--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諧波長半導體激光器的研究。研究了發射波長的離散和連續調諧方法。所描述的激光器在635-1650 nm的波長范圍內以窄線寬（10 kHz）發射動態穩定的輻射。

1. 引言

注入激光器發射的輻射光譜包含多個縱模，且線寬通常較寬（1-5 nm）。實現單頻激光發射對許多應用具有重要意義。單頻激光器被廣泛用于基于波分復用的光纖通信、高分辨率光譜學、光學傳感器以及其他科學和技術領域。半導體激光器的另一個重要特性是其發射波長可調諧的能力，這進一步拓展了其應用范圍，其調諧范圍可以覆蓋整個增益區域，寬度可達20-40 nm。

早期對可調諧半導體激光器的研究依賴于短腔（100-200 μm）的激光二極管（LDs）。考慮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射光譜通常表現為單個縱模。在這些激光器中，波長調諧通過調節溫度和泵浦電流實現。然而，其缺點在于輸出功率較低以及較大的歐姆和熱阻，這導致了工作狀態的不穩定性。

分布式反饋激光器（DFB激光器）得到了更廣泛的應用。這類激光器能夠在較寬的溫度范圍內實現單頻運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域發射波長調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諧單頻半導體激光器的開發，并討論了其工作在650-1650 nm波長范圍內的特性。

2. 實驗

為了實現帶光纖布拉格光柵的二極管激光器穩定的單頻工作，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）。

激光器振蕩所對應的波長由以下關系式確定：

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異質結構的激光器，這些異質結構包含通過MOCVD方法生長的量子限制層[4]。這些LD采用脊形設計（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。

如果激光二極管（LD）腔端面沒有抗反射涂層，發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反饋的水平，從而導致光譜展寬。如上所述，在這種光譜區域內，可以實現波長調諧。在實踐中，單頻激光發射可以在輸出功率超過其最大值一半的區域內實現。當LD連接到單個布拉格光柵時，激光發射發生在光柵反射波長處。

所需的單頻激光和波長調諧通過單個（離散）布拉格光柵、雙重（連續形成）布拉格光柵以及四重布拉格光柵實現，這些光柵具有不同周期，并形成于同一光纖段內。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. 離散波長調諧

為了在兩個頻率之間實現離散調諧，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。

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射的線吻合，激光發射發生。

圖4顯示了通過改變注入電流實現的發射波長調諧。閾值電流為Ith=64 mA。可以看出，在晶體溫度T=25℃和泵浦電流Ip=80 mA下，該激光器的發射波長為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，兩個波長同時出現在發射光譜中（圖4b），總輸出功率達到3 mW。在T=25℃和Ip=125 mA時，發射波長為λ=1064.2 nm，輸出功率為5 mW（圖4c）。

為了在四個波長之間實現離散調諧，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暴露于紫外輻射形成。這種光柵結構的透射光譜如圖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。

圖6顯示了通過改變泵浦電流實現的激光波長調諧。閾值電流為Ith=125 mA。復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℃，通過調整LD泵浦電流，混合腔的所有四個單頻模式均可獲得，其結果如下所示：

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。

當泵浦電流Ip=175 mA時，布拉格光柵四個共振波長的激光發射條件彼此接近，因此在激光發射光譜中，所有四條譜線的強度大致相等。

4. 連續波長調諧

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實現連續波長調諧[6]。調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。

通過改變包含光柵的光纖段的折射率，可以實現更寬光譜范圍內的波長調諧。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變化，精度為0.1℃。三種溫度值下的發射光譜如圖7所示。

連續調諧的參數如下：

調諧范圍：1.5 nm；

調諧步長：小于0.02 nm；

發射功率：5-10 mW。

因此，我們證明了使用帶外腔的半導體激光器的放大特性，可以實現穩定的單頻激光發射，同時通過改變LD有源區的注入電流和/或溫度，可以進行離散和連續波長調諧。此外，通過光柵的加熱改變其折射率，也可以實現連續波長調諧。

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