波长调谐方法可分为：

[0004] (1)电流控制技术

[0005] 改变半导体激光器注入电流可以改变其输出波长，其调谐机理可以解释为：注入电流的变化引起载流子浓度改变，从而改变了折射率(或增益系数)，实现波长调谐。但是，波长被调谐的同时，光强也被调制。对于一般的半导体激光器典型的波长-电流调制率为0.01nm/mA，而光功率-电流调制率为0.3mW/mA(谢建平，王沛等；半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术，《量子电子学报》2002，19(2)：97)。在改变输出波长的同时，输出光强也随之改变，这对一些应用是非常不利的。在实际的应用中还要配有稳光、稳流电路等，使系统更加复杂化。

[0006] (2)温度控制技术

[0007] 基于温度控制技术的激光器波长调谐是利用温度控制增益介质的折射率和能隙来实现的。模块内置有Fabry-Perot标准具和光功率探测器，两个热电制冷器和光放大器(武成宾，古渊等；可调谐激光技术及在DWDM系统应用[J]，《光通信技术》，2003，(6)：1-2)。这种控制技术的缺点是结构复杂且调谐宽度不宽，一般只有几个nm；调谐稳定时间比较长，一般需要几秒。随着调节温度的上升，有效输出功率会有所下降。

[0008] (3)机械调谐技术

[0009] 采用在激光腔内插入色散原件将不同波长的激光在空间分离，设法使所需频率的光在腔内形成振荡，其他波长的光束因不能起振而被抑制掉，从而实现半导体激光器的波长调谐。目前，采用在机械调谐中，MEMS(微机电系统)结构是最有希望的一种技术(周南权，陶纯匡等；光栅光阀实现外腔半导体激光器波长调谐研究，《激光与红外》，2008，38(2)：115)，可获得大范围调谐的激光器。目前调谐间隔在0.8nm，但调谐速度一般需要几秒的调谐时间。

发明内容

[0010] 本发明要解决的技术问题：克服现有半导体激光器波长调谐技术的不足，提供一种结构简单，成本低廉且光学系统调节方便的半导体激光器波长调谐方法。

[0011] 本发明的技术方案是：基于自混合效应调谐激光器输出波长的方法，其特点在于：激光器输出光入射到外部反射镜后，被部分反馈回激光器，通过改变反馈光强度，使激光器输出光波长发生改变，实现激光器输出波长的调谐，其中激光器输出波长变化量的表达式为： 其中C表示反馈光强度；α为线宽因子；τ为光
在外腔往返时间；λ、λ0分别表示有、无光反馈时激光器输出光波长；c为真空中光速。

[0012] 具体实现步骤如下：

[0013] (1)使激光器输出光被一外部分光镜分束；

[0014] (2)分光镜的反射光入射到反射镜后，被部分反馈回激光器；

[0015] (3)通过控制进入激光腔的后向反馈光的强度调谐激光器输出波长；

[0016] (4)用光谱仪记录不同反馈强度下的激光器输出波长，将光反馈强度与激光器输出波长对应。

[0017] 所述激光器工作条件固定，即温度、注入电流等因素都不需要改变。

[0018] 所述步骤(1)中分光镜入射角可在5-75°之间，透射比率为60-90％。

[0019] 所述步骤(2)中反射镜反射率大于95％。

[0020] 所述步骤(3)中反馈光强度通过以下方式控制：

[0021] a.在激光器和反射镜之间垂直于光路插入线偏振片，在垂直于光路的平面内旋转线偏振片的角度，改变反馈光强度；

[0022] b.在激光器和反射镜之间插入衰减强度渐变的中性密度滤光片或衰减片，并调节衰减强度，改变反馈光强度；

[0023] c.在激光器和反射镜之间插入可变光阑，调节通光孔径大小，改变反馈光强度；

[0024] d.调节反射镜的俯仰，使反馈光束发生倾斜，通过改变光束反馈回激光器的比率，改变反馈光强度。

[0025] 本发明的原理是：激光器的自混合效应是指激光器输出光被外部物体反射后，又重新回到激光器谐振腔，与腔内光相混合后，调制激光器的输出频谱。这样激光器谐振腔就由内腔和外腔共同组成，构成了复合腔。Lang和Kobayashi利用复合腔模型，考虑反馈光的影响，给出了带外腔的半导体激光器速率方程，即L-K方程。通过求解该速率方程的稳态解，可以得到在反馈光作用下激光器的振荡波长。其波长变化量表示为：其中C表示光反馈水平(反馈光越强，C值越大)；
α为线宽因子；τ为光在外腔往返时间；λ、λ0分别表示有、无光反馈时激光器输出光波长；c为真空中光速。由此可见，激光器输出光波长变化量是和外腔反馈强度紧密相关的。
故通改变反馈光强度，就实现了波长的调谐。

[0026] 本发明与现有技术相比所具有的优点：

[0027] (1)与电流控制技术相比，本发明有效地抑制由于波长调谐而伴随产生的功率变化，实现波长调谐而输出光功率相对稳定的目的；

[0028] (2)与温度控制技术相比，本发明实验结构简单，输出波长稳定性好，重复性精度高；

[0029] (3)与其它机械调谐技术相比，本发明是在激光器外部进行操作，简单易行，调谐控制方便；

[0030] (4)另外，根据本发明可以对固定波长激光器进行简单外部改装，使其波长可调，大大降低了系统改装成本，而且不会影响原有激光器的性能。

附图说明

[0031] 图1为本发明的基于自混合效应调节激光器输出波长的方法示意图；

[0032] 图2a、图2b、图2c分别为3种不同反馈光强度所对应的激光器输出频谱；纵坐标为归一化的谱线强度，横坐标为波长。

具体实施方式

[0033] 如图1所示，本发明的装置由激光器1、分光镜2、可变衰减片3、反射镜4、光谱仪5、探测器6、光功率计7组成。其中探测器6一般采用光电二极管或光电倍增管探测器。

[0034] 本发明方法的具体实施如下：如图1所示，激光器1采用连续半导体激光器，输出波长为1060nm，由于其在不可见波段，在实验过程中可引入一路可见光，作为辅助光路，便于后续光路调节；分光镜2为45°分光镜，在保证反馈光强度可以满足实验所需的情况下，尽量增加分光镜的透射比例，使输出光功率尽可能大，通过实验数据分析，选取分光镜的透射比例为60％；经分光镜2的反射光入射到反射镜4，调节反射镜4使反馈光为准直光反馈，即反射镜4的反射光线与入射光线完全重合，按原路反馈回激光器，反之为非准直光反馈，即反射镜4的反射光线与入射光线完不完全重合，返回激光器的反馈光和激光器输出光存在一定的小夹角；在分光镜2和反射镜4之间插入可变衰减片3，用来控制反馈光的强度。利用光谱仪5来监测反射镜4所透射光的波长；反馈光经分光镜2后，其透射光进入探测器
6，这样就可以计算出反馈光的强度。在调节可变衰减片3时，探测器6和光谱仪5就可以记录下不同反馈光强度下激光器的输出波长。为了判断激光器输出功率受反馈光的影响程度，利用光功率计7来检测激光器的输出功率，实验表明激光器输出功率受反馈光影响波动十分微小。

[0035] 实验中选用的激光器初始波长λ0＝1060nm，线宽因子α为6，光在外腔往返时间τ为10ns。反馈比率定义为10log(反馈回激光器功率/激光器输出功率)，调节可变衰减片10，在较强光反馈，反馈比率≈-15dB时，C值约为5600，将上述参数带入方程，可以求得λ＝1064nm，实际测得激光器输出频谱如图2-1所示，与计算所得结果一致；逐渐降低反馈光强度，当反馈比率≈-20dB时，C值约为1800，通过公式计算所得波长1060.3nm，实测激光器输出频谱如图2-2示；当反馈比率≈-25B时，C值约为960，通过公式计算所得波长1059.4nm，实测激光器输出频谱如图2-3所示。

[0036] 可变衰减片调节到不同位置xn对应一定的激光器输出波长λn，即反馈比率与激光器输出波长一一对应(xn→λn)之后，图1中所示的探测器6、光功率计7和光谱仪5均可略去。只需调节反射镜4使反馈光为准直光反馈，转动可变衰减片3到不同位置xn，即可达到调谐激光器输出波长的目的。可以看出激光器波长调谐装置结构简单、调节方便。

[0037] 上述方案中，采用的是可变衰减片来改变反馈光的强度。用可变光阑来替换可变衰减片3，同样可以达到改变反馈光强度的目的，可变光阑的通光孔径越小，其光功率透射率越低，反之光功率透射率越高，这样就可实现不同大小的通光孔径对应不用的反馈光强度，即对应不同的输出波长。同样，实验中所用激光器输出光为线偏振光，将可变衰减片3换成一线偏振片也可达到预期目的，若线偏振片的偏振方向和激光器输出光偏振方向平行，偏振片对激光的透射率最大(即反馈光强度最大)，若线偏振片的偏振方向和激光器输出光偏振方向垂直，偏振片对其透射率最小(即反馈光强度约为零)，因此旋转线偏振片，改变线偏振片的偏振方向和激光器输出光偏振方向的夹角，就可实现改变反馈光强度的目的，从而调谐激光器输出波长。以上方法都是在准直光反馈情况下，通过各类光学元件来改变反馈光强度的，若利用非准直光反馈特性来调节反馈光的强度，则光路中不需加入可变衰减片(可变光阑/线偏振片)3，只需调节反射镜4的倾角即可实现反馈光强度的调节，其原理是：通过改变反馈光的倾角来控制进入激光器的光强比率，返回激光器的反馈光和激光器输出光的夹角越小反馈强度越大，因此调节反射镜4的倾角即可实验控制反馈光强度的目的，实验激光器输出波长的调谐。

[0038] 总之，本发明提出了调谐激光器输出波长的新方法，可以有效地避免由于波长调谐而伴随产生的功率较大的变化，实现波长调谐而输出光功率相对稳定的目的。另外，本发明可以应用于对固定波长激光器进行外部改装，使其波长可调，简单易行，大大降低了系统改装成本。