外腔單頻可調(diào)諧波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器研究

--翻譯自V. P. Duraev和S. V. Medvedev的文章

摘要

本文報(bào)告了基于單模光纖中形成的光纖布拉格光柵的外腔單頻可調(diào)諧波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的研究。研究了發(fā)射波長(zhǎng)的離散和連續(xù)調(diào)諧方法。所描述的激光器在635-1650 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)以窄線寬（10 kHz）發(fā)射動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的輻射。

1. 引言

注入激光器發(fā)射的輻射光譜包含多個(gè)縱模，且線寬通常較寬（1-5 nm）。實(shí)現(xiàn)單頻激光發(fā)射對(duì)許多應(yīng)用具有重要意義。單頻激光器被廣泛用于基于波分復(fù)用的光纖通信、高分辨率光譜學(xué)、光學(xué)傳感器以及其他科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器的另一個(gè)重要特性是其發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)諧的能力，這進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍，其調(diào)諧范圍可以覆蓋整個(gè)增益區(qū)域，寬度可達(dá)20-40 nm。

早期對(duì)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的研究依賴于短腔（100-200 μm）的激光二極管（LDs）?？紤]到此類腔體中模間距較大，相鄰模式的增益差異顯著，因此短腔激光器的發(fā)射光譜通常表現(xiàn)為單個(gè)縱模。在這些激光器中，波長(zhǎng)調(diào)諧通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和泵浦電流實(shí)現(xiàn)。然而，其缺點(diǎn)在于輸出功率較低以及較大的歐姆和熱阻，這導(dǎo)致了工作狀態(tài)的不穩(wěn)定性。

分布式反饋激光器（DFB激光器）得到了更廣泛的應(yīng)用。這類激光器能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單頻運(yùn)行并具有較高的輸出功率[1-3]。

然而，最常用于大范圍光譜區(qū)域發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)諧的激光器是那些帶有衍射光柵外腔的激光器。

本文報(bào)告了單模光纖布拉格光柵外腔可調(diào)諧單頻半導(dǎo)體激光器的開發(fā)，并討論了其工作在650-1650 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的特性。

2. 實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)帶光纖布拉格光柵的二極管激光器穩(wěn)定的單頻工作，其中一個(gè)主要條件是排除法布里-珀羅腔模式。為滿足此要求，我們提出了一種設(shè)計(jì)，包括具有彎曲有源通道和抗反射涂層端面的激光二極管（LD）。光纖布拉格光柵被放置在該端面旁邊（圖1）。

激光器振蕩所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)由以下關(guān)系式確定：

其中，Λ是光柵周期，λB是激光波長(zhǎng)，neff是有效折射率，m是模階。

我們使用了基于InGaAs/GaAs和InGaAsP/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激光器，這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含通過(guò)MOCVD方法生長(zhǎng)的量子限制層[4]。這些LD采用脊形設(shè)計(jì)（如圖2所示）。激光晶體的長(zhǎng)度介于600 μm和1000 μm之間，臺(tái)面條帶的寬度為3 μm。

如果激光二極管（LD）腔端面沒有抗反射涂層，發(fā)射光譜會(huì)包含多個(gè)法布里-珀羅腔模。將抗反射涂層沉積到晶體端面會(huì)顯著降低光學(xué)反饋的水平，從而導(dǎo)致光譜展寬。如上所述，在這種光譜區(qū)域內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。在實(shí)踐中，單頻激光發(fā)射可以在輸出功率超過(guò)其最大值一半的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)LD連接到單個(gè)布拉格光柵時(shí)，激光發(fā)射發(fā)生在光柵反射波長(zhǎng)處。

所需的單頻激光和波長(zhǎng)調(diào)諧通過(guò)單個(gè)（離散）布拉格光柵、雙重（連續(xù)形成）布拉格光柵以及四重布拉格光柵實(shí)現(xiàn)，這些光柵具有不同周期，并形成于同一光纖段內(nèi)。光纖布拉格光柵由氬激光器（二倍頻，）通過(guò)Lloyd干涉儀方案制備[5]。光柵長(zhǎng)度為4-7 mm。

3. 離散波長(zhǎng)調(diào)諧

為了在兩個(gè)頻率之間實(shí)現(xiàn)離散調(diào)諧，使用了兩個(gè)具有反射峰值分別在和的空間分離布拉格光柵（見圖3）。在該設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)增益峰值為1064 nm、長(zhǎng)度為1000 μm的激光晶體。這兩個(gè)布拉格光柵形成于芯徑為5.6 μm的光纖上。其中一個(gè)布拉格光柵被放置在激光二極管（LD）抗反射涂層端面旁邊。這兩個(gè)光柵的反射率約為30%，光譜寬度為0.15 nm。

激光振蕩波長(zhǎng)的切換是由于注入電流變化引起激光增益峰值的漂移。當(dāng)某個(gè)光柵的反射峰值處的反饋水平最高時(shí)，即在特定溫度和電流下，該光柵的共振波長(zhǎng)與激光晶體腔體本身發(fā)射的線吻合，激光發(fā)射發(fā)生。

圖4顯示了通過(guò)改變注入電流實(shí)現(xiàn)的發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)諧。閾值電流為Ith=64 mA?？梢钥闯觯诰w溫度T=25℃和泵浦電流Ip=80 mA下，該激光器的發(fā)射波長(zhǎng)為λ=1063.35 nm，與短周期光柵的反射波長(zhǎng)（圖4a）很好地吻合。在這些條件下，光纖端口處布拉格光柵的輸出功率為2 mW。在和時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)出現(xiàn)在發(fā)射光譜中（圖4b），總輸出功率達(dá)到3 mW。在T=25℃和Ip=125 mA時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)為λ=1064.2 nm，輸出功率為5 mW（圖4c）。

為了在四個(gè)波長(zhǎng)之間實(shí)現(xiàn)離散調(diào)諧，使用了一根包含四個(gè)具有不同共振波長(zhǎng)的布拉格光柵的光纖。這些光柵通過(guò)對(duì)光纖同一段連續(xù)暴露于紫外輻射形成。這種光柵結(jié)構(gòu)的透射光譜如圖5所示。光柵的反射率為25%。反射峰的光譜寬度和峰值之間的間隔分別為0.3 nm和0.4 nm。在這種情況下，使用了波長(zhǎng)為1540 nm的激光晶體，晶體長(zhǎng)度與之前的情況一樣為1000 μm。

圖6顯示了通過(guò)改變泵浦電流實(shí)現(xiàn)的激光波長(zhǎng)調(diào)諧。閾值電流為Ith=125 mA。復(fù)合光柵的所有共振都接近激光增益曲線的峰值。對(duì)于溫度T=25℃，通過(guò)調(diào)整LD泵浦電流，混合腔的所有四個(gè)單頻模式均可獲得，其結(jié)果如下所示：

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

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

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

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

邊模抑制水平不小于30 dB。

當(dāng)泵浦電流Ip=175 mA時(shí)，布拉格光柵四個(gè)共振波長(zhǎng)的激光發(fā)射條件彼此接近，因此在激光發(fā)射光譜中，所有四條譜線的強(qiáng)度大致相等。

4. 連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧

通過(guò)改變激光二極管（LD）的注入電流或溫度，可以在光柵反射光譜的限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧[6]。調(diào)諧范圍的寬度由光柵反射曲線的寬度（0.15-0.3 nm）決定，因此在0.3 nm以內(nèi)。

通過(guò)改變包含光柵的光纖段的折射率，可以實(shí)現(xiàn)更寬光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)諧。帶有光柵的光纖被放置在一個(gè)佩爾帖元件上，其溫度可以在寬范圍內(nèi)變化，精度為0.1℃。三種溫度值下的發(fā)射光譜如圖7所示。

連續(xù)調(diào)諧的參數(shù)如下：

調(diào)諧范圍：1.5 nm；

調(diào)諧步長(zhǎng)：小于0.02 nm；

發(fā)射功率：5-10 mW。

因此，我們證明了使用帶外腔的半導(dǎo)體激光器的放大特性，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻激光發(fā)射，同時(shí)通過(guò)改變LD有源區(qū)的注入電流和/或溫度，可以進(jìn)行離散和連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧。此外，通過(guò)光柵的加熱改變其折射率，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧。

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