一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源

摘要

本发明的一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，包括多段式分布布拉格反射DBR半导体激光器，依次分别是前光栅区、相位区、有源区与后光栅区，还包括T型偏置器Bias‑T，对激光器的各区分别用电流进行控制，有源区的注入电流为激光器提供增益，通过电流注入使前光栅区、后光栅区的光反射谱发生移动，两个光反射谱之间的游标效应产生有效的模式选择，通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的直流电流使腔模产生平移，实现种子源光谱均匀展宽；调节相位区注入的直流电流，使种子源波长连续调谐。本发明结构紧凑、体积小巧，成本低廉，适用于数千瓦级高功率窄线宽光纤激光器，可大幅度提升激光器的SBS阈值，进而提高激光器输出功率。

权利要求

1.一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，包括多段式分布布拉格反射DBR半导体激光器，依次分别是前光栅区、相位区、有源区与后光栅区，其特征在于还包括T型偏置器Bias‑T，对激光器的各区分别用电流进行控制，有源区的注入电流为激光器提供增益，前光栅区、后光栅区为周期不同的取样光栅，构成模式滤波器，通过电流注入使前光栅区、后光栅区的光反射谱发生移动，两个光反射谱之间的游标效应产生有效的模式选择，所述T型偏置器Bias‑T与相位区电连接，通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的直流电流使腔模产生平移，通过Bias‑T注入相位区的调制电流对种子源出射波长进行调制，实现种子源光谱均匀展宽；调节相位区注入的直流电流，调节前光栅区、后光栅区注入直流电流，使种子源波长连续调谐，种子源后光栅区端面镀高反膜，前光栅区端面镀增透膜实现激光输出；

所述的前光栅区、后光栅区与相位区均为无源材料，其禁带宽度大于有源区，有源区为多量子阱材料，增益谱范围可覆盖1μm‑1.1μm；

所述有源区量子阱材料为InxGa1‑xAs，改变In原子比例x实现中心波长1μm‑1.1μm激射，所述无源材料为GaAs，禁带宽度大于量子阱材料，不吸收1μm‑1.1μm波段光子；

所述取样光栅是对标准分布布拉格反射光栅进行取样得到，取样光栅为梳状反射谱，反射峰间隔 ng为群折射率，Ls为取样周期，采用一阶布拉格光栅；

所述相位区调制电流仅对相位区折射率调制，不改变种子源的输出光强度，其频率调制过程无寄生强度调制，具体地，频率调制是对相位区注入电流进行调制，改变激光器有效腔长实现输出波长的调制，相位区为无源材料，其禁带宽度大于有源区材料，有源区产生光子经过相位区不被自由载流子吸收，不影响激光器输出光强度。

2.根据权利要求1所述的用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，其特征在于所述DBR半导体激光器为GaAs基半导体激光器，线宽小于1MHz，光纤耦合输出功率大于

50mW。

3.根据权利要求1或2所述的用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，其特征在于所述通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的调制电流为锯齿、三角波或噪声格式信号，调制频率在10GHz以内，或者给以直流电对波长进行微调。

4.根据权利要求3所述的用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，其特征在于所述相位区调制电流仅对相位区折射率调制，不改变种子源的输出光强度，其频率调制过程无寄生强度调制，具体地，频率调制是对相位区注入电流进行调制，改变激光器有效腔长实现输出波长的调制，相位区为无源材料，其禁带宽度大于有源区材料，有源区产生光子经过相位区不被自由载流子吸收，不影响激光器输出光强度。

5.根据权利要求1所述的用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，其特征在于还包括聚焦透镜和单模保偏光纤，光谱均匀展宽后的种子光通过前光栅区端面镀增透膜实现激光输出，然后通过聚焦透镜耦合进单模保偏光纤实现光纤耦合输出。

6.一种根据权利要求1‑5中任一项所述的用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源的用途，其特征在于所述调频式半导体种子源适用于1μm波段的高功率掺镱光纤激光器，高功率掺镱光纤激光器具备数千瓦级功率放大能力。

说明书

一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源

技术领域

[0001] 本发明属于高功率窄线宽光纤激光器领域，具体涉及一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源。主要用于提高光纤激光器的受激布里源散射阈值。

背景技术

[0002] 随着科技发展和经济增长，在工业制造和军事防御领域，对激光系统的功率提出越来越高的要求。光纤激光器具有效率高、体巧小、光束质量优异、工作稳定、环境适应性强等突出优势，在高功率激光领域得到了广泛应用。单纤输出功率有限，功率合成是进一步提升光纤激光功率与亮度的一种有效途径，而相干合成、光谱合成等均要求子光束具有较窄的线宽，高功率窄线宽光纤激光器技术成为光纤激光领域的研究重点。

[0003] 在高功率情况下，SBS是影响窄线宽光纤激光功率进一步提升的主要因素之一。人们提出了多种方法抑制高功率窄线宽光纤激光器的SBS，例如采用高速相位调制的方法展宽单频种子源的光谱，有效降低种子源的功率谱密度，提升SBS阈值，但是相位调制方式结构复杂、成本高；再例如采用光纤布拉格光栅(FBG)组成的光纤振荡器种子源方案，但是基于FBG的种子源为多纵模结构，该类型种子源在功率放大过程中会由于四波混频产生显著的光谱展宽，不利于高功率窄线宽光纤激光器应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，采用多段式DBR半导体激光器作为高功率窄线宽光纤激光器种子源，通过相位区注入调制电流实现种子源波长快速变化，使激光波长连续快速调谐，激光波长按照调制信号的强度变化而改变，实现激光光谱均匀展宽，作为光纤激光器种子源，抑制光纤激光SBS。

[0005] 本发明提供了一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，包括多段式分布布拉格反射DBR半导体激光器，依次分别是前光栅区、相位区、有源区与后光栅区，其特征在于还包括T型偏置器Bias‑T，对激光器的各区分别用电流进行控制，有源区的注入电流为激光器提供增益，前光栅区、后光栅区为周期不同的取样光栅，构成模式滤波器，通过电流注入使前光栅区、后光栅区的光反射谱发生移动，两个光反射谱之间的游标效应产生有效的模式选择，所述T型偏置器Bias‑T与相位区电连接，通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的直流电流使腔模产生平移，通过Bias‑T注入相位区的调制电流对种子源出射波长进行调制，实现种子源光谱均匀展宽；调节相位区注入的直流电流，调节前光栅区、后光栅区注入直流电流，使种子源波长连续调谐，种子源后光栅区端面镀高反膜，前光栅区端面镀增透膜实现激光输出。

[0006] 进一步地，所述DBR半导体激光器为GaAs基半导体激光器，线宽小于1MHz，光纤耦合输出功率大于50mW。边模抑制比(SMSR)大于50dB，该类种子源输出波长可覆盖1μm‑1.1μm[0007] 进一步地，所述通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的调制电流为锯齿、三角波或噪声格式信号，调制频率在10GHz以内，或者给以直流电对波长进行微调。种子源输出波长随调制电流幅度变化而线性变化，实现种子源3dB线宽1MHz‑100GHz任意可调，且在波长调制过程中不产生模式跳变现象。

[0008] 进一步地，所述的前光栅区、后光栅区与相位区均为无源材料，其禁带宽度大于有源区，有源区为多量子阱材料，增益谱范围可覆盖1μm‑1.1μm。

[0009] 进一步地，所述有源区量子阱材料为InxGa1‑xAs，改变In原子比例x(Inx右下角的x值)实现中心波长1μm‑1.1μm激射，所述无源区材料为GaAs，禁带宽度(1.424eV)大于量子阱材料，不吸收1μm‑1.1μm波段光子，可避免对有源区光子的吸收。

[0010] 进一步地，所述取样光栅是对标准分布布拉格反射光栅进行取样得到，取样光栅为梳状反射谱，反射峰间隔 ng为群折射率，Ls为取样周期，采用一阶布拉格光栅。

[0011] 所述前光栅区、后光栅区注入直流电流，改变光栅反射谱位置，实现纵模选择与波长调谐。

[0012] 进一步地，所述相位区调制电流仅对相位区折射率调制，不改变种子源的输出光强度，其频率调制过程无寄生强度调制，具体地，频率调制是对相位区注入电流进行调制，改变激光器有效腔长实现输出波长的调制，相位区为无源材料，其禁带宽度大于有源区材料，有源区产生光子经过相位区不被自由载流子吸收，不影响激光器输出光强度。

[0013] 相位区注入直流电流实现种子源纵模精细调谐，相位区的直流电流使腔模产生平移，用相位区直流微调即精细调波长，波长微调量就是平移量。

[0014] 进一步地，还包括聚焦透镜和单模保偏光纤，光谱均匀展宽后的种子光通过前光栅区端面镀增透膜实现激光输出，然后通过聚焦透镜耦合进单模保偏光纤实现光纤耦合输出(并与高功率窄线宽掺镱光纤激光器的放大模块进行熔接，提升其SBS阈值)。

[0015] 进一步地，所述调频式半导体种子源适用于1μm波段的高功率掺镱光纤激光器，具备数千瓦级功率放大能力。

[0016] 本发明采用GaAs基的多段式DBR激光器，并结合相位区Bias‑T，实现相位区电流高速调制，使激光波长连续快速调谐，激光波长按照调制信号的强度变化而改变，实现激光光谱均匀展宽，作为光纤激光器种子源，抑制光纤激光SBS。通过相位区注入调制电流实现种子源波长快速变化，一方面降低种子光的功率谱密度，另一方面使种子源波长在声子寿命时间内改变量大于光纤的布里渊频移量，使声子数无法积累，从而提高窄线宽光纤激光器SBS阈值，大幅提升高功率窄线宽光纤激光器的输出功率，具有体积小、结构紧凑，成本低廉的优点。

[0017] 本发明技术原理：在高功率窄线宽光纤激光器中，当光强度足够高时，光纤中的自发(不同于受激)布里渊散射光将变得非常的强；此时，入射光场和散射光场将产生拍频现像，通过电致伸缩效应引起光纤介质密度和压力的变化；伴随着介质密度波动，将产生声子，入射光场将进一步被后向散射；随着散射光逐渐增强，声波扰动将快速产生，如此，当光强度达到SBS阈值时，声子和散射光彼此迅速增强；光纤的SBS阈值与光谱宽度有关，光谱越宽SBS阈值越大，即光谱展宽了，SBS阈值就会提高；此外，通过抑制声子的产生也可以提升SBS阈值。

[0018] 多段式DBR半导体激光器的相位区注入调制电流，会引起相位区载流子浓度变化，载流子浓度变化导致相位区折射率变化，进而导致激光器有效腔长发生变化，使得DBR半导体激光器出射频率快速改变，即产生频率调制使激光光谱展宽，提升SBS阈值。此外，DBR半导体激光器的频率在声子寿命内移动量超过光纤的布里渊频移量，使声子得不到积累，进一步提升光纤激光器的SBS阈值。

[0019] 与现有技术相比，本发明结构紧凑、体积小巧，成本低廉，适用于数千瓦级高功率窄线宽光纤激光器，可大幅度提升激光器的SBS阈值，进而提高激光器输出功率。

附图说明

[0020] 图1为本发明一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源结构示意图。

[0021] 图中：1‑后光栅区，2‑相位区，3‑有源区，4‑前光栅区，5‑T型偏置器(Bias‑T)，6‑聚焦透镜，7‑单模保偏光纤。

具体实施方式

[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。

[0023] 如图1所示，本发明的一种用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源，包括多段式分布布拉格反射DBR半导体激光器，依次分别是前光栅区、相位区、有源区与后光栅区，还包括T型偏置器Bias‑T，对激光器的各区分别用电流进行控制，有源区的注入电流为激光器提供增益，前光栅区、后光栅区为周期不同的取样光栅，构成模式滤波器，通过电流注入使前光栅区、后光栅区的光反射谱发生移动，两个光反射谱之间的游标效应产生有效的模式选择，

[0024] 所述T型偏置器Bias‑T与相位区电连接，通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的直流电流使腔模产生平移，通过Bias‑T注入相位区的调制电流对种子源出射波长进行调制，实现种子源光谱均匀展宽；调节相位区注入的直流电流，调节前光栅区、后光栅区注入直流电流，使种子源波长连续调谐，种子源后光栅区端面镀高反膜，前光栅区端面镀增透膜实现激光输出。

[0025] 所述DBR半导体激光器为GaAs基半导体激光器，线宽小于1MHz，光纤耦合输出功率大于50mW，边模抑制比(SMSR)大于50dB，该类种子源输出波长可覆盖1μm‑1.1μm。

[0026] 所述通过T型偏置器Bias‑T注入相位区的调制电流为锯齿、三角波或噪声格式信号，调制频率在10GHz以内，或者给以直流电对波长进行微调。种子源输出波长随调制电流幅度变化而线性变化，实现种子源3dB线宽1MHz‑100GHz任意可调，且在波长调制过程中不产生模式跳变现象。

[0027] 所述的前光栅区、后光栅区与相位区均为无源材料，其禁带宽度大于有源区，有源区为多量子阱材料，增益谱范围可覆盖1μm‑1.1μm，此波长通讯领域不用，借用其快速调谐的思想，本发明使用本结构与本方法，通过波长连续快速调谐，使激光光谱均匀展宽，抑制光纤受激布里渊散射。

[0028] 所述有源区量子阱材料为InxGa1‑xAs，改变In原子比例x(Inx右下角的x值)实现中心波长1μm‑1.1μm激射，所述无源区材料为GaAs，禁带宽度(为1.424eV)大于量子阱材料，不吸收1μm‑1.1μm波段光子，可避免对有源区光子的吸收。

[0029] 具体地，所述取样光栅是对标准分布布拉格反射光栅进行取样得到，取样光栅为梳状反射谱，反射峰间隔 ng为群折射率，Ls为取样周期，采用一阶布拉格光栅。所述前光栅区、后光栅区注入直流电流，改变光栅反射谱位置，实现纵模选择与波长调谐。

[0030] 所述相位区调制电流仅对相位区折射率调制，不改变种子源的输出光强度，其频率调制过程无寄生强度调制，具体地，频率调制是对相位区注入电流进行调制，改变激光器有效腔长实现输出波长的调制，相位区为无源材料，其禁带宽度大于有源区材料，有源区产生光子经过相位区不被自由载流子吸收，不影响激光器输出光强度，因此在频率调制过程中无光强度调制。调制电流为锯齿、三角波或噪声等格式信号，调制电流峰峰值在10mA以内。

[0031] 相位区注入直流电流实现种子源纵模精细调谐，相位区的直流电流使腔模产生平移，用相位区直流微调即精细地调试波长，波长微调量就是平移量。

[0032] 还包括聚焦透镜和单模保偏光纤，光谱均匀展宽后的种子光通过前光栅区端面镀增透膜实现激光输出，然后通过聚焦透镜耦合进单模保偏光纤实现光纤耦合输出，并与高功率窄线宽掺镱光纤激光器的放大模块进行熔接，提升其SBS阈值。

[0033] 本发明的用于高功率光纤激光器的调频式半导体种子源适用于1μm波段的高功率掺镱光纤激光器，具备数千瓦级功率放大能力。

[0034] 具体地本实施例中，半导体种子源为GaAs衬底制备的四段式DBR半导体激光器，结合T型偏置器(Bias‑T)、聚焦透镜、保偏光纤组成。四段式DBR半导体激光器分别是前光栅区，有源区，相位区与后光栅区，对激光器的各区分别用电流进行控制，有源区的注入电流为激光器提供增益，前后光栅区为周期不同的取样光栅，构成模式滤波器，通过电流注入使光栅的反射谱发生移动，两个反射谱之间的游标效应产生有效的模式选择，通过Bias‑T注入相位区的直流电流使腔模产生平移，调节相位区注入直流电流与前、后光栅区注入直流电流，使种子源波长连续调谐。种子源后光栅区端面镀高反膜，前光栅区端面镀增透膜实现激光输出，并通过聚焦透镜耦合进单模保偏光纤中，实现50mW以上光纤耦合输出。

[0035] 种子源的有源区为多量子阱材料，增益谱范围可覆盖1μm‑1.1μm，前后光栅区与相位区材料为宽禁带半导体材料，其注入电流对有源区产生光子无影响，光增益与输出波长各自独立调谐。

[0036] 种子源频率调制带宽大于10GHz，改变增益区(有源区)、前后光栅区注入电流，使激光器工作在1064nm波长，在相位区施加三角波调制电流，种子源输出波长呈三角波线性变化，改变相位区调制电流幅值实现波长扫描范围100GHz，改变相位区调制电流频率使波17
长啁啾率大于10 Hz/s。应用于高功率窄线宽掺镱光纤激光器，在掺镱光纤声子寿命内激光波长移动量将大于其布里渊频移量，抑制了声子积累，提升了SBS阈值，实现数千瓦级高功率窄线宽光纤激光输出。

[0037] 本实施例中GaAs衬底制备的四段式DBR半导体激光器总腔长1.5μm，有源区长度500μm，前光栅区长度390μm，后光栅区长度540μm，相位区长度70μm。激光器的前后取样光栅是对标准分布布拉格反射光栅进行取样得到，取样光栅为梳状反射谱，采用一阶布拉格光栅，光栅周期为160nm，对应的布拉格波长为1064nm。前后光栅的取样周期不同，反射峰间隔不同，前光栅取样周期48.8μm，其中均匀光栅长度10μm，共8个取样周期，后光栅取样周期54μm，其中均匀光栅长度10μm，共10个取样周期。前后光栅电流为0mA时，激射波长对准布拉格波长1064nm，改变前后光栅区注入电流，梳状反射谱发生移动，由于游标效应使对准波长发生偏移，达到波长调谐目的。固定增益区电流200mA，前后光栅区注入电流在20mA内进行调节，实现输出波长1050‑1070nm调谐。相位区注入电流，改变相位区有效折射率，进而改变激光器有效腔长，固定增益区、前后光栅区注入电流，相位区注入电流在10mA内调节变化，使输出波长在0.5nm内微调。

[0038] 该实施例表明，本发明能够提高高功率窄线宽光纤激光器的SBS阈值，提升激光系统的输出功率，具有体积小、结构紧凑，成本低廉等优点。