外腔单频可调谐波长半导体激光器研究

--翻译自V. P. Duraev和S. V. Medvedev的文章

摘要

本文报告了基于单模光纤中形成的光纤布拉格光栅的外腔单频可调谐波长半导体激光器的研究。研究了发射波长的离散和连续调谐方法。所描述的激光器在635-1650 nm的波长范围内以窄线宽（10 kHz）发射动态稳定的辐射。

1. 引言

注入激光器发射的辐射光谱包含多个纵模，且线宽通常较宽（1-5 nm）。实现单频激光发射对许多应用具有重要意义。单频激光器被广泛用于基于波分复用的光纤通信、高分辨率光谱学、光学传感器以及其他科学和技术领域。半导体激光器的另一个重要特性是其发射波长可调谐的能力，这进一步拓展了其应用范围，其调谐范围可以覆盖整个增益区域，宽度可达20-40 nm。

早期对可调谐半导体激光器的研究依赖于短腔（100-200 μm）的激光二极管（LDs）。考虑到此类腔体中模间距较大，相邻模式的增益差异显著，因此短腔激光器的发射光谱通常表现为单个纵模。在这些激光器中，波长调谐通过调节温度和泵浦电流实现。然而，其缺点在于输出功率较低以及较大的欧姆和热阻，这导致了工作状态的不稳定性。

分布式反馈激光器（DFB激光器）得到了更广泛的应用。这类激光器能够在较宽的温度范围内实现单频运行并具有较高的输出功率[1-3]。

然而，最常用于大范围光谱区域发射波长调谐的激光器是那些带有衍射光栅外腔的激光器。

本文报告了单模光纤布拉格光栅外腔可调谐单频半导体激光器的开发，并讨论了其工作在650-1650 nm波长范围内的特性。

2. 实验

为了实现带光纤布拉格光栅的二极管激光器稳定的单频工作，其中一个主要条件是排除法布里-珀罗腔模式。为满足此要求，我们提出了一种设计，包括具有弯曲有源通道和抗反射涂层端面的激光二极管（LD）。光纤布拉格光栅被放置在该端面旁边（图1）。

激光器振荡所对应的波长由以下关系式确定：

其中，Λ是光栅周期，λB是激光波长，neff是有效折射率，m是模阶。

我们使用了基于InGaAs/GaAs和InGaAsP/InP异质结构的激光器，这些异质结构包含通过MOCVD方法生长的量子限制层[4]。这些LD采用脊形设计（如图2所示）。激光晶体的长度介于600 μm和1000 μm之间，台面条带的宽度为3 μm。

如果激光二极管（LD）腔端面没有抗反射涂层，发射光谱会包含多个法布里-珀罗腔模。将抗反射涂层沉积到晶体端面会显著降低光学反馈的水平，从而导致光谱展宽。如上所述，在这种光谱区域内，可以实现波长调谐。在实践中，单频激光发射可以在输出功率超过其最大值一半的区域内实现。当LD连接到单个布拉格光栅时，激光发射发生在光栅反射波长处。

所需的单频激光和波长调谐通过单个（离散）布拉格光栅、双重（连续形成）布拉格光栅以及四重布拉格光栅实现，这些光栅具有不同周期，并形成于同一光纤段内。光纤布拉格光栅由氩激光器（二倍频，）通过Lloyd干涉仪方案制备[5]。光栅长度为4-7 mm。

3. 离散波长调谐

为了在两个频率之间实现离散调谐，使用了两个具有反射峰值分别在和的空间分离布拉格光栅（见图3）。在该设计中，使用了一个增益峰值为1064 nm、长度为1000 μm的激光晶体。这两个布拉格光栅形成于芯径为5.6 μm的光纤上。其中一个布拉格光栅被放置在激光二极管（LD）抗反射涂层端面旁边。这两个光栅的反射率约为30%，光谱宽度为0.15 nm。

激光振荡波长的切换是由于注入电流变化引起激光增益峰值的漂移。当某个光栅的反射峰值处的反馈水平最高时，即在特定温度和电流下，该光栅的共振波长与激光晶体腔体本身发射的线吻合，激光发射发生。

图4显示了通过改变注入电流实现的发射波长调谐。阈值电流为Ith=64 mA。可以看出，在晶体温度T=25℃和泵浦电流Ip=80 mA下，该激光器的发射波长为λ=1063.35 nm，与短周期光栅的反射波长（图4a）很好地吻合。在这些条件下，光纤端口处布拉格光栅的输出功率为2 mW。在和时，两个波长同时出现在发射光谱中（图4b），总输出功率达到3 mW。在T=25℃和Ip=125 mA时，发射波长为λ=1064.2 nm，输出功率为5 mW（图4c）。

为了在四个波长之间实现离散调谐，使用了一根包含四个具有不同共振波长的布拉格光栅的光纤。这些光栅通过对光纤同一段连续暴露于紫外辐射形成。这种光栅结构的透射光谱如图5所示。光栅的反射率为25%。反射峰的光谱宽度和峰值之间的间隔分别为0.3 nm和0.4 nm。在这种情况下，使用了波长为1540 nm的激光晶体，晶体长度与之前的情况一样为1000 μm。

图6显示了通过改变泵浦电流实现的激光波长调谐。阈值电流为Ith=125 mA。复合光栅的所有共振都接近激光增益曲线的峰值。对于温度T=25℃，通过调整LD泵浦电流，混合腔的所有四个单频模式均可获得，其结果如下所示：

图6a：λ1=1524.6 nm，Ip=73 mA，Pout=1.2 mW；

图6b：λ2=1543.0 nm，Ip=100 mA，Pout=3.2 mW；

图6c：λ3=1543.5 nm，Ip=56 mA，Pout=0.5 mW；

图6d：λ4=1543.8 nm，Ip=153 mA，Pout=6.4 mW；

边模抑制水平不小于30 dB。

当泵浦电流Ip=175 mA时，布拉格光栅四个共振波长的激光发射条件彼此接近，因此在激光发射光谱中，所有四条谱线的强度大致相等。

4. 连续波长调谐

通过改变激光二极管（LD）的注入电流或温度，可以在光栅反射光谱的限制范围内实现连续波长调谐[6]。调谐范围的宽度由光栅反射曲线的宽度（0.15-0.3 nm）决定，因此在0.3 nm以内。

通过改变包含光栅的光纤段的折射率，可以实现更宽光谱范围内的波长调谐。带有光栅的光纤被放置在一个佩尔帖元件上，其温度可以在宽范围内变化，精度为0.1℃。三种温度值下的发射光谱如图7所示。

连续调谐的参数如下：

调谐范围：1.5 nm；

调谐步长：小于0.02 nm；

发射功率：5-10 mW。

因此，我们证明了使用带外腔的半导体激光器的放大特性，可以实现稳定的单频激光发射，同时通过改变LD有源区的注入电流和/或温度，可以进行离散和连续波长调谐。此外，通过光栅的加热改变其折射率，也可以实现连续波长调谐。

天津见合八方光电科技有限公司，是一家专注半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可见光波长SOA器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。