光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究

光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究 光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法 研究 第35卷第4期 VO1.35NO.4 红外与激光工程 InfraredandLaserEngineering 2006年8月 Aug.2006 光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究 金杰,欧阳丽霞,张妍,李彬 (天津大学电子信息工程学院,天津300072) 摘要:可调谐光纤光栅外腔半导体激光器(FBG—ECL)激射波长由光纤光栅布喇格波长决定.调谐 光纤光栅布喇格波长可以改变激光器的激射波长.重点介绍采用轴向应力,径向应力和温度对光纤光 栅布喇格波长的调谐.布喇格中心波长的偏移与轴向应力,径向应力和温度等变化量均呈极好的线性 比例关系,且在较大的测量范围内一直保持线性关系.详细说明了光纤光栅外腔半导体激光器采用这 三种方法调谐时的特点,适用范围.并对它们的性能进行了比较.给出在不同条件下适合的调谐方法. 关键词:光纤光栅;调谐;外腔半导体激光器 中图分类号:TN252文献标识码:A文章编号:1007—2276(2006)04—0437—04 Wavelengthtuningmethodofthefibergratingexternalcavity semiconductorlaser 儿NJie,0UYANGLi—xia,ZHANGYan,LIBin (SchoolofElectronicInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:ThefibergratingBraggwavelengthdecidedthewavelengthoftunableexternalcavitydiode laser.ThewavelengthoflasercouldbechangedbytuningthefibergratingBraggwavelength.Three methodsoffibergratingwavelengthtuning—— axia1stress,radialstressandtemperaturewerestudied.The relativeshiftofBraggcenterwavelengthincreasedlinearlywiththechangeofaxialstress,radialstressor temperature,anditkeptthelinearrelationshipinalargerange.Thecharacteristicsandtheapplication rangewereintroduced,theperformancesofthethreemethodswerecomparedandsuitabletuningmethod waschosentomeettheneeds. Keywords:Fibergrating;Tuning;Externalcavitydiodelaser 0引言 可调谐外腔半导体激光器具有线宽窄,波长调谐 范围宽等特点.近年来一直受到人们的关注.普通F— P激光器的管芯,经腔面增透与光纤光栅尾纤耦合, 可以组成一种新型的光纤光栅外腔激光器.其特点是 光纤光栅的布喇格中心波长决定器件激射波长.光纤 光栅折射率的温度稳定性优于半导体材料,且不必考 虑载流子注入引起折射率变化,因而对啁啾具有强的 抑制作用.普通F—P管芯比DFB结构价格低,而且可 收稿日期:2005—08—22:修订日期:2005—10—10 基金项目:天津市重点自然科学基金项目(033800211);天津市国际合作项目 (03380o2llGo0B一01) 作者简介:金杰(1962,),女,教授,博士,主要研究方向为激光与光电子技术光通信 技术.Email:jinjie@tju.edu.cn 438红外与激光工程第35卷 以对芯片和外腔分别进行优化选择,易于实现波长的 准确控,~tJf. 轴向应力,径向应力,温度?,弯曲l都能改变光 纤光栅布喇格r}l心波长.针对轴向应力,径向应力和 温度=三种改变布喇格中心波长的方法进行了比较分 析在不同的条件下寻求最好的调谐方法. 1光纤光栅布喇格中心波长调谐的基本原理 布喇格光纤光栅的中心波长由其周期和纤芯的 有效折射率决定.而这两个参量会随着外界的轴向应 力,径向应力和温度等环境量的改变而改变,从而影 响布喇格中心波长,即通过控制外界条件的变化可获 得布喇格中心波长的偏移.该中心波长的偏移量与轴 向应力,径向应力和温度等变化量郜呈极好的线性比 例关系,且在较大的测量范围内一直保持线性关系, 因此可通过轴向应力,径向应力和温度实现波长调 谐.光纤光栅的布喇格中心波长为1: AB=2n(1) 式中:A为布喇格中心波长;n为纤芯的有效折射 率;A为光栅周期. 公式(1)明,改变光栅周期和有效折射率均可 改变布喇格波长. 由轴向应力(Z)和温度(f)变化所引起的布喇格中 心波长的偏移为: = 2)?f+2)?f f2) 由公式(2)可知,控制外界条件的变化,即调整光 纤光栅的轴向应力,径向应力和温度等可获得布喇格 中心波长的偏移. 2轴向应力对布喇格中心波长的影响 对光纤光栅施加轴向应力,使其产生形变,导致 光栅周期和有效折射率改变,从而使布喇格中心波长 发生偏移. 公式(2)等号右边的第一部分代表了轴向应力对 光栅的影响,包括了光栅周期的变化和由于光弹性效 应所引起的纤芯有效折射率的变化.轴向应力对布喇 格中心波长的影响可表示为: AAa=(1.)g:入(1)(3) 式中:s为光纤光栅的应变量,可用AL/L表示;L为光 栅的长度;为纵向伸缩量.从公式中可以看出调谐 范围的大小正比=r伸缩量而反比于光栅的长度.P为 有效光弹性常量.定义为: 2 p.=里l2一v(p+pl2)1(4) 式中:P和P:为光弹性张量的Pockel系数;v为泊松 比.对于典型的掺锗石英光纤,P1J=0.113,P=0.252, v=0.16,neff.=1.482,Pe=0.22,将这些数值代人公式(4)可 计算出,原始中心波长在1550nm附近的布喇格光 纤光栅,每发生1,应变量的形变,其中心波长将向 长波长偏移约0.0012nm/10应变量. 3径向应力对布喇格中心波长的影响 对布喇格光纤光栅施加径向应力P的情况如图 1所示1 图1刘光纤光栅施加径向应力 FigIRadialstressaddstoFBG 由径向应力变化所引起的布喇格c波长的偏 移可表示为: =AaP+)(5)一l..H aP』 在单模光纤中,由径向应力变化所引起的光纤直 径的变化极小.可以忽略不计.而径向应力变化所引 起的光纤长度的变化为: 一一(6)LE 径向应力变化所引起的纤芯有效折射率的变化为: 等=__(1_2)(7) 式中:为光纤的杨氏模量 因为AL/L=AA/A,所以公式(7)可以转化为: 第4期金杰等:光纤光栅外腔半孚体激光器波长调谐方法研究439 1__,上旦)_ AaJP—E 公式(8)可以转化为: F/ eff = (1)(2pl2+pn c3P2E ),2eff,一 f8)温度调谐波长变化范匍窄,但能实现精密的,连 续调谐.而H.由于温度能向正负两个方向调节,因而 能控制布喇格波长向正,负两个方向移动. f9)总结公式(3),(1O),(11),轴向应力,径向心力和温 度引起的光纤光栅布喇格波长偏移可表示为: 由此可得: r21 ?=+鲁(】一2v)(2p.2+)IAp(10)2E,."』 对于原始中心波长1550nm附近的布喇格光 纤光栅,?/AP约为3x10nm/MPa. 4调节温度获得布喇格中心波长的偏移 公式(2)中等号右边的第二部分代表了温度对光 栅的影响,因温度变化而引起的热胀冷缩也会改变光 栅的周期和纤芑:的有效折射率,温度变化对布喇格中 心波长的影响为: AhB=AB(A+)?f(11) 式中:=(1/A)(oA/ot),为比纤的热膨胀系数,掺锗 石英光纤约为0.55x10;O/n=(1/‰)(an./af),为热一 光效应系数.掺锗石英光纤近似为8.Ox10.由此可 见,在温度变化的影响中.因纤芯有效折射率变化而 引起的布喇格中心波长的漂移占主导地位.漂移的幅 度与温度的起伏幅度呈线性关系(见图2).将以上数 值代人公式(11)可知,原始中心波长在l550nm附 图2温度变化对光纤光栅布喇格波长的影响 Fig.2InfluenceofthetemperaturevariationOllthe fibergratingBraggwavelength 近的布喇格光纤光栅,每升高1?将使波长向长波长 移约0.0137nm.如果要达到lnm的调谐范围,则温 度需变化近80?,可见温度变化引起的布喇格波长 漂移较小.这使得温度调谐器件的实现与控制极为复 杂 =一 (PJl+P~+(Og.4-4-O/n(12) 式中:右边第一项为轴向应力引起的光纤栅周期的 变化;第二项为弹光效应引起的纤有效折射率n. 的变化;和分别为轴向和径向应变;第三项分别 为热膨胀效应引起的光栅周期的变化和热光效应引 起的有效折射率n的变化. 5三种调谐方法的比较 光纤光栅外腔激光器(见图3)的光学谐振腔在光 栅和本征激光器外端面之间,主要有三部分组成:LD — Jl. h~片,空气问隙(由于光纤与芯片耦合方式的不同,有 些激光器没有这一部分)和光栅前端的光纤部分.由 于光纤光栅极窄的滤波特性,激光器工作波长将控制 在光栅的布喇格反射峰带宽内,因此通过调谐光纤光 栅的布喇格波长可以得到波长可控的激光输出. 图3光纤光栅卧腔半导体激光器模型 Fig.3ModelofFBG—ECL 如上所述,轴向应力,径向应力,温度的改变都 能使光纤光栅布喇格中心波长发生改变,进而实现光 纤光栅外腔半导体激光器的调谐.波长在1550nm的 光纤光栅调节方法比较见表l. 采用轴向应力调谐波长,调谐范围宽,结构简单, 容易实现.光纤光栅靠激光器的一端与激光器耦合构 成外腔,不宜移动,使用步进电机拉伸光纤光栅远离 激光器的一端.最多能实现5nm的波长偏移.相对温 度控制,这种结构的器件要简单得多,但波长只能向 440红外与激光工程第35卷 长波长一个方向移动. 表1对1.55m中心波长光纤光栅三种调谐 方法的比较 Tab.1Comparisonofthethreewavelengthtuning methodsat1.55Ixmcentralwavelength 对光纤光栅施加径向应力时,由于光栅外包保护 装置,压力通过保护装置施加到光栅上.调谐范围窄, 对于原始中心波长在l550nm附近的布喇格光纤光 栅,要达到lnm的调谐范围,压力需变化300多兆帕 斯卡.实现比较困难,因此该方式多应用于传感器中. 同样,施加径向应力时波长也只能向长波长一个方向 移动. 采用温度调谐法时,光栅置于温度调节器中.但 激光器的其余部分要置于恒温箱中,温度升高.波长 向长波长移动.该方法调谐范围窄,但能实现精密的, 连续调谐,能控制布喇格波长向正,负两个方向移动. 光纤光栅可调谐外腔半导体激光器最常用的是 轴向应力和温度两种波长调谐方式.轴向应力调谐法 调谐范围宽,结构简单,适用于要求宽调谐范围的场 合.温度调谐范围窄,但精度高,可向正,负两个方向 调谐,适用于对调谐精度要求高的场合.也可以将二 者结合起来,同时实现轴向应力和温度调谐.以满足 更高的要求. (上接第418页) JGeophysRes,1997.102:16697—16713. [7]WANGHong—qi,ZHAOGao—xiang,WANGLi—zhi.Retrieval algorithmforlandsurfacetemperatureandeffectofatmospheric correction[J].J硎M]lllmWave,s(汪宏七,赵高祥,王立志. 陆面温度的反演算法和大气订正的影响.红外与毫米波), 2000,19(1):48—52. [8]SOBRINOJA,LIZ—L,SToLLMP,eta1.Improvementsinthe splitWindowtechniqueforlandsurfacetemperaturedetermina一 参考文献: [1]JIANGYan,LIQun,LINCH,eta1.Anovelstraininduced thermallytunedlong-periodfibergratingfabricatedonaperiodic corrugatedsiliconfixture[J1.衄PhotonicsTw.hnologyk拙髂. 2002,14(7):941-943. [2]ZHOUHan—qing,WUZheng—mao,XIAGuang—qiong.Influenceof thetemperaturevariationonthelasingwavelengthofthefiber gratingexternalcavitysemiconductorlaser[J].L蚰茁Journal(周 寒青,吴正茂,夏光琼.温度变化对光纤光栅外腔半导体激光器 激射波长的影响.激光杂志),2003,24(5):65—66. [3]ZHANGWei—gang,DONGXiao—yi,FENGDe-jun,eta1.Linear fibre—grating—typesensingtunedbyapplyingtorsionstress[J].?e- c咖ic8I.ettn~,2000,36(2O):1686—1688. [4]MOREYWW.WiderangewavelengthtuningoffiberBragg gratings[C]/~94Colffefell~~noc?din,IamcnandEl~a-o— opticssocietyAnnualM?腿,1994,2:146—147. [5]LUOHong-jing.Highspeednarrowlinewidthsemiconductor laserwithexternalcavity[J].Semi~0】呻?lo曲(罗洪 静.高速窄线宽外腔半导体激光器.半导体光电),2003,24(3): 165—167. [6]LINCH,LIQun,AUAA,eta1.Strain—inducedthermally tunedlong-periodfibergratingsfabricatedonaperiodically corrugatedsubstrate[J]_JLightwawTw.hnology,2004,22(7): 1818-1827. [7]HUZhao-yang,PANZhen-vcu,ZHANGBin,eta1.Linewidthsmdy oflaserdiodewithfiberbragggratingexternalcavityfromdelayed self—heterodynemethod[J].h丘蛐edandh孵功1g.m?|g(胡朝 阳,潘珍吾,张斌,等.利用全光纤自外差系统研究光纤光栅半导 体激光器的线宽.红外与激光工程),2000,29(1):46—48. tion[JJ.珊阻柚鲫嫩咄andGc稍ci?ccandRtmloteScn|ing, 1994,32(2):243—253. [9]WIGNERONJP,CALVETJC,PELLARINT,eta1.Retrieving nearsurfacesoilmoisturefrommicrowaveradiometricobserva— tions:currentstatusandfutureplans[J].1~moteS~~ngofEavi— ronlnlmt,2003.85:489-506.