[發明專利]基于重構-等效啁啾以及串聯技術的低成本可調諧半導體激光器的方法及裝置

在審

• 申請號: 201310548890.5
• 申請日: 2013-11-08
• 公開（公告）號: CN104638514A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 李連艷;唐松;陳向飛;張云山;陸駿
• 申請（專利權）人: 南京大學科技園發展有限公司
• 主分類號: H01S5/12
• 分類號: H01S5/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光電子技術領域，與分布反饋半導體激光器有關，尤其涉及復雜分布反饋可調諧半導體激光器的設計和制作，更具體而言，是基于重構-等效啁啾技術的低成本可調諧分布反饋半導體激光器的方法及裝置。

背景技術

在過去的20多年中，全球寬帶需求的不斷增長極大地促進了光纖通信產業的發展，人們提出了多種能夠增加通信容量的設想和方案，其中密集波分復用技術(DWDM)是一種高效靈活的方式，并且容易在現有設備的基礎上進行升級和改造，從而獲得了人們的青睞并已經得到大規模應用。密集波分復用技術是通過增加可以傳輸信號的波長數目來提高系統傳輸容量的，例如可以將80～100個波長信號通過復用后用同一根光纖進行傳輸，到達用戶之后再分離出各個信號，從而大大提高了設備的利用效率。在傳統的波分復用系統中，分布反饋(DFB)半導體激光器是主要光源，多路信號需要同時工作，并且激光器之間的波長間隔需要滿足國際電信聯盟(ITU-T)的標準。如果采用固定波長的半導體激光器，這就意味著需要為每一個用戶配備一個獨立的收發模塊，下載來自中心局的多波長信號，然后再解調出自己需要的信號，并且為了保證系統能夠長期穩定地工作，還需要為每個激光器配置一個后備，以防止因為某一個激光器出現問題而導致系統癱瘓，這就大大提高了系統的能耗和維護保養成本。因此，人們希望在DWDM系統中使用波長可控的可調諧激光器，這樣在一個DWDM系統中就可以只使用一個激光器后備，任何一個激光器出現問題時都可以用這個激光器來代替其工作，這就大大降低了DWDM系統的復雜度，同時也降低了其運行成本。

另一方面，通過增加波長數目也不能無限增加通信容量。在長距離傳輸系統中，需要使用光纖放大器來對信號進行中繼和放大，而通常采用的摻鉺光纖放大器的工作范圍在1530nm～1570nm。如果同時使用的波長數目太多，將會因為波長間隔太小而產生信號之間的串擾。于是人們在增加波長數目的同時需要想辦法提高每個波長信號的傳輸速度。目前的光纖傳輸系統可以達到40Gbit／s的傳輸速度，而更高速度的100Gbit／s系統，以及具有更先進的調制／檢測技術的相干光通信系統也已經在醞釀之中。在這樣的系統中，可調諧激光器不僅可以作為系統的光源，而且可以作為接收端的本振信號源。

早在上個世紀80年代，人們就開始了對可調諧激光器的研究。可調諧激光器主要含有一個增益區以及一個波長可調的濾波器，通過溫度、機械、電流、電場等方式來調節濾波器的工作波長，從而實現激光器波長的改變。目前國際上可調諧激光器的結構主要可以分為三種：外腔結構、分布布拉格反射(DBR)結構以及分布反饋(DFB)結構。這些設計的激光器都能達到40nm的調諧范圍，可以滿足DWDM系統的要求，但都各自具有優缺點。

基于外腔結構的可調諧激光器性能是最為理想的，它可以在較寬的波長范圍內連續調諧，具有較高的輸出功率，并且可以獲得小于100kHz的線寬，但這類激光器是通過外部光反饋來實現波長調節的，它包括多個光學部件，制作和封裝方式復雜、成本高，并且波長調節方式也較為復雜。

基于分布布拉格反射結構的可調諧激光器是研究較早也較為廣泛的。它可以利用兩個反射光柵之間的游標效應來實現大范圍波長調諧。它不像外腔結構一樣需要多個光學部件來實現反饋，因此封裝和調節相對簡單。但就其制作方式來看，由于它的濾波部分是制作在無源波導上的，而有源材料和無源材料的集成在半導體工藝中具有一定難度，很難實現大規模產業化，因此也限制了這類激光器的發展。另外，基于DBR結構的可調諧激光器一般是通過電流來進行波長調節的，雖然其調節速度較快可以達到納秒量級，但在注入電流時因為載流子引起的等離子效應會使激光器的線寬增加。

基于分布反饋結構的可調諧激光器成本相對低廉，因為它是一個單一器件，不需要反饋并且也不需要采用復雜的有源無源材料集成方式。但由于有源材料的折射率隨溫度或者電流的變化不大，因此其調節范圍很小，一般只能達到3nm左右。目前的DFB可調諧激光器一般是通過陣列的方式來實現的，即采用多個波長不同的固定波長激光器，通過耦合的方式輸出，并利用一定的方式選擇其中的一個波長工作。這種可調諧方式的優點是激光器性能穩定，在波長調節過程中不會出現跳模，并且避免了復雜的封裝以及波長調節方式，更容易實現單片集成。這種基于并聯方式的DFB激光器陣列通常被用在10Gbit／s的傳輸系統中，本發明中所述的可調諧激光器與此有關，但由于采用了等效-重構啁啾技術來設計和制作單個的DFB激光器，其成本大大降低，并且本發明還提出了串聯方式。