--翻譯自V. P. Duraev和S. V. Medvedev的文章

摘要

本文報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)諧波長半導(dǎo)體激光器的研究。研究了發(fā)射波長的離散和連續(xù)調(diào)諧方法。所描述的激光器在635-1650 nm的波長范圍內(nèi)以窄線寬（10 kHz）發(fā)射動態(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縱模，且線寬通常較寬（1-5 nm）。實(shí)現(xiàn)單頻激光發(fā)射對許多應(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)體激光器的另一個重要特性是其發(fā)射波長可調(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增益區(qū)域，寬度可達(dá)20-40 nm。

早期對可調(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)為單個縱模。在這些激光器中，波長調(diào)諧通過調(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，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）。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

激光器振蕩所對應(yīng)的波長由以下關(guān)系式確定：

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

其中，Λ是光柵周期，λB是激光波長，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MOCVD方法生長的量子限制層[4]。這些LD采用脊形設(shè)計（如圖2所示）。激光晶體的長度介于600 μm和1000 μm之間，臺面條帶的寬度為3 μm。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

如果激光二極管（LD）腔端面沒有抗反射涂層，發(fā)射光譜會包含多個法布里-珀羅腔模。將抗反射涂層沉積到晶體端面會顯著降低光學(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)波長調(diào)諧。在實(shí)踐中，單頻激光發(fā)射可以在輸出功率超過其最大值一半的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)LD連接到單個布拉格光柵時，激光發(fā)射發(fā)生在光柵反射波長處。

所需的單頻激光和波長調(diào)諧通過單個（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Lloyd干涉儀方案制備[5]。光柵長度為4-7 mm。

3. 離散波長調(diào)諧

為了在兩個頻率之間實(shí)現(xiàn)離散調(diào)諧，使用了兩個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)計中，使用了一個增益峰值為1064 nm、長度為1000 μm的激光晶體。這兩個布拉格光柵形成于芯徑為5.6 μm的光纖上。其中一個布拉格光柵被放置在激光二極管（LD）抗反射涂層端面旁邊。這兩個光柵的反射率約為30%，光譜寬度為0.15 nm。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

激光振蕩波長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)某個光柵的反射峰值處的反饋水平最高時，即在特定溫度和電流下，該光柵的共振波長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顯示了通過改變注入電流實(shí)現(xiàn)的發(fā)射波長調(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)射波長為λ=1063.35 nm，與短周期光柵的反射波長（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，兩個波長同時出現(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，發(fā)射波長為λ=1064.2 nm，輸出功率為5 mW（圖4c）。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

為了在四個波長之間實(shí)現(xiàn)離散調(diào)諧，使用了一根包含四個具有不同共振波長的布拉格光柵的光纖。這些光柵通過對光纖同一段連續(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，使用了波長為1540 nm的激光晶體，晶體長度與之前的情況一樣為1000 μm。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

圖6顯示了通過改變泵浦電流實(shí)現(xiàn)的激光波長調(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。對于溫度T=25℃，通過調(diào)整LD泵浦電流，混合腔的所有四個單頻模式均可獲得，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；

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

邊模抑制水平不小于30 dB。

當(dāng)泵浦電流Ip=175 mA時，布拉格光柵四個共振波長的激光發(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)波長調(diào)諧

通過改變激光二極管（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)的波長調(diào)諧。帶有光柵的光纖被放置在一個佩爾帖元件上，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：小于0.02 nm；

發(fā)射功率：5-10 mW。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

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，同時通過改變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)波長調(diào)諧。此外，通過光柵的加熱改變其折射率，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長調(diào)諧。

參考文獻(xiàn)

1. V. P. Duraev and A. V. Melnikov, Spectrochim. Acta A 52, 877 (1996).

2. V. P. Duraev and E. T. Nedelin, Quantum Electron. 31, 529 (2001).

3. J. I. Hashimoto et al, J. Lightwave Technol. 21, 2002 (2003).

4. V. Mikhailov, P. Bayvel, R. Wyatt, and I. Lealman, Electron. Lett. 37, 909 (2001).

5. O. I. Medvedkov, I. G. Korolev, and S. A. Vasil’ev, Pre print NTsVO IOF RAN No.6 (Nauch. Tsentr Volokon. Optiki, Inst. Obshch. Fiz. RAN, Moscow, 2004).

6. V. P. Duraev, Fotonika, No. 3, 24 (2007).

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關(guān)半導(dǎo)體光放大器如1550nm、1310nm等全波段SOA基礎(chǔ)知識，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，本文系經(jīng)過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯誤，共同進(jìn)步。

審核編輯 黃宇