具有外部光栅的单模工作的可调谐环形激光器制造技术

包含环形激光谐振腔（１０２）、光学增益元件（１０４）、双向输出耦合器（１０６）以及频率选择装置（１１４）的可调谐激光器（１００）。频率选择装置通常由一光栅构成，光栅的反射频率由折射率决定。在光栅的反射频率与环形激光谐振腔的谐振频率吻合时可得到单模激光运行。光栅的折射率由可变注入电流改变。这样，激光输出频率可以在谐振腔的不同谐振频率的间快速调谐。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光电子器件领域，具体涉及一种可以高速改变其辐射波长的激光器。相关技术可调谐激光器是常用于大容量光通讯系统的光源，例如密集波分复用(DWDM)系统。这一技术涉及在单根光纤中传输多个光信号，各个光信号的波长或频率之间有细微差别。与之相关的一项已知技术为波长路由技术，该项技术涉及使用精确的光波长并在这些波长之间高速改变来传送数据。可调谐激光器还应用于光子开关领域，以及其他多个领域，如光谱学及光学传感
传统的用于光通讯的可调谐半导体二极管激光器如下列出。第一种类型已知为‘Y形腔激光器’(参见M.J.Kuznetsov，J.of Lightwave Technology，Vol.12，Issue 12，Dec 1994)，其中应用一个外加干涉仪取得了更宽的调谐范围(将近40nm)。但是Y形腔激光器一般只具有较有限(低于25分贝)的边模拟制比(SMSR)。第二种传统的可调谐激光器已知为‘光栅协助共向耦合器(GACC)激光器’(参见Z.M.Chuang，and L.A.Coldren，IEEE J.of QuantumElectronics，Vol.29 Issue 4，April 1993)。因为激光器调谐时发生的增益滤波器带宽展宽效应，该器件亦只具有较有限的边模拟制比(SMSR)。同时该器件需要多个控制电极因而调谐过程较为复杂。第三种传统的可调谐激光器是分布式布拉格反射器(DBR)激光器家族，特别是一种称为‘取样光栅分布式布拉格反射器(SGDBR)激光器’的设备，其可以提供宽范围调谐(参见L.A.Coldren，IEEE J.ofSelected Topics in Quantum Electronics，Vol.6，Issue 6，Nov-Dec.2000以及文中引用的参考文献；F.Delorme，IEEE J.ofQuantum Electronics，Vol.34Issue 9，Sep.1998)。为了设定SGDBR激光器的工作波长或频率，必须至少确定三个不同的控制变量。每个控制变量均为一外加电流源，其电流值由一个多维的搜索表来确定，(该搜索表必须由一个耗时的‘训练’过程来事先编程)。控制变量的决定过程包含在该多维变量空间内多个不同区域进行处理。这个缓慢的过程使得调谐速度不足而不能在例如光分组传输系统中有效应用。这一问题因为激光器腔内相对较长衰减时间的一些瞬态过程(例如光栅的热稳定时间)而变得更为严重。SGDBR激光器通常还包含有相位匹配单元而进一步增加其复杂程度和器件尺寸。此外，另外一种类型的可调谐激光器为具有腔内调谐装置(如光栅分布式反射器或者可调谐光学滤波器)的环形激光器。这通常包含环形谐振腔激光器，而光栅或滤光器构成该环形谐振腔的至少一部分。已知的器件通常使用搀有稀土元素的光纤来构成环形谐振腔激光器。但是如果调谐机构构成环形谐振腔的一部分，而激光器谐振腔周长相对较短时，与可调谐SGDBR激光器类似的问题亦将出现。此外，环形谐振腔周长决定光子寿命，因此也影响该类器件的调谐速度。因此，长周长器件具有较慢的频率调谐速度。(例如，光纤环形谐振腔激光器的周长通常在1米以上，因此光子的每周传播时间超过5纳秒；因此在这类已知的器件中无法取得纳秒级的调谐速度。)因此，本专利技术寻求提供一种可调谐激光器，其中传统可调谐激光器中的上述问题至少已被减轻。综述根据本专利技术的第一方面提出一种激光器，该激光器具有一个环形谐振腔，一个用于从环形谐振腔内引出激光辐射的耦合装置，以及一个与该耦合装置相连接的频率选择装置，其中该频率选择装置将引出的激光辐射部分反馈回环形谐振腔，并选择反馈信号的频率，该频率选择装置不构成环形谐振腔的一部分。以上描述的可调谐激光器可以应用于光通讯系统。根据本专利技术的第二方面提出一种改变环形谐振腔激光器的激射频率的方法。该方法包括使环形谐振腔激光器工作于第一环形谐振腔谐振频率，其中该第一环形谐振腔谐振频率基本上与频率选择装置的第一反射频率重合，控制频率选择装置，从第一反射频率改变至第二反射频率，以及使环形谐振腔激光器工作于第二环形谐振腔谐振频率，其中该第二环形谐振腔谐振频率基本上与频率选择装置的第二反射频率重合。而且，本专利技术的频率选择装置不构成环形谐振腔的一部分，即，若将频率选择装置从本结构中移除，环形谐振腔则为闭环状态并作为谐振腔工作。有利的是，本专利技术提出的可调谐激光器发射由环形激光器谐振腔的谐振腔模式决定的精确的分立波长。这些模式是在激光器制造过程中决定的并可以精确地调整到所需要的精确值。本专利技术进一步具有如下优点，即激射频率调谐过程具有很快速度(可以达到纳秒量级)。主要有四个因素使本专利技术具有高速调谐的能力。首先，使用可以高速工作的频率选择装置。第二，本专利技术激射频率锁定时间短于传统的可调谐激光器。激射频率锁定时间是指输出频率稳定至预设值所需的时间。第三，设置可调谐激光器的工作频率只需要决定单一控制变量。第四，在初始激射频率锁定时间之后，激射频率不再受到可能存在的长期漂移因素(例如频率选择装置的热漂移)的影响。这样，本可调谐激光器改变激射频率所需的时间得以减至最小，并且相位匹配元件(如某些SGDBR激光器所需)也不再必需。而且，本专利技术最佳实现方案的环形谐振腔周长仅几个毫米，比较传统的可调谐光纤环形器件，长度大为缩小。因为环形谐振腔中的光子寿命较短，所以这种短长度谐振腔的激光器能够实现高速调谐。附图简述为了更好地理解本专利技术，并展示其实现方式，下文中将引用附图所示的实现案例，其中附图说明图1A为根据本专利技术的一个实施例的可调谐激光器的简图；图1B是描述图1A的可调谐激光器的单模激光工作的图；图2A是描述本专利技术第一实现方案的光学增益元件的放大的剖面图；图2B为本专利技术第一实现方案的环形谐振腔激光器的平面图；图2C为本专利技术第一实现方案的光栅元件的放大的剖面图；图3A为本专利技术第二实现方案的光学增益元件的放大的剖面图；图3B为本专利技术第二实现方案的环形谐振腔激光器的平面图；图3C为本专利技术第二实现方案的光学耦合器的放大的剖面图；图3D为本专利技术第二实现方案的光栅元件的放大的剖面图；图4描述了本专利技术第三实现方案的环形谐振腔激光器。优选实施例的详细描述在图1A所示的可调谐激光器100中，一个环形谐振腔102(由无源光波导形成)以及一个光学增益元件104与一个双向光学输出耦合器106连接。光学输出耦合器106具有第一个端口108及第二个端口110。第一个端口108与一输出光纤112耦合，而第二个端口110则与一个频率选择装置114(例如一个光栅)连接。工作时，光学增益元件104在预定光谱范围内提供光学增益，而环形谐振腔102为该预定光谱范围内的一个或多个频率的光子提供传播路径。在满足以下两个工作条件时，在该增益光谱范围内的某一激光频率处，环形谐振腔102内产生激光振荡。第一，该激光频率fL处的总光学增益超过环形谐振腔102内的光损耗总量；第二，光子在环形谐振腔102传播一周的光学相位延迟为360度的整数倍。图1B描述环形谐振腔可调谐激光器100的单模运行。该图上半部118显示环形谐振腔102的谐振模式频率120以及激光增益谱型122，下半部124显示频率选择装置114的反射频率126。在谐振腔模式频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光器，包括：环形谐振腔；用于从环形谐振腔内引出激光辐射的耦合装置；和与耦合装置相连接的频率选择装置，其中该频率选择装置可以将一部分引出的激光辐射反馈回环形谐振腔，并可以选择反馈信号的频率，而且该频率选择装置不构 成环形谐振腔的一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：余思远，
申请(专利权)人：布里斯托尔大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]