波长可调谐激光器

　　自从半导体激光器研制成功以后，波长可调谐的半导体激光器就一直是被广泛研究的课题。波长可调谐激光器不仅可以作为DWDM的备份光源，还是智能光网络的关键因素。另外，在相干光模块中，波长可调谐激光器作为本振光光源也不可或缺;5G的应用中，波长可调的tunable光模块也备受期待。

　　波长可调谐激光器的调谐原理是通过各种技术手段直接或间接改变激光器腔长，使谐振腔中谐振模式的位置发生微小移动，并通过波长选择器件选择出特定的波长。一般来说，改变腔长属于细调，波长选择器件属于粗调。

　　下面是波长可调谐的原理示意图：

　　一个半导体激光器由两个反射面和增益波导组成。增益波导提供增益放大，在注入电流的作用下，增益逐渐变大，图中红色的曲线Gain就是增益谱;在两个反射面组成的谐振腔里，一定波长的光会在谐振腔形成振荡，振荡条件是mλ/2 = nL。所有符合振荡条件的波长都有可能激射，图中的激射波长和备胎波长都是振荡波长。

　　当多个振荡波长(或称为模式、纵模)激射时，就是多模激光器，如FP激光器;

　　当谐振腔中有一个带通滤波器(filter)，选择一个波长通过，过滤掉其他振荡波长时，就是单模激光器，如DFB激光器、DBR激光器等;

　　当带通滤波器中心波长可以移动，可选择不同的振荡波长通过就是波长可调谐激光器。

　　波长改变的物理原理及方法：

　　腔内有效折射率的改变∆n：腔内温度改变(热光效应)，载流子浓度改变(能带填充/收缩效应、等离子体色散效应)

　　物理腔长变化∆L：反射镜位置

　　模式数的改变∆m：滤波器中心波长的改变(∆n改变等)，光栅角度变化等

　　波长可调谐半导体激光器在具体实现上有多种形式,，按波长调谐机构与有源放大区的组合方式可大致分为外腔型和单片集成型两大类。从波长调谐的方式上可以分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。

　　几种典型的波长可调谐激光器：

　　1.DFB阵列型

　　DFB阵列型可调谐激光器[文献1]

　　图所示为一个DFB阵列型可调谐激光器的示意图，这一方案最早由日本NEC公司提出。器件由8个不同波长的DFB激光器阵列、S型弯曲波导、多模干涉耦合器(MMI)和一个半导体光放大器(SOA)四部分组成。每个激光器的波长有3-4nm的偏差，波长的调谐通过选择合适的波长的激光器激射配合温度调谐来实现。其波长的调谐范围为通道数乘以波长偏差，可以实现30nm以上的调谐范围。

　　这种结构的可调谐激光器具有单个激光器本身良好的特性，控制也相对简单;但是对外延工艺和光栅制作的工艺要求比较高，另外MMI耦合器会引起额外的功率损失，需要通过SOA来补偿出光功率。

　　2.取样光栅DBR结构(SGDBR)

　　SGDBR结构实体图(上图);前后两个光栅反射镜的反射谱(下图)

　　[文献2，3]

　　一个取样光栅结构如图所示，SGDBR由前后两个光栅反射镜、增益区和相位区组成。SGDBR的前端集成了一个SOA和一个MZ调制器。SGDBR的前后两个反射镜是由不同周期的取样光栅构成，分别为图中的front mirror和rear mirror。两个取样光栅设计为不同的光栅周期，使其反射率最大值周期不同，当且只有腔内的振荡模式同时处于两个光栅最大反射率的频率上时才会形成谐振放大，如图中的1570nm位置。

　　在工作中，通过不断改变注入电流来调节一个光栅的反射谱向某一个方向移动，这样就可以使不同波长的反射峰重合(游标效应)，从而依次选择出间隔相同的波长。通过两端取样光栅反射波长的改变来选模一般得到是不连续的较大间隔粗调谐。想要的到精细的波长调谐，需要引入相位区，通过电流改变该波导的折射率来改变振荡模式的位置，这样可以在每个波长周围的范围内可以形成一定的连续调谐。SGDBR就是通过取样光栅和相位区的配合，来实现大范围的连续波长调谐，其波长调谐范围可以达40nm以上。

　　3.Littman-Metcalf 外腔结构

　　Littman-Metcalf 外腔结构原理图[文献4]

　　一个典型的Littman-Metcalf 外腔结构波长可调谐激光器如图所示。其结构包括一个激光器芯片(一端镀高反射膜，一端镀增透膜)、lens、反射型衍射光栅、外腔反射镜。固定的反射型衍射光栅作为色散元件，使某个波长的1级衍射光在激光器和外腔镜之间形成振荡，0级衍射光形成输出。通过机械结构使外腔镜面绕一个虚支点旋转，使外腔镜在不同的位置选择不同的1级衍射波长。另外，外腔镜位置的改变能够，也同时改变振荡模式的位置，从而实现连续的波长调谐。

　　外腔可调谐激光器因为具有较高的输出功率、调谐范围宽和激光线宽窄等优点。但是，传统的机械调谐设计的体积较大，在实际应用中受到限制。

　　于是一种MEMS驱动的Littman-Metcalf 外腔结构波长可调谐激光器被设计出来。其外腔镜面转动通过MEMS实现，可以实现常规的蝶形封装。该器件可以实现40nm的调谐范围，线宽小于50kHz。

　　MEMS驱动的Littman-Metcalf 外腔结构波长可调谐激光器 [文献5]

　　4.波导型外腔结构

　　波导型外腔结构的可调谐激光器，通常由集成光子芯片外腔和III-V族的SOA组成。集成光子芯片外腔负责波长选择，III-V族的SOA提供增益。

　　(a)硅基波长可调谐激光器示意图; (b)激光器波长调谐示意图 [文献6]

　　2009年，我的导师储涛老师实现了第一个硅基波长可调谐激光器。它由III-V族SOA与硅基微环外腔芯片组成，SOA通过flip-chip binding的方式集成在硅基微环外腔芯片上。硅基微环外腔芯片由两个半径大小不同的微环组成，采用与取样光栅原理类似的游标效应实现波长的调谐。该激光器外腔的尺寸仅700 x 450 µm。这种设计的波长可调谐激光器具有尺寸小、功耗低、调谐范围大等优点。另外，基于和COMS工艺兼容的硅光平台，这种设计极有可能实现低成本的波长可调谐光源。

　　NEC公司和东京大学合作开发的可调谐激光器示意图(a)和滤波器设计(b) [文献7]

　　2015年，在此结果的基础上，NEC公司和东京大学的Yamada教授课题组的利用硅基微环波导光学外腔，通过腔长设计和两段SOA实现了高功率、窄线宽的波长可调谐激光器。该器件，在整个C波段实现了超过100mW(20dBm)的光纤耦合输出功率和小于15kHz的线宽。

　　此外，UCSB、新加坡南洋理工、荷兰特温特大学、华为公司等单位，在波导型外腔可调谐激光器的研究上也有很多可喜的进展。