[发明专利]可磁调谐并可闩锁的宽范围半导体激光器

说明书

本发明涉及可调谐激光器，具体说是涉及可调谐半导体激光器。

许多不同领域都要使用可调谐激光光源，这些领域包括电信、医学、材料检定、光谱学、同位素分离和遥感等。在诸如光学传感器的应用，以及在各种高密度波分复用(DWDM)光通信系统的应用中，对能在较宽波长范围上可调谐与/或可线性调频的激光光源，要求日益增加，而上述各种DWDM光通信系统，由于其巨大的数据传输能力，越来越被重视。这类可调谐激光器，可以按要求给出不同的波长，为从根本上增加多波长光学网络的传输容量而颇有应用潜力，还可以作为若干组固定频率激光器的备份，有改善网络可靠性的潜在能力。

目前有若干种可调谐激光器正在使用。(例如见J.F.Ready，Industrial Applications of Lasers，2^nd Ed.，Academic Press(1997)；和Tunable Lasers Handbook，F. J.Duarte，ed.，Academic Press(1995))。这些激光器包括染料激光器、半导体激光器、光参量振荡器(OPO)、和自由电子激光器(FEL)。其中的半导体激光器有许多优点。染料激光器和OPO工作时要用泵浦激光器，而FEL则较庞大且十分昂贵。用在光谱的红区和近红外区的III-V族半导体激光器，却没有这些缺点。此外，相对来说，半导体激光器效率高，尺寸小，重量轻，功耗低，并且能以低电压电源驱动。半导体激光器的主要应用包括：作为磁光数据存储、激光盘播放器、打印机、和光纤通信等的光源。

商业上用的Al_xGa_1-xAs和In_xGa_1-xAs_yP_1-y半导体激光器，通常用改变温度和工作电流来调谐。但是，这些调谐技术取得的调谐范围相当有限，因而不能充分开发半导体可用的增益带宽。此外，在要获得指定的波长时，跳模现象会带来一些麻烦，因而调谐可能是不连续的。采用外腔激光器(ECL)，在某种半导体介质的一个宽的增益带宽上，已经取得更大的可调谐能力。一个可调谐ECL包括：一种光学增益介质(就是在一个或两个端面镀有防反射膜的一种激光半导体二极管)、把增益介质波导的输出耦合到外腔自由空间模的光学结构、一个或多个波长选择滤光器、和用于界定外腔反馈光路的一个或多个反射镜。有各种形成激光光学谐振腔的不同方法可供使用。这些方法包括：反射光学部件，诸如棱镜、光栅、和其他二色性滤光器-这些都是窄带反射器，以及反射膜和介质反射镜-这些都可用作宽带反射器。一部ECL的调谐，可以通过改变端面反射器的特征反射波长(由此决定腔内的谐振波长)，或通过改变激光腔本身的长度来实现。为减小跳模现象，端面反射器的波长最好与激光腔的谐振波长成正比地变化。但是，要成正比地变化是颇为困难的任务，一般要用复杂且昂贵的反馈结构。此外，外腔激光器一般比其他半导体激光器有较低的输出功率和有较庞大的体积。近期还对表面发射型激光二极管的开发发生兴趣，在表面发射型激光二极管中，光是从芯片表面，而不是从侧面射出。利用这一特点，能较容易在一块半导体晶片上制作两维阵列，密集地组装成多个装置。在某些表面发射激光二极管中，激光腔是竖直的，即垂直于p-n结平面，而这类装置被称为竖直腔表面发射激光器(VCSEL)。如果VCSEL能在一个宽范围波长上作成可调谐的，那么对它的兴趣就会更有价值。

对这类激光器的调谐，存在各种一般的技术，例如，改变半导体能带，改变激光腔的尺寸，或改变反射器的特性。这些技术包括热调谐、压电调谐、静电调谐、和磁致伸缩调谐。热调谐由于热传导和热平衡需要时间而太慢，还要求不断提供功率以维持所需的温度，并且因为高温可能损坏敏感的装置部件，从而限制了调谐的范围。压电作用，除材料本身的限制而限制其调谐范围之外，还要求持续施加高电压以维持波长的移动。静电调谐广泛用于使用MEMS(微机电机械系统)技术的小型装置(例如见M.Y.Li等，Electron Lett.，Vol.33，No.12，1051(1997)；和M.Y.Li等，Photonics Tech.Lett.，Vol.10，No.1，18(1998))。但是，这种静电调谐因电荷积累或泄漏，很易漂移，也要求持续施加较高电压以维持装置的状态。磁致伸缩调谐要求强磁场以实现可用的应变量，并且一般是不可闩锁的(即在功率加上后，仍必须继续保持)。