[发明专利]基于重构-等效啁啾以及串联技术的低成本可调谐半导体激光器的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，与分布反馈半导体激光器有关，尤其涉及复杂分布反馈可调谐半导体激光器的设计和制作，更具体而言，是基于重构-等效啁啾技术的低成本可调谐分布反馈半导体激光器的方法及装置。

背景技术

在过去的20多年中，全球宽带需求的不断增长极大地促进了光纤通信产业的发展，人们提出了多种能够增加通信容量的设想和方案，其中密集波分复用技术(DWDM)是一种高效灵活的方式，并且容易在现有设备的基础上进行升级和改造，从而获得了人们的青睐并已经得到大规模应用。密集波分复用技术是通过增加可以传输信号的波长数目来提高系统传输容量的，例如可以将80～100个波长信号通过复用后用同一根光纤进行传输，到达用户之后再分离出各个信号，从而大大提高了设备的利用效率。在传统的波分复用系统中，分布反馈(DFB)半导体激光器是主要光源，多路信号需要同时工作，并且激光器之间的波长间隔需要满足国际电信联盟(ITU-T)的标准。如果采用固定波长的半导体激光器，这就意味着需要为每一个用户配备一个独立的收发模块，下载来自中心局的多波长信号，然后再解调出自己需要的信号，并且为了保证系统能够长期稳定地工作，还需要为每个激光器配置一个后备，以防止因为某一个激光器出现问题而导致系统瘫痪，这就大大提高了系统的能耗和维护保养成本。因此，人们希望在DWDM系统中使用波长可控的可调谐激光器，这样在一个DWDM系统中就可以只使用一个激光器后备，任何一个激光器出现问题时都可以用这个激光器来代替其工作，这就大大降低了DWDM系统的复杂度，同时也降低了其运行成本。

另一方面，通过增加波长数目也不能无限增加通信容量。在长距离传输系统中，需要使用光纤放大器来对信号进行中继和放大，而通常采用的掺铒光纤放大器的工作范围在1530nm～1570nm。如果同时使用的波长数目太多，将会因为波长间隔太小而产生信号之间的串扰。于是人们在增加波长数目的同时需要想办法提高每个波长信号的传输速度。目前的光纤传输系统可以达到40Gbit／s的传输速度，而更高速度的100Gbit／s系统，以及具有更先进的调制／检测技术的相干光通信系统也已经在酝酿之中。在这样的系统中，可调谐激光器不仅可以作为系统的光源，而且可以作为接收端的本振信号源。

早在上个世纪80年代，人们就开始了对可调谐激光器的研究。可调谐激光器主要含有一个增益区以及一个波长可调的滤波器，通过温度、机械、电流、电场等方式来调节滤波器的工作波长，从而实现激光器波长的改变。目前国际上可调谐激光器的结构主要可以分为三种：外腔结构、分布布拉格反射(DBR)结构以及分布反馈(DFB)结构。这些设计的激光器都能达到40nm的调谐范围，可以满足DWDM系统的要求，但都各自具有优缺点。

基于外腔结构的可调谐激光器性能是最为理想的，它可以在较宽的波长范围内连续调谐，具有较高的输出功率，并且可以获得小于100kHz的线宽，但这类激光器是通过外部光反馈来实现波长调节的，它包括多个光学部件，制作和封装方式复杂、成本高，并且波长调节方式也较为复杂。

基于分布布拉格反射结构的可调谐激光器是研究较早也较为广泛的。它可以利用两个反射光栅之间的游标效应来实现大范围波长调谐。它不像外腔结构一样需要多个光学部件来实现反馈，因此封装和调节相对简单。但就其制作方式来看，由于它的滤波部分是制作在无源波导上的，而有源材料和无源材料的集成在半导体工艺中具有一定难度，很难实现大规模产业化，因此也限制了这类激光器的发展。另外，基于DBR结构的可调谐激光器一般是通过电流来进行波长调节的，虽然其调节速度较快可以达到纳秒量级，但在注入电流时因为载流子引起的等离子效应会使激光器的线宽增加。

基于分布反馈结构的可调谐激光器成本相对低廉，因为它是一个单一器件，不需要反馈并且也不需要采用复杂的有源无源材料集成方式。但由于有源材料的折射率随温度或者电流的变化不大，因此其调节范围很小，一般只能达到3nm左右。目前的DFB可调谐激光器一般是通过阵列的方式来实现的，即采用多个波长不同的固定波长激光器，通过耦合的方式输出，并利用一定的方式选择其中的一个波长工作。这种可调谐方式的优点是激光器性能稳定，在波长调节过程中不会出现跳模，并且避免了复杂的封装以及波长调节方式，更容易实现单片集成。这种基于并联方式的DFB激光器阵列通常被用在10Gbit／s的传输系统中，本发明中所述的可调谐激光器与此有关，但由于采用了等效-重构啁啾技术来设计和制作单个的DFB激光器，其成本大大降低，并且本发明还提出了串联方式。