[发明专利]一种可调谐半导体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调谐半导体激光器，属于光纤通信和激光技术领域，该激光器是一种基于多相移数字级联布拉格光栅的布拉格反射式激光器。

背景技术

随着超高速、大容量光纤通信技术的发展，可调谐半导体激光器在密集波分复用(DWDM)系统中起到了非常重要的作用。一个可调谐半导体激光器能够取代多个固定波长激光器，因此降低了激光器的制造成本，简化了模块封装程序，也降低了备份和库存管理的成本；在光网络系统中，可调谐激光器的波长可调性能够允许对光路由上的波长进行动态配置，因而在光突发交换和光分组交换系统中能够起到降低延时和提高光网络传输容量的作用；此外，可调谐半导体激光器在传感等方面也有着非常重要的应用。

当前光纤通信系统要求可调谐半导体激光器具有调谐范围大、边模抑制比高、输出功率高和切换速度快等优点。为了满足上述要求，出现了多种可调谐半导体激光器结构。L.A.Coldren等人在专利号为US4896325A的“Multi-section tunable laser with differing multi-element mirrors”专利中公开了用取样布拉格光栅作反射镜的可调谐半导体激光器，其结构图如图1所示。包含了前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4，其中前光栅区1和后光栅区4中的取样光栅用来产生梳状反射谱。取样光栅一个取样周期Z_S内的光栅结构如图2所示，其中光栅段19的长度为Z_g，另一段长度为Z_S-Z_g的区域为均匀无光栅区域，取样光栅反射谱如图3所示，具有Sinc函数形状包络的梳状谱。激光器前光栅区1和后光栅区4的梳状反射谱的反射峰间距有细微差别，从而利用游标卡尺效应，可以通过在前、后光栅区注入电流的方式来实现准连续宽波长范围调谐。由于前光栅区1和后光栅区4的反射谱包络为Sinc函数形状，造成调谐时注入电流导致的损耗增加以及激光器有源区材料增益谱的不平坦，从而在前光栅区1和后光栅区4中注入电流进行调谐的过程中，激光器各波长信道功率严重不均衡，并且反射谱的不平坦也会抑制调谐范围的进一步增加。

为了改善功率的均衡性以及获得更宽的波长调谐范围，出现了多种基于游标卡尺效应的可调谐半导体激光器。1993年，Yuichi Tohmori等人提出了一种基于超结构布拉格光栅的可调谐半导体激光器(Y.Tohmori,Y.Yoshikuni,H.Ishii,et al.“Broad-Range Wavelength-Tunable Superstructure Grating(SSG)DBRLasers”,IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.29,no.6,1993)。超结构光栅一个取样周期内光栅周期连续变化(啁啾)，多个取样周期重复，得到的反射谱不平坦；后来通过将光栅周期的变化变为一个取样周期内光栅周期不变但是在特定的位置有离散的光栅相位的变化，优化后具有很平坦的反射峰值梳状谱，因而各个波长信道的功率均衡性得到了改善，波长调谐范围可达100nm。1998年，美国I.A.Avrutsky等人提出了基于二元叠合布拉格光栅的可调谐激光器(I.A.Avrutsky,D.S.Ellis,A.Tager,et al.“Design of Widely Tunable SemiconductorLasers and the Concept of Binary Superimposed Gratings(BSG's)”,IEEE Journal ofQuantum Electronics,vol.34,no.4,,1998)。二元叠合光栅(BSG)是通过在均匀光栅中一些位置插入π相移，从而产生平坦的反射峰值梳状谱，理论上波长调谐范围也可达100nm。此外，意大利M.Gioannini和I.Montrosset提出了基于间插取样光栅的宽调谐半导体激光器(M.Gioannini,I.Montrosset,“Novel interleavedsampled grating mirrors for widely tunable DBR lasers”,IEE Proc.Optoelectron.,vol.148,no.1,February2001)，并提出了两种间插方式，分别为间插不同布拉格周期的取样光栅和间插两组光栅周期相同、光栅初相位差为π的取样光栅。英国的Bookham公司提出了数字超模布拉格反射激光器(A.J.Ward,D.J.Robbins,G.Busico,et al,“Widely tunable DS-DBR laser with monolithically integrated SOA:design and performance”,Journal of Selected topics in quantum electronics,11(1),pp.149-156,2005)；华中科技大学何晓颖、黄德修、余永林等人提出了基于数字级联布拉格光栅(DCG)的可调谐半导体激光器(X.He,D.H,Y.Y，et al.“Widely wavelength-selectable lasers with digital concatenated grating reflectorsproposal and simulation”,IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,no.21，Nov2008)，能够改善激光器的各波长信道的功率均衡性。然而以上的公开技术中的存在以下问题：