[发明专利]外腔半导体激光器的波长热调谐装置及同步热调谐方法

说明书

技术领域

本发明涉及外腔半导体激光器，特别是一种外腔半导体激光器的波长热调谐装置及同步热调谐方法。主要应用于光通信，光传感等领域。

背景技术

半导体激光器因其独特的其芯片化结构，具有光电直接转换，体积小，寿命长，集成度高等优势，在光通信，光存储，光传感等领域有广泛应用。但半导体激光器的线宽通常比较宽，例如普通DFB激光器的线宽在兆赫兹量级。大大限制了其在相干光通信，光纤传感等领域的应用。

实现窄线宽输出最成熟的方法之一是用外腔激光器，即将激光器的谐振腔延长到芯片外部的无源器件中(如光栅，FP标准具等)。普通外腔激光器能做到几十到几百k赫兹线宽。通过机械结构改变光栅的入射角可以实现大范围波长调谐。但外腔元件数目较多(通常包含体光栅，透镜，反射镜及机械运动装置等)，外腔光路较长(大于1cm)，激光器的尺寸大幅增加。Thorlabs销售的可调外腔激光器尺寸为250x200mm。

目前业界线宽最小最紧凑的外腔窄线宽半导体激光器，是美国RIO公司的PLANEX系列【ACHIEVING LOW PHASE NOISE IN EXTERNAL CAVITY LASER IMPLEMENTED USING PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT TECHNOLOGY,US 20100303121A1】【DEVICE FABRICATION WITH PLANAR BRAGG GRATINGS SUPPRESSING PARASTITIC EFFECT,US8358889】。他们采用二氧化硅平面波导布拉格光栅和激光器芯片直接对接(butt-joint)的方式，利用短外腔和光栅斜边负反馈原理，在14pin蝶形封装里实现了2-10kHz的窄线宽输出。机械尺寸仅26x15mm。但其波长调谐是通过加热整个外腔激光器实现，调谐范围小，约20G。

另一种14PIN蝶形封装的小型化外腔激光器来自Emcore公司(原K2Photonics，后被Emcore收购)。他采用光纤布拉格光栅斜边负反馈，实现了30KHz线宽，低1/f噪声，RIN<-155db/Hz【Achieving narrow linewidth,low phase noise external cavity semiconductor lasers through the reduction of 1/f noise,K2Optronics,Proc.of SPIE Vol.6133,613301(2006)】。但也属于定频激光器，没有波长调谐功能。

前两种技术都是小型化的14PIN蝶形封装外腔半导体技术，但其波长调谐能力非常弱，都在几十GHz量级。要在小型化的封装内同时实现窄线宽和大范围调谐，是具有挑战的。Emcore公司的窄线宽可调谐激光器可以实现这一目标。这也是目前在相干光通信中应用最为广泛甚至是唯一的一款产品(2014年该款产品线被Neophotonics收购)，它基于原Intel公司外腔可调谐激光器技术【Thermally tuned external cavity laser with micromahined silicon etalons:design,process and reliability.In Proceedings of ECTC,2004.818-823】。该器件的模式选择滤波器为两个级联的、由硅材料制作的法布里-泊罗(Fabry-Perot,F-P)标准具，利用游标效应，使得只有两个标准具透过峰峰值波长重合的纵模可以起振，而其它的纵模被抑制。通过温度精确控制标准具透过峰的峰值波长，从而能够实现波长的可调谐性。该产品调谐范围可覆盖C波段或L波段，在可调谐范围内可对任意波长进行调谐，线宽20kHz，边模抑制比(Side mode suppression ratio，SMSR)55dB，Emcore公司已经成功地将该激光器与调制器集成并推出了相应的产品。在此设计中没有活动部件，稳定性好，但是为了实现波长的精密调谐，需要对这两个硅标准具进行精确的温度控制，具有一定的难度。且在光通信中的应用一般是波长从一个通道切换到另一个通道。若需要对波长进行大范围连续调谐，则需要复杂的电路控制。

发明内容

本发明的目的是提出一种外腔半导体激光器的波长热调谐装置及同步热调谐方法。该装置及方法可以使小型化外腔半导体激光器同时满足窄线宽和大波长调谐性能。且调谐机制简单，可以连续调谐。